RU2730821C1 - Жаропрочный порошковый алюминиевый материал - Google Patents

Жаропрочный порошковый алюминиевый материал Download PDF

Info

Publication number
RU2730821C1
RU2730821C1 RU2019144429A RU2019144429A RU2730821C1 RU 2730821 C1 RU2730821 C1 RU 2730821C1 RU 2019144429 A RU2019144429 A RU 2019144429A RU 2019144429 A RU2019144429 A RU 2019144429A RU 2730821 C1 RU2730821 C1 RU 2730821C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
manganese
iron
printing
group
powder
Prior art date
Application number
RU2019144429A
Other languages
English (en)
Inventor
Виктор Христьянович Манн
Александр Юрьевич Крохин
Дмитрий Константинович Рябов
Роман Олегович Вахромов
Владимир Александрович Королев
Иван Юрьевич Михайлов
Александр Гарегинович Сеферян
Original Assignee
Общество с ограниченной ответственностью "Объединенная Компания РУСАЛ Инженерно-технологический центр"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Общество с ограниченной ответственностью "Объединенная Компания РУСАЛ Инженерно-технологический центр" filed Critical Общество с ограниченной ответственностью "Объединенная Компания РУСАЛ Инженерно-технологический центр"
Priority to RU2019144429A priority Critical patent/RU2730821C1/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU2730821C1 publication Critical patent/RU2730821C1/ru
Priority to CA3162961A priority patent/CA3162961A1/en
Priority to EP20839158.1A priority patent/EP4083244A1/en
Priority to PCT/RU2020/050339 priority patent/WO2021133227A1/ru
Priority to CN202080084777.4A priority patent/CN114829643A/zh
Priority to JP2022535623A priority patent/JP2023507928A/ja
Priority to US17/850,730 priority patent/US20220325384A1/en

Links

Images

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C21/00—Alloys based on aluminium
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C1/00—Making non-ferrous alloys
    • C22C1/04—Making non-ferrous alloys by powder metallurgy
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F1/00—Metallic powder; Treatment of metallic powder, e.g. to facilitate working or to improve properties
    • B22F1/05—Metallic powder characterised by the size or surface area of the particles
    • B22F1/052—Metallic powder characterised by the size or surface area of the particles characterised by a mixture of particles of different sizes or by the particle size distribution
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F9/00—Making metallic powder or suspensions thereof
    • B22F9/02—Making metallic powder or suspensions thereof using physical processes
    • B22F9/06—Making metallic powder or suspensions thereof using physical processes starting from liquid material
    • B22F9/08—Making metallic powder or suspensions thereof using physical processes starting from liquid material by casting, e.g. through sieves or in water, by atomising or spraying
    • B22F9/082—Making metallic powder or suspensions thereof using physical processes starting from liquid material by casting, e.g. through sieves or in water, by atomising or spraying atomising using a fluid
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B33—ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
    • B33Y—ADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
    • B33Y70/00—Materials specially adapted for additive manufacturing
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B33—ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
    • B33Y—ADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
    • B33Y80/00—Products made by additive manufacturing
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C1/00—Making non-ferrous alloys
    • C22C1/02—Making non-ferrous alloys by melting
    • C22C1/03—Making non-ferrous alloys by melting using master alloys
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C1/00—Making non-ferrous alloys
    • C22C1/04—Making non-ferrous alloys by powder metallurgy
    • C22C1/0408—Light metal alloys
    • C22C1/0416—Aluminium-based alloys
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F10/00—Additive manufacturing of workpieces or articles from metallic powder
    • B22F10/20—Direct sintering or melting
    • B22F10/28—Powder bed fusion, e.g. selective laser melting [SLM] or electron beam melting [EBM]
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F2301/00—Metallic composition of the powder or its coating
    • B22F2301/05—Light metals
    • B22F2301/052—Aluminium
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F2304/00—Physical aspects of the powder
    • B22F2304/10—Micron size particles, i.e. above 1 micrometer up to 500 micrometer
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F2999/00—Aspects linked to processes or compositions used in powder metallurgy
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P10/00—Technologies related to metal processing
    • Y02P10/25—Process efficiency

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Powder Metallurgy (AREA)
  • Printing Plates And Materials Therefor (AREA)
  • Manufacture Of Metal Powder And Suspensions Thereof (AREA)

Abstract

Изобретение относится к области металлургии, а именно к жаропрочным алюминиевым сплавам с высокой стабильностью структуры для использования в аддитивных технологиях в виде порошка. Сплав содержит никель, марганец, железо, цирконий, церий, по крайней мере один элемент из группы: медь, магний, цинк, а также по крайней мере один элемент из группы: кремний, кальций, при этом Ni > Mn + Fe, одну или несколько эвтектических фаз типа AlNi, AlMnNi, AlFeNi, обладающих термической стабильностью, а также дисперсоиды типа AlZr, что обеспечивает предел прочности изделия в состоянии после печати или отжига не ниже 370 МПа. Техническим результатом является разработка нового жаропрочного алюминиевого материала для его использования в виде порошка, обладающего хорошей технологичностью при печати, а также повышенными характеристиками прочности при комнатной температуре после печати, без сильного снижения прочности после отжига. 3 н. и 4 з.п. ф-лы, 3 ил., 7 табл., 3 пр.

Description

Область техники
Изобретение относится к области металлургии, а именно, к материалу на основе алюминиевого сплава и порошку из него для использования при изготовлении деталей методами аддитивных технологий.
Аддитивные технологии или технологии послойного синтеза являются на сегодняшний день передовым направлением цифрового производства для печати на 3D-принтере. Известно несколько видов аддитивных технологий, каждый из которых используется для решения разных производственных задач. Например, изготовление металлических деталей изделий авиа-космической техники происходит с помощью данных технологий для создания особо прочных объектов. Основные преимущества - скорость и точность производства, экономия сырья и низкое количество отходов.
Некоторые аддитивные технологии используют металлические порошки в качестве сырья для получения различных деталей. При этом ряд изделий машиностроения и двигателестроения в процессе работы испытывают разогрев своих отдельных частей, что приводит к необходимости применения материалов с повышенными характеристиками жаропрочности.
Процесс 3D-печати алюминиевых порошков представляет собой послойную наплавку материала самого на себя, сопровождающуюся высокими скоростями охлаждения. Это приводит к необходимости использования материала с хорошими литейными свойствами, не склонного к образованию горячих трещин и хорошей пластичностью в твердо-жидком состоянии.
Самым распространенным алюминиевым сплавом для использования в аддитивных технологиях является материал марки AlSi10Mg, применяемый в виде порошка, например, см. https://www.3dsystems.hu/content/pdf/3D-Systems_Laserform_AlSi10Mg(A)_DATASHEET_A4-us_2018.03.20_WEB.pdf
Сплав может содержать 9-11% кремния и 0,2-0,5% магния.
Наличие кремния в составе обеспечивает хорошие литейные свойства и отсутствие горячих трещин, что приводит к формированию качественной структуры в процессе печати, а добавка магния позволяет повысить прочность. При этом уровень механических свойств материала после отжига для снятия внутренних напряжений не превышает 320 МПа. Повышение температуры эксплуатации приводит к серьёзному снижению прочности, что не позволяет использовать данный материал длительно при повышенных температурах.
Известен алюминиевый сплав марки 2219 с повышенной жаропрочностью, например, см. https://www.makeitfrom.com/material-properties/2219-AlCu6Mn-A92219-Aluminum, содержащий в своем составе следующие компоненты (масс. %):
медь 5,8–6,8
марганец 0,2–0,4
цирконий 0,1–0,25
железо до 0,3
кремний до 0,2
ванадий 0,05–0,15
титан 0,02–0,1
цинк до 0,1
магний до 0,02
примеси до 0,15
алюминий остальное
Сплав имеет удовлетворительные литейные свойства, является свариваемым, основным легирующим элементом является медь, которая формирует в процессе старения дисперсоиды типа Al2Cu, являющиеся эффективными упрочнителями.
В связи с этим, данный сплав требует применения операции закалки и последующего искусственного старения для обеспечения максимальных свойств. При этом нагревы при температуре выше 250°С приводят к существенному разупрочнению материала, за счет коагуляции упрочняющих фаз, что не позволяет его использовать в конструкциях длительно при температуре 250°С. Кроме того, данный сплав может быть напечатан с использованием аддитивных технологий, однако он склонен к появлению горячих трещин при печати, например, см. https://www.wlt.de/lim/Proceedings/Stick/PDF/Contribution146_final.pdf.
Известен алюминиевый материал с повышенными характеристиками жаропрочности (патент JP3845035, 15.11.2006), применяемый в виде порошка размером 20-90 мкм с использованием традиционных методов порошковой металлургии, содержащий компоненты в следующем соотношении (масс. %):
кремний 10–30
железо 1–5
никель 2–8
медь 0,2–5
магний 0,2–5
хотя бы один элемент из группы, содержащей:
марганец 0,1–2
цирконий 0,2–2
хром 0,05–0,4
при этом соотношение Fe/Ni находится в пределах 1:1,25 до 1:1,2.
Остальное - алюминий.
Данный сплав за счет наличия большого количества переходных металлов типа никеля, железа и марганца формирует интерметаллидные соединения, обладающие высокой термической стабильностью, а дополнительное легирование элементами типа цирконий и хром позволяет добиться дополнительного упрочнения за счет формирования дисперсоидов при термической обработке. При этом высокое содержание кремния в материале и общая перелегированность не позволяют использовать данный сплав для печати ввиду высокого содержания интерметаллидных фаз, приводящих к катастрофическому снижению пластичности и трещинообразованию при печати за счет сильных внутренних напряжений.
Известен алюминиевый сплав с хорошей прочностью при высокой температуре, содержащий марганец в количестве 0,1 – 2,5 масс. % и никель в количестве 5,5 – 7,0 масс.%, остальное алюминий и неизбежные примеси (JPH02295640, 06.12.1990).
Сплав отличается хорошими литейными свойствами и высокой прочностью при повышенных температурах, тем не менее, прочность при комнатной температуре данного материала невысокая ввиду отсутствия мелких дисперсоидов, препятствующих движению дислокаций при деформации.
Известен алюминиевый литейный сплав (WO 2010083245, 22.07.2010), обладающий хорошими литейными свойствами и высокими декоративными свойствами, содержащий компоненты при следующем соотношении (масс. %):
никель 6,6–8,0
марганец 0,5–3,5
железо/кремний до 0,25 каждого
медь/цинк/магний до 0,5 каждого
титан/цирконий/скандий до 0,2 каждого
при этом бор/углерод могут быть добавлены в количестве не более 0,1%.
Остальные элементы не более 0,05%, причем общее содержание примесей не должно быть выше 0,15%, остальное алюминий.
За счет наличия в своем составе эвтектиообразующих элементов (марганец и никель) материал обладает хорошими литейными свойствами, низкой склонностью к горячим трещинам, кроме того, данные фазы термически стабильны и не склонны к сильной коагуляции с течением времени. Недостатком является недостаточная прочность за счет малой концентрации элементов, формирующих дисперсоиды в процессе отжига (старения), а также высокий удельный вес за счет большого количества тяжелых легирующих элементов, что приводит к снижению удельных характеристик готовых деталей.
Известен алюминиевый сплав с хорошими литейными свойствами и высокой рабочей температурой (WO 2015144387, 01.10.2015), содержащий следующие компоненты (масс. %):
никель 1–6
марганец 1–5
цирконий 0,1–0,4
ванадий 0,1–1
вольфрам и/или молибден 0,1–1,0
железо до 2 (опционально)
титан до 1 (опционально)
магний до 2 (опционально)
кремний до 0,5 (опционально)
медь до 0,5 (опционально)
цинк до 0,5 (опционально)
переходные металлы из группы: стронций, скандий, лантан, иттрий, гафний, ниобий, тантал и/или хром до 5% (опционально)
Остальное алюминий и неизбежные примеси (количество примесей не более 1%).
За счет формирования большого количества эвтектики материал отличается хорошими литейными свойствами, а введение металлов из числа вольфрам, молибден и переходных металлов формируют высокую прочность при повышенных температурах. Тем не менее существенным недостатком является избыточное количество данных элементов, приводящее к потере пластичности, что не позволит проводить печать материала надлежащего качества ввиду сильных внутренних напряжений. Кроме того, элементы типа вольфрама, молибдена, скандия являются достаточно дорогими, что приводит к существенному повышению стоимости готового изделия.
Наиболее близким к заявленному решению является изобретение по опубликованной заявке JPH04107236 (А) 08.04.1992, C22C 21/00, раскрывающее жаропрочный алюминиевый сплав, содержащий в своем составе компоненты в следующем соотношении (масс. %):
марганец 1,5–2,5
никель 0,5–3,0
железо 0,2–0,8
кремний 0,2–0,8
медь 0,4–1,0
магний до 0,3
бор 0,0005–0,005
хром 0,05–0,25
цирконий 0,05–0,25
алюминий остальное
Сплав отличается повышенными характеристиками прочности, высокой технологичностью при литье и пайке, обладает низким темпом разупрочнения при повышении температуры. Тем не менее, невысокое содержание легирующих элементов не обеспечивает повышенный уровень прочности ввиду отсутствия достаточно количества интерметаллидов литейного происхождения и дисперсоидов.
Краткое изложение сущности изобретения
Технической задачей настоящего изобретения является разработка нового жаропрочного алюминиевого материала для его использования в виде порошка для изготовления деталей методами аддитивных технологий, обладающего хорошей технологичностью при печати, а также повышенными характеристиками прочности (предел прочности не ниже 350 МПа) при комнатной температуре после печати, без сильного снижения прочности после отжига для снятия внутренних напряжений. Кроме того, материал должен быть работоспособен вплоть до температур 300-350°С.
Техническим результатом является решение поставленной задачи с достижением указанных преимуществ.
Для реализации поставленной задачи и достижения указанных преимуществ предложен новый жаропрочный алюминиевый сплав со следующим содержанием компонентов (в масс. %).
никель 2,5–5,5
марганец 1,0–3,5
железо 0,15–2,0
цирконий 0,2–1,0
церий 0,05–0,4
по крайней мере один элемент из группы, содержащей медь, магний, цинк 0,05–1,5 суммарно
а также по крайней мере один элемент из группы, содержащей: кремний, кальций 0,1–2,0 суммарно
алюминий и неизбежные примеси остальное
При этом целесообразно, чтобы выполнялось следующее соотношение для содержания в сплаве никеля, марганца и железа:
Ni > Mn + Fe
Подробное изложение сущности изобретения
Введение никеля и марганца в сплав обеспечивает достаточную технологичность материала при печати за счет формирования эвтектических фаз типа Al3Ni или Al16Mn3Ni при высоких содержаниях марганца. Высокое содержание эвтектики в материале обеспечивает достаточную жидкотекучесть и сопротивление развитию горячих трещин при печати и быстрой кристаллизации. Кроме того, формирующиеся в процессе затвердевания фазы обладают высокой термической стабильностью, сохраняя структуру и прочность материала при повышенных температурах. При высоких скоростях охлаждения марганец также формирует пересыщенный твердый раствор в алюминии, способный к распаду с незначительным повышением прочности. Введение железа способствует дополнительному упрочнению при повышенной температуре за счет формирования большего числа интерметаллидных фаз. Содержание никеля повышено для формирования большего числа фаз, которые с учетом высоких скоростей кристаллизации, характерных для аддитивных технологий, формируются в компактной форме, обеспечивающей сохранение показателей пластичности при одновременном повышении характеристик прочности при повышенной температуре. Добавка циркония в указанном количестве необходима для снижения размера зерна за счет известного эффекта модифицирования, кроме того, с учетом переменной растворимости циркония в алюминии при дальнейшей термической обработки будут формироваться дисперсоиды типа Al3Zr, обеспечивающие дополнительное упрочнение при комнатной температуре, что позволяет сохранять прочностные характеристики материала в процессе отжига. За счет высокой стабильности данные дисперсоиды сохраняют свои размеры вплоть до рабочих температур на уровне 350°С. Верхняя граница диапазона связана тем, что дополнительное повышение концентрации циркония повышает температуру полного расплавления выше отметки в 950°С, что потребует излишних расходов на нагрев и перегрев расплава перед распылением порошков.
Ведение железа в указанном диапазоне обеспечивает наличие в структуре сферических частиц типа Al9FeNi, которые не ухудшают характеристики пластичности, при этом обеспечивая низкий темп разупрочнения с ростом температуры. Кроме того, железо не приводит к ухудшению характеристик горячеломкости материала, что позволяет сохранить технологичность при печати.
Важно, что условие соотношения содержания в сплаве никеля железа и марганца составляет Ni > Mn + Fe, что обеспечивает наиболее оптимальное сочетание прочности и пластических свойств материала для печати. При превышении содержания марганца и железа материал обладает пониженными значениями относительного удлинения и предела текучести за счет формирования избыточного количества интерметаллидных фаз на основе железа и на основе марганца, которые не обеспечивают эффективного упрочнения.
Церий вводится для частичного устранения негативного влияния железа – он может растворяться в железосодержащих фазах или образовывать тройную фазу с железом с более благоприятной морфологией, которая в процессе печати имеет склонность к образованию по границам зерен. При этом наличие церия в составе снижает скорость коагуляции фаз, что повышает термическую стабильность структуры.
Элементы из группы медь, магний и цинк хорошо растворимы в алюминиевой матрице при повышенной и комнатной температуре и склонны к образованию пересыщенных твердых растворов при быстрой кристаллизации, в малых концентрациях эти элементы обеспечивают твердорастворное упрочнение алюминиевой матрицы. Данный эффект сохраняется вне зависимости от нагрева и термической обработки материала, при этом содержание элементов выбрано таким образом, чтобы сильно не превышать равновесную концентрацию элемента в алюминии при комнатной температуре. Повышенное содержание данных элементов приводит к расширению интервала кристаллизации и трещинообразованию в процессе печати.
Элементы из группы кремний, кальций формируют дополнительные эвтектические фазы, которые повышают технологичность при печати, кроме того, за счет низкой плотности данные элементы снижают плотность материала, что приводит к повышению удельных характеристик прочности.
Добавка бора исключена из состава сплава, так как при высоких температурах приготовления расплава бор реагирует с цирконием, образуя тугоплавкие бориды, снижающие концентрацию циркония в твердом растворе. Кроме того, данные бориды остаются в твердом виде при температурах распыления, что снижает качество порошков.
Добавка хрома также исключена, т.к. более высокая концентрация циркония обеспечивает более эффективное упрочнение, чем интерметаллиды на основе хрома. Кроме того, повышенное содержание циркония исключает необходимость дополнительного введения элементов типа молибдена или вольфрама, которые в отличии от циркония снижают пластические характеристики материала.
Графический материал:
На чертежах представлены:
Фиг. 1 - Частицы порошка из предложенного сплава, полученные методом распыления расплава в потоке газа согласно примеру 1;
Фиг. 2 – Напечатанные кубики на платформе;
Фиг. 3 – Изображения структуры материала в оптическом микроскопе (А, B, C, D, E, F).
Примеры осуществления изобретения
Пример 1
Порошки алюминиевых сплавов различных составов в соответствии с таблицей 1 получали методом газовой атомизации.
Приготовление расплава при проводили в печи с газовым нагревом. Для приготовления использовали алюминий марки А8 по ГОСТ 11069-2001, магний марки МГ90 по ГОСТ 804-93, медь марки М1 по ГОСТ 859-2001, кремний марки 4001 по ГОСТ 2169-69, лигатурные таблетки Mn80F20, Ni80F20 и двойные лигатуры остальных элементов.
После приготовления расплава и контроля химического состава сплав перегревали до температуры не менее чем на 100°С относительно равновесного ликвидуса и проводили распыление в азоте с добавкой кислорода в количестве не более 0,8% для обеспечения контролируемого окисления.
Полученные порошки рассевали для выделения фракции с D50=40 ± 3 мкм. Фотографии порошка в сканирующем электронном микроскопе (СЭМ) изображены на Фиг. 1.
Селективное лазерное сплавление порошка проводили на установке EOS М290 (https://www.eos.info/eos-m290) в среде аргона. Для испытаний печатали цилиндры длиной 80 мм и диаметров 12 мм, после чего проводили их механическую обработку.
Таблица 1
№ Al Mn Ni Fe Zr Ce Cu Mg Zn Si Ca Cr B
1 Основа 1,5 3,9 2,0 0,8 0,1 - 0,05 - 0,5 0,5 - -
2 2,0 5,0 1,5 1,0 0,05 - - 1,5 1,2 0,4 - -
3 3,0 4,2 1,0 0,5 0,15 - 1,0 0,5 0,5 - - -
4 3,5 5,5 0,15 0,6 0,28 0,05 - - - 0,1 - -
5 1,4 2,5 1,0 0,2 0,4 0,4 0,05 - - 2,0 - -
6 1,0 4,0 0,5 0,5 0,2 0,1 - 0,1 0,1 - - -
Прототип 2,1 2,1 0,5 0,12 - 0,8 0,03 - 0,4 - 0,12 0,001
Испытания на растяжение при комнатной температуре образцов, выращенных параллельно направлению построения, проводили в соответствии с требованиями ГОСТ 1497. Термическую обработку (отжиг для снятия внутренних напряжений) проводили в печи с принудительной циркуляцией воздуха при температуре 250°С и 300°С являющимися типичными для алюминиевых сплавов.
Результаты испытаний на растяжение после печати представлены в таблице 2, а после отжигов представлены в таблице 3.
Таблица 2
№ Предел прочности, МПа Предел текучести, МПа Относительное удлинение, %
1 453 355 5,1
2 462 350 4,3
3 450 329 4,7
4 481 357 4,2
5 402 305 6,2
6 420 338 5,8
Прототип 368 246 6,5
Таблица 3
№ Отжиг 250°С/3 ч Отжиг 300°С/3 ч
Предел прочности, МПа Предел текучести, МПа Относительное удлинение, % Предел прочности, МПа Предел текучести, МПа Относительное удлинение, %
1 450 341 5,8 456 350 5,9
2 458 346 4,6 463 352 5,1
3 448 321 5,1 459 332 5,8
4 479 350 4,1 477 367 4,7
5 397 300 7,4 410 309 8,0
6 421 308 5,9 432 314 6,1
Прототип 345 218 6,8 342 220 7,2
Из сопоставления таблиц видно, что в заявленных диапазонах предлагаемый материал обладает повышенными характеристиками прочности непосредственно после печати, а также низкую тенденцию к деградации прочности при отжиге для снятия внутренних напряжений.
Пример 2
Порошки из алюминиевых сплавов с химическим составом по таблице 4 были получены по технологии, описаны в предыдущем примере, при этом в отличии от азота использовался аргон особой чистоты. Сплавы в основном отличаются соотношением никеля марганца и железа.
Таблица 4
№ Al Mn Ni Fe Ce Zr Cu Mg Si Ca ΣMn+Fe Ni/ ΣMn+Fe
A Основа 2,6 3,2 0,5 0,12 0,3 0,10 0,05 0,11 0,15 3,1 1,03
B 2,0 3,3 0,9 0,1 0,32 0,12 0,05 0,11 0,15 2,9 1,14
C 3,5 4,9 1,0 0,11 0,35 0,12 0,05 0,11 0,15 4,5 1,09
D 3,0 4,9 1,8 0,11 0,31 0,12 0,05 0,11 0,15 4,8 1,02
E 2,4 3,2 1,2 0,12 0,34 0,12 0,05 0,11 0,15 3,6 0,89
F 3,2 4,8 1,7 0,1 0,32 0,11 0,05 0,11 0,15 4,9 0,98
Для проведения процесса селективного лазерного сплавления использовали 3D принтер EOS M290. С целью снижения остаточных напряжений после печати проводили отжиг при температуре 300°С. В качестве образцов использовали кубики со стороной 10 мм3 для определения пористости (Фиг. 2), а также цилиндры из которых вырезались образцы для испытаний на растяжение в соответствии с требованиями ГОСТ 1497. Пористость определяли на микрошлифах после полировки коллоидной смесью без химического травления.
Изображения структуры представлены на фиг. 3. Как видно из рисунков, независимо от соотношения пористость материала находится на уровне 0,09 – 0,21 об. % без наличия горячих трещин в структуре.
Кроме того, в таблице 5 представлены результаты испытаний на растяжение образцов по каждому из сплавов при комнатной температуре после отжига.
Таблица 5
№ Предел прочности, МПа Предел текучести, МПа Относительное удлинение,% Пористость,
об. %
A 448 334 6,1 0,14
B 439 320 5,7 0,13
C 461 337 5,0 0,16
D 469 349 5,2 0,09
E 447 312 4,1 0,21
F 473 316 3,7 0,16
Из анализа таблицы 5 следует, что при сумме элементов марганца и железа больше чем содержание никеля материал характеризуется сниженными на 25 – 40% показателями относительного удлинения, что косвенно свидетельствует о пониженной пластичности материала. Более хрупкий материал хуже работает в условиях знакопеременных нагрузок, что нежелательно для работоспособности напечатанного изделия. Кроме того, при повышении содержания железа и марганца предел текучести материала снижен на 10%. Данные эффекты объясняются изменением соотношения фаз в материале. Повышение содержания железа и марганца приводит к образованию дополнительных фаз, которые за счет своего количества снижают показатели пластичности. Кроме того, фазы с марганцем и железом могут связывать небольшие количества никеля, что приводит к формированию фаз, обладающих меньшем эффектом упрочнения, чем фаза типа Al3Ni.
В связи с этим целесообразно, чтобы выполнялось условие: содержание никеля должно быть больше чем суммарное содержание железа и марганца.
Пример 3
Порошок с химическим составом согласно таблице 6. Порошок получен распылением с температуры на 80 градусов выше температуры ликвидуса в среде азота с добавлением кислорода в количестве 0,3%. Порошок был рассеян на фракцию +15\-63 мкм.
Таблица 6
Al Mn Ni Fe Ce Zr Cu Mg Zn Si Ca
Основа 1,9 3,6 0,7 0,2 0,28 0,3 0,2 0,1 0,3 0,2
Для проведения процесса селективного лазерного сплавления использовали 3D-принтер EOS M290. Процесс печати проводился в среде аргона, скорость сканирование лазерным лучом поверхности порошка находилась в интервале 400 – 1200 мм/с при мощности лазера в интервале 280 – 320 Вт. Максимальная толщина слоя составляла 45 мкм. В качестве изделий выступали цилиндры в количестве 24 шт. диаметром от 12 до 30 мм и длиной 80 мм. По окончании процесса печати проводили механическую обработку изготовленных изделий для получения геометрии образцов на растяжение в соответствии с требованиями ГОСТ 1497 (для испытаний при комнатной температуре) и ГОСТ 9651 (для испытаний при повышенных температурах). Изделия до механической обработки были отожжены с целью снятия внутренних напряжений при печати, связанных с высокими (более 1000 К/с) скоростями охлаждения после расплавления лазерным лучом. Результаты испытаний на растяжение приведены в таблице 7.
Таблица 7
Температура испытания, К Предел прочности, МПа Предел текучести, МПа Относительное удлинение, %
298 442 325 5,3
373 397 308 7,3
473 345 292 10,0
523 308 266 12,5
623 212 131 15,2
Из результатов испытаний видно, что предложенный материал обладает низким темпом разупрочнения при нагревах, что связано с наличием в структуре оптимального количества тугоплавких термических стабильных фаз, а также хорошей технологичностью при печати, позволяющей печатать изделия с минимальным количеством дефектов в виде пор и отсутствию горячих трещин.
В соответствии с приведенным описанием и примерами объем правовой охраны испрашивается для следующих объектов.
Порошок алюминиевого сплава, содержащий никель, марганец, железо, цирконий, отличающийся тем, что дополнительно содержит, по крайней мере, один элемент из группы: медь, магний, цинк, а также, по крайней мере, один элемент из группы: кремний, кальций, при следующем содержании компонентов, масс. %:
никель 2,5–5,5
марганец 1,0–3,5
железо 0,15–2,0
цирконий 0,2–1,0
церий 0,05–0,4
по крайней мере один элемент из группы, содержащей: медь, магний, цинк 0,05–1,5 суммарно
а также по крайней мере один элемент из группы, содержащей: кремний, кальций 0,1–2,0 суммарно
алюминий и неизбежные примеси остальное,
при этом соотношение содержания в сплаве никеля, марганца и железа удовлетворяет условию Ni > Mn + Fe, что обеспечивает наиболее оптимальное сочетание прочности и пластических свойств материала для печати.
Порошок предпочтительно имеет фракционный состав в пределах 10–150 мкм, наиболее предпочтительно, 10–63 мкм. Порошок может быть получен газовой атомизацией в среде азота или аргона, а также газовой атомизацией в среде азота или аргона с добавкой кислорода в количестве 0,1 – 0,8 масс.%.
Также заявлен способ получения изделия с использованием аддитивных технологий, отличающийся тем, что используют предложенный порошковый алюминиевый материал.
В том числе заявлено изделие из порошка алюминиевого сплава, содержащего никель, марганец, железо, цирконий, дополнительно содержащего, по крайней мере, один элемент из группы: медь, магний, цинк, а также, по крайней мере, один элемент из группы: кремний, кальций, при следующем содержании компонентов, масс. %:
никель 2,5–5,5
марганец 1,0–3,5
железо 0,15–2,0
цирконий 0,2–1,0
церий 0,05–0,4
по крайней мере один элемент из группы, содержащей: медь, магний, цинк 0,05–1,5 суммарно
а также по крайней мере один элемент из группы, содержащей: кремний, кальций 0,1–2,0 суммарно
алюминий и неизбежные примеси остальное,
при этом соотношение содержания в сплаве никеля, марганца и железа удовлетворяет условию Ni > Mn + Fe, что обеспечивает наиболее оптимальное сочетание прочности и пластических свойств материала для печати.
Целесообразно, чтобы указанное изделие из порошка алюминиевого сплава было получено со скоростью кристаллизации не менее 1000 К/с, а также имело предел прочности при комнатной температуре после печати или отжига для снятия внутренних напряжений не ниже 370 МПа.

Claims (9)

1. Порошок алюминиевого сплава для получения изделия, содержащий никель, марганец, железо, цирконий, церий, по крайней мере один элемент из группы: медь, магний и цинк, и по крайней мере один элемент из группы: кремний и кальций, при следующем содержании компонентов, мас. %:
никель 2,5–5,5 марганец 1,0–3,5 железо 0,15–2,0 цирконий 0,2–1,0 церий 0,05–0,4 по крайней мере один элемент из группы: медь, магний, цинк 0,05–1,5 суммарно и по крайней мере один элемент из группы: кремний, кальций 0,1–2,0 суммарно алюминий и неизбежные примеси остальное,
при этом соотношение содержания никеля, марганца и железа удовлетворяет условию Ni > Mn + Fe, а сплав содержит одну или несколько эвтектических фаз типа Al3Ni, Al16Mn3Ni, Al9FeNi, обладающих термической стабильностью, а также дисперсоиды типа Al3Zr, что обеспечивает в получаемом изделии в состоянии после печати или отжига для снятия внутренних напряжений предел прочности не ниже 370 МПа.
2. Порошок по п. 1, отличающийся тем, что он имеет фракционный состав в пределах 10–150 мкм, предпочтительно 10–63 мкм.
3. Порошок по п. 1, отличающийся тем, что он получен газовой атомизацией в среде азота или аргона.
4. Порошок по п. 1, отличающийся тем, что он получен газовой атомизацией в среде азота или аргона с добавкой кислорода в количестве 0,1–0,8 мас. %.
5. Способ получения изделия из порошка алюминиевого сплава с использованием аддитивных технологий, отличающийся тем, что используют порошок алюминиевого сплава по любому из пп. 1-4.
6. Изделие из порошка алюминиевого сплава, отличающееся тем, что оно получено из порошка алюминиевого сплава по любому из пп. 1-4.
7. Изделие по п. 6, отличающееся тем, что оно получено со скоростью кристаллизации не менее 1000 К/с.
RU2019144429A 2019-12-27 2019-12-27 Жаропрочный порошковый алюминиевый материал RU2730821C1 (ru)

Priority Applications (7)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2019144429A RU2730821C1 (ru) 2019-12-27 2019-12-27 Жаропрочный порошковый алюминиевый материал
CA3162961A CA3162961A1 (en) 2019-12-27 2020-11-23 Heat-resistant aluminium powder material
EP20839158.1A EP4083244A1 (en) 2019-12-27 2020-11-23 Heat-resistant powdered aluminium material
PCT/RU2020/050339 WO2021133227A1 (ru) 2019-12-27 2020-11-23 Жаропрочный порошковый алюминиевый материал
CN202080084777.4A CN114829643A (zh) 2019-12-27 2020-11-23 耐热铝粉材料
JP2022535623A JP2023507928A (ja) 2019-12-27 2020-11-23 耐熱アルミニウム粉末材料
US17/850,730 US20220325384A1 (en) 2019-12-27 2022-06-27 Heat-resistant aluminum powder material

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2019144429A RU2730821C1 (ru) 2019-12-27 2019-12-27 Жаропрочный порошковый алюминиевый материал

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2730821C1 true RU2730821C1 (ru) 2020-08-26

Family

ID=72237813

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2019144429A RU2730821C1 (ru) 2019-12-27 2019-12-27 Жаропрочный порошковый алюминиевый материал

Country Status (7)

Country Link
US (1) US20220325384A1 (ru)
EP (1) EP4083244A1 (ru)
JP (1) JP2023507928A (ru)
CN (1) CN114829643A (ru)
CA (1) CA3162961A1 (ru)
RU (1) RU2730821C1 (ru)
WO (1) WO2021133227A1 (ru)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2754258C1 (ru) * 2021-03-16 2021-08-31 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт химии твердого тела Уральского отделения Российской академии наук Способ получения порошка на основе алюминия для 3D печати
WO2022216380A3 (en) * 2021-02-26 2022-12-22 NanoAL LLC Al-ni-fe-zr based alloys for high temperature applications
RU2802321C1 (ru) * 2022-12-01 2023-08-24 федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева" (НГТУ) Заготовка из алюминиевого сплава, полученная аддитивной электродуговой наплавкой

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113528901B (zh) * 2021-07-20 2022-03-29 重庆增隆新材料科技有限公司 一种增材制造用耐热铝合金球形粉体材料及其制备方法
CN115213424B (zh) * 2022-06-17 2023-06-16 广州湘龙高新材料科技股份有限公司 一种高弹锌合金3d打印方法
CN115852207A (zh) * 2022-10-25 2023-03-28 安徽中科春谷激光产业技术研究院有限公司 用于大功率汽车发动机的增材制造耐热铝合金材料及其制备方法

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH04107236A (ja) * 1990-08-24 1992-04-08 Nippon Light Metal Co Ltd 耐熱性及びロウ付け性に優れたアルミニウム合金
RU2215055C2 (ru) * 2001-12-17 2003-10-27 Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов" Сплав на основе алюминия и изделие, выполненное из него
JP4107236B2 (ja) * 2003-03-04 2008-06-25 セイコーエプソン株式会社 無線機能付き電子腕時計
WO2017077137A2 (en) * 2015-11-06 2017-05-11 Innomaq 21, S.L. Method for the economic manufacturing of metallic parts
CN108582920A (zh) * 2018-05-07 2018-09-28 苏州弗士曼精密机械有限公司 一种耐腐蚀金属制品
RU2673593C1 (ru) * 2017-05-30 2018-11-28 Общество с ограниченной ответственностью "Объединенная Компания РУСАЛ Инженерно-технологический центр" Высокопрочный сплав на основе алюминия

Family Cites Families (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB1479429A (en) * 1973-05-17 1977-07-13 Alcan Res & Dev Aluminium alloy products and method for making same
DE2462118C2 (de) * 1973-05-17 1985-05-30 Alcan Research and Development Ltd., Montreal, Quebec Barren aus einer Aluminium-Eisen-Legierung
US4135922A (en) * 1976-12-17 1979-01-23 Aluminum Company Of America Metal article and powder alloy and method for producing metal article from aluminum base powder alloy containing silicon and manganese
JPH0593205A (ja) * 1991-10-01 1993-04-16 Hitachi Ltd アルミニウム焼結合金部品の製造方法
JP2008255461A (ja) * 2007-04-09 2008-10-23 Kyoto Univ 金属間化合物分散型Ａｌ系材料及びその製造方法
JP6794100B2 (ja) * 2015-09-28 2020-12-02 東洋アルミニウム株式会社 アルミニウム粒子群およびその製造方法
EP3558570A1 (en) * 2016-12-21 2019-10-30 Arconic Inc. Aluminum alloy products having fine eutectic-type structures, and methods for making the same
JP6393008B1 (ja) * 2017-04-27 2018-09-19 株式会社コイワイ 高強度アルミニウム合金積層成形体及びその製造方法
FR3083479B1 (fr) * 2018-07-09 2021-08-13 C Tec Constellium Tech Center Procede de fabrication d'une piece en alliage d'aluminium
CN109280820B (zh) * 2018-10-26 2021-03-26 中国航发北京航空材料研究院 一种用于增材制造的高强度铝合金及其粉末的制备方法
US11986904B2 (en) * 2019-10-30 2024-05-21 Ut-Battelle, Llc Aluminum-cerium-nickel alloys for additive manufacturing

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH04107236A (ja) * 1990-08-24 1992-04-08 Nippon Light Metal Co Ltd 耐熱性及びロウ付け性に優れたアルミニウム合金
RU2215055C2 (ru) * 2001-12-17 2003-10-27 Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов" Сплав на основе алюминия и изделие, выполненное из него
JP4107236B2 (ja) * 2003-03-04 2008-06-25 セイコーエプソン株式会社 無線機能付き電子腕時計
WO2017077137A2 (en) * 2015-11-06 2017-05-11 Innomaq 21, S.L. Method for the economic manufacturing of metallic parts
RU2673593C1 (ru) * 2017-05-30 2018-11-28 Общество с ограниченной ответственностью "Объединенная Компания РУСАЛ Инженерно-технологический центр" Высокопрочный сплав на основе алюминия
CN108582920A (zh) * 2018-05-07 2018-09-28 苏州弗士曼精密机械有限公司 一种耐腐蚀金属制品

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2022216380A3 (en) * 2021-02-26 2022-12-22 NanoAL LLC Al-ni-fe-zr based alloys for high temperature applications
RU2754258C1 (ru) * 2021-03-16 2021-08-31 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт химии твердого тела Уральского отделения Российской академии наук Способ получения порошка на основе алюминия для 3D печати
RU2802321C1 (ru) * 2022-12-01 2023-08-24 федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева" (НГТУ) Заготовка из алюминиевого сплава, полученная аддитивной электродуговой наплавкой

Also Published As

Publication number Publication date
JP2023507928A (ja) 2023-02-28
EP4083244A1 (en) 2022-11-02
CN114829643A (zh) 2022-07-29
US20220325384A1 (en) 2022-10-13
WO2021133227A1 (ru) 2021-07-01
CA3162961A1 (en) 2021-07-01

Similar Documents

Publication Publication Date Title
RU2730821C1 (ru) Жаропрочный порошковый алюминиевый материал
US20220205067A1 (en) Aluminum Alloy for Additive Technologies
JP4764094B2 (ja) 耐熱性Ａｌ基合金
JP5111005B2 (ja) 高疲労強度Ａｌ合金の製造方法
EP0861912B9 (en) Wear-resistant coated member
JP2021507088A5 (ru)
RU2737902C1 (ru) Порошковый алюминиевый материал
JPS6338541B2 (ru)
US20220372599A1 (en) Powder Aluminum Material
US20210291270A1 (en) Powdered Aluminum Material
RU2752489C1 (ru) Порошковый материал с высокой теплопроводностью
JP2711296B2 (ja) 耐熱性アルミニウム合金
JP4699786B2 (ja) 加工性と耐熱性とに優れたＡｌ基合金
RU2742098C1 (ru) Жаропрочный коррозионно-стойкий порошковый алюминиевый материал и изделие из него
JP4704720B2 (ja) 高温疲労特性に優れた耐熱性Ａｌ基合金
RU2804221C1 (ru) Алюминиевый материал для аддитивных технологий и изделие, полученное из этого материала
JP2768676B2 (ja) 迅速凝固経路により製造されるリチウム含有アルミニウム合金
JPH0270037A (ja) 耐摩耗性アルミニウム合金材
JP4699787B2 (ja) 耐磨耗性と剛性とに優れた耐熱性Ａｌ基合金
JP4064917B2 (ja) 耐熱性と耐磨耗性とに優れたＡｌ基合金
JPH06220560A (ja) 強度・延性バランスに優れたＴｉＡｌ基合金材及びその製造方法
JPS61246339A (ja) 溶湯鍛造された高靭性アルミニウム合金及びその製造法