TW202321475A - 用於雷射積層製造的鋁合金粉末與鋁合金燒熔體 - Google Patents

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Abstract

一種用於雷射積層製造的鋁合金粉末，包括Si：2.0 wt%〜4.5 wt%；Mg：0.1 wt%〜1.3 wt%；Fe：0.07 wt%〜0.65 wt%；Cu：0.35 wt%以下；Cr：0.02 wt%〜0.32 wt%；Zn：0.23 wt%以下；Ti：0.23wt%以下；Mn：0.13wt%以下；以及其餘部分為Al。所述鋁合金粉末還有不可避免的雜質。

Description

用於雷射積層製造的鋁合金粉末與鋁合金燒熔體
本發明是有關於一種雷射積層製造技術，且特別是有關於一種用於雷射積層製造的鋁合金粉末與鋁合金燒熔體。
半導體產品製程複雜，常需要至少數百個反覆步驟，且產品更新快速，機台精密度高，零件種類多。大約一部機台就有上百、千種不同的零件。然而，半導體機台零件更換維修，常面臨即時供應備料和複雜幾何加工等問題，以及採購前置時間的不易控制及差異大的零件單位成本等因素，讓零件的存貨管理問題更趨複雜。
此外，半導體機台零件的更換與維修，面臨即時供應備料和複雜幾何加工等問題。半導體庫存管理成為整個供應鏈巨大的癥結。而且，雖然零件的生命週期有限，但是關於零件何時損壞的預測性仍然很少。因此，持有所有備用零件（Spare part）的庫存將會帶來成本問題，且積存的備份零件有被淘汰的風險。
金屬積層製造具有產品幾何結構不受限制之優異特性，半成品具有近淨形（near-net shape）、先進數位製造之特點，不僅能減少傳統金屬產業之生產工序，還有去庫存化的優勢。
然而，積層製造對原材料的要求比較苛刻，滿足雷射積層製造的適用性要求所選的材料需要以粉末狀形態提供。粉末材料快速熔化後，再使材料重新結合起來，整個過程涉及材料的快速融化和凝固等物態變化，對適用的材料性能要求極高。
半導體設備的備用零件除了有輕量化和高強度等訴求之外，其外表還需要進行陽極處理。目前積層製造所使用的鋁合金粉末材料以AlSi 10Mg為主，然而AlSi 10Mg矽含量高(Si含量:10wt%)，由於Al的電位差跟Si的電位差有較大差異，所以陽極處理後的顯微結構會有高低差，導致陽極膜不符合需求。隨著矽含量越高，陽極膜色澤則越深，此外，鋁合金矽含量越高，越容易有偏析情況，陽極膜也容易產生缺陷劣化，緻密性變差，造成抗蝕性降低。因此，AlSi 10Mg無法作為半導體設備的備用零件的材料。
目前仍然使用6061鋁合金作為備用零件的材料，其矽含量低(Si含量: 0.4 wt%～0.8　wt%)因此可通過陽極處理形成均勻的淺色系甚至無顏色陽極膜。但是，6061鋁合金的固液兩相區的溫度範圍小，所以鑄造性很差，不適合用於積層製造。
本發明提供一種適用於雷射積層製造的鋁合金粉末，具有優異的鑄造性。
本發明另提供一種鋁合金燒熔體，具有優異的降伏強度與抗拉強度。
本發明的用於雷射積層製造的鋁合金粉末，包括Si：2.0 wt%〜4.5 wt%；Mg：0.1 wt%〜1.3 wt%；Fe：0.07 wt%〜0.65 wt%；Cu：0.35 wt%以下；Cr：0.02 wt%〜0.32 wt%；Zn：0.23 wt%以下；Ti：0.23wt%以下；Mn：0.13wt%以下。所述鋁合金粉末的其餘部分為Al及不可避免的雜質。
本發明的鋁合金燒熔體，係使用如上所述的鋁合金粉末經雷射積層製得。
基於上述，本發明的鋁合金材料透過Si和Mg微量元素調整，改善傳統6061鋁合金鑄造性差、金屬液體補充不及而難以積層製造成形之問題。此外，調質後鋁合金經過氣體噴粉方式製作出成份均勻之球狀粉體，可藉由雷射積層技術解決半導體設備配件存貨管理的問題。而且，積層製造的鋁合金燒熔體具有優異的降伏強度與抗拉強度。由於積層製造能直接形成複雜與精細的結構，所以與傳統鋁合金加工的多道製程相比，能更快速且配合不同機台及時製作出所需的複雜零件。
為讓本發明的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。
為了製作出可用於積層製造的鋁合金粉末，以使積層製造得到的鋁合金燒熔體具有良好的機械性質，且作為半導體設備的備用零件的話還能有助於後續陽極處理，因此本發明提出了可達到上述特點的鋁合金粉體。
在一實施例中，一種用於雷射積層製造的鋁合金粉末包括：Si：2.0 wt%〜4.5 wt%、Mg：0.1 wt%〜1.3 wt%、Fe：0.07 wt%〜0.65 wt%、Cu：0.35 wt%以下、Cr：0.02 wt%〜0.32 wt%、Zn：0.23 wt%以下、Ti：0.23wt%以下、Mn：0.13wt%以下以及其餘部分為Al，並可含不可避免的雜質。前述鋁合金粉末中的Si含量例如3.0 wt%至4.0 wt%；Mg含量例如0.1 wt%至1.0 wt%，如0.4 wt%至0.7 wt%。所述鋁合金粉末的粒徑例如20 µm至65 µm。
圖1是依照本發明的一實施例的一種鋁合金燒熔體的示意圖。在圖1中，鋁合金燒熔體100係使用前一實施例的鋁合金粉末經雷射積層製得，應知圖1僅為示意圖，代表鋁合金燒熔體具有複雜且精密的構造，而非用以限制本發明所涵蓋的範圍，且圖中的尺寸並非代表其實際的尺寸比例。
在一實施例中，所述鋁合金燒熔體的降伏強度可大於100MPa，例如大於125MPa。所述鋁合金燒熔體的抗拉強度可在150MPa至300MPa，例如200MPa至300MPa。
以下列舉實驗來驗證本發明的功效，但本發明並不侷限於以下的內容。
〈實驗例1〉
使用傳統6061鋁合金（成分顯示於下表1）並將其熔融後，再添加Si和Mg，使其成分比例在整體鋁合金中如下表2所示。
表1
Si Fe Cu Mn Mg
0.4~0.8 wt.% Max. 0.7 wt.% 0.15~0.4 wt.% Max. 0.15 wt.% 0.8~1.2 wt.%
Cr Zn Ti 其它  
0.04~0.35 wt.% Max. 0.25 wt.% Max. 0.15 wt.% Max. 0.15 wt.%
※其餘成分為Al。
然後，採用氣體噴粉方式製作成鋁合金粉末，並觀察其金相，結果顯示在圖2A。氣體噴粉的條件如下： 1. 機台：自製氣體霧化設備。 2. 鋁液氣體霧化時溫度: 800˚C。 3. 氣體霧化壓力:22bar。 4. 氣體霧化流量: 5.5m 3/min。
從圖2A可觀察到鋁合金粉末是呈現圓球狀，且粒徑約數十微米。
然後，以下列條件進行積層製造。 1. 機台：東台精機AMP-160金屬粉床式積層製造設備。 2. 掃描速率: 1200 mm/s。 3. 掃描功率: 350W。 4. Hatch spacing: 50 µm。 5. 每層鋁粉厚度: 30 µm。
將製得的燒熔體進行金相觀測，得到圖2B以及圖2C。另外，對製得的燒熔體進行機械性質檢測，得到圖2D與表2的結果，其中UTS代表抗拉強度、YS代表降伏強度、El.是伸長率。
表2
Si Mg UTS(MPa) YS(MPa) El.(%) 緻密度(%)
3.5 wt.% 0.7 wt.% 249.5±9.6 156.3±14.9 12.4±0.8 99.20%
※其餘成分為Al。
從圖2B與圖2C可得到，實驗例1的燒熔體從正面或橫截面觀察都是層疊無裂縫的結構，且從上表1可驗證其具有大於150MPa的降伏強度與250MPa左右的拉伸強度。
〈比較例1〉
使用表1的傳統6061鋁合金作為原始材料，經570°C均質化熱處裡7小時得到塊體。
將所述塊體進行金相觀測以及機械性質檢測，得到圖3與表3的結果。
表3
樣品 UTS (MPa) YS (MPa) El. (%)
1 147.3 70.2 15.6
2 148.2 68.5 17.4
3 144.6 72.2 16.9
平均 146.7 70.3 16.6
從圖3可觀察到6061鋁合金的金相是均勻的，且緻密度為99.1%。從上表3可得到6061鋁合金的降伏強度與拉伸強度都不高，特別是降伏強度最高只有72.2MPa。
〈比較例2〉
將表1的傳統6061鋁合金作為原始材料，並根據實驗例1的方式直接製粉，再觀察其金相，結果顯示在圖4A。
從圖4A可觀察到鋁合金粉末雖然也是圓球狀，但粒徑大小的差距較大。
然後將上述粉末依照實驗例1的積層製造條件製作燒熔體，並將製得的燒熔體進行金相觀測以及機械性質檢測，得到圖4B與表4的結果。
表4
UTS (MPa) YS (MPa) El. (%) 緻密度(%)
78.3 -(脆斷) 0.5 92.80%
從圖4B可觀察到，比較例2的燒熔體有大量裂痕，且從上表4可知其拉伸強度不佳、伸長率極低，且因結構中出現大量裂痕，所以測不出降伏強度。
比較例2的結果可驗證傳統6061鋁合金鑄造性不佳的性質。傳統6061鋁合金在積層製造快速凝固的環境下，導致熔液補充不及，因而在燒熔體內產生大量裂紋，嚴重影響結構體的機械性質。
〈實驗例2〉
先將表1的傳統6061鋁合金熔融，再添加Si和Mg使其成分比例在整體鋁合金中如表5所示，並根據實驗例1的方式製粉。
然後將上述鋁合金粉末依照實驗例1的積層製造條件製作燒熔體，並分別將製得的燒熔體進行機械性質檢測，結果同樣記載於表5。
表5
Si Mg UTS(MPa) YS(MPa) El.(%) 緻密度(%)
2.0 wt.% 0.4 wt.% 128.7±9.1 101.3±2.9 2.4±0.8 92.40%
2.0 wt.% 0.7 wt.% 138.7±11.8 123.5±7.4 3.4±0.9 92.90%
2.0 wt.% 1.0 wt.% 126.4±10.2 114.8±5.3 2.0±0.5 91.30%
3.0 wt.% 0.4 wt.% 198.1±7.8 110.3±4.2 7.0±1.2 98.10%
3.0 wt.% 0.7 wt.% 208.9±7.3 131.5±0.8 6.6±1.5 98.30%
3.0 wt.% 1.0 wt.% 209.6±4.6 152.6±6.9 3.2±0.6 97.90%
4.0 wt.% 0.4 wt.% 236±10.3 131.1±16.2 11.7±1.2 99.10%
4.0 wt.% 0.7 wt.% 262.7±14.7 159.2±18.4 9.7±1.6 98.90%
4.0 wt.% 1.0 wt.% 260.5±10.3 159.5±12.3 8.2±0.9 99.30%
※其餘成分為Al。
從上表5可得到，本發明將矽與鎂的含量控制在特定範圍能具有大於150MPa的降伏強度，優於比較例1的傳統6061鋁合金的均質塊體。而且當Si含量是3.0 wt%至4.0 wt%、Mg含量是0.1 wt%至1.0 wt%，其抗拉強度均可大於200MPa或接近200MPa。而Mg含量是0.4 wt%至0.7 wt%所得到的燒熔體的伸長率較佳。
〈實驗例3〉
固定添加到熔融的傳統6061鋁合金中的Mg含量，但改變Si的添加量，使其成分比例在整體鋁合金中如表6所示，並根據實驗例1的方式製粉。
然後將上述鋁合金粉末依照實驗例1的積層製造條件製作燒熔體，並將將製得的燒熔體進行機械性質檢測，結果同樣記載於表6。
表6
Si Mg UTS(MPa) YS(MPa) El.(%) 緻密度(%)
2.5 wt.% 0.7 wt.% 173.6±8.8 119.1±4.3 4.6±0.6 96.40%
3.0 wt.% 0.7 wt.% 208.9±7.3 131.5±0.8 6.6±1.5 98.30%
3.5 wt.% 0.7 wt.% 249.5±9.6 156.3±14.9 12.4±0.8 99.20%
4.0 wt.% 0.7 wt.% 262.7±14.7 159.2±18.4 9.7±1.6 98.90%
4.5 wt.% 0.7 wt.% 281.5±11.3 162.7±16.4 7.8±1.2 99.20%
※其餘成分為Al。
從上表6可得到，矽含量控制在特定範圍能具有大於100MPa的降伏強度，優於比較例1的傳統6061鋁合金的均質塊體。而且當Si含量是3.5 wt%至4.5 wt%、Mg含量是0.7 wt%，其抗拉強度均可大於250MPa或接近250MPa，且所得到的燒熔體的伸長率都大於7%。
〈實驗例4〉
固定添加到熔融的傳統6061鋁合金中的Si含量，但改變Mg的添加量，使其成分比例在整體鋁合金中如表7所示，並根據實驗例1的方式製粉。
然後將上述鋁合金粉末依照實驗例1的積層製造條件製作燒熔體，並將將製得的燒熔體進行機械性質檢測，結果同樣記載於表7。
表7
Si Mg UTS(MPa) YS(MPa) El.(%) 緻密度(%)
3.5wt% 0.1 wt.% 219.5±11.3 135.5±8.4 12.8±0.9 99.30%
3.5wt% 0.4 wt.% 232.4±12.7 143.4±5.5 12.1±1.5 98.80%
3.5wt% 0.7 wt.% 249.5±9.6 156.3±14.9 12.4±0.8 99.20%
3.5wt% 1.0 wt.% 257.9±13.1 153.5±17.7 7.8±0.7 99.40%
3.5wt% 1.3 wt.% 276.3±12.8 148.1±12.6 5.8±1.8 98.90%
※其餘成分為Al。
從上表7可得到，Mg含量控制在特定範圍能具有大於200MPa的抗拉強度，遠高於比較例1和比較例2的結果。而當Mg含量是0.1wt%至0.7 wt%具有大於12%的伸長率。
綜上所述，本發明通過調質6061鋁合金所含的矽含量與鎂含量，因此能製作出適合積層製造的6061鋁合金，並具有優異的降伏強度與抗拉強度。由於積層製造不需要像傳統鋁合金加工一樣包含多道製程，所以製程更快速且能製作出複雜與精細的結構，所以可快速交貨且不需事先製作大量產品，因此還能降低半導體設備的配料庫存量。此外，透過積層製造也能製作出特定舊機台所需零件。
雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。
100:燒熔體
圖1是依照本發明的一實施例的一種鋁合金燒熔體的示意圖。 圖2A是實驗例1的鋁合金粉末的金相圖。 圖2B是實驗例1的鋁合金燒熔體的正面金相圖。 圖2C是實驗例1的鋁合金燒熔體的橫截面金相圖。 圖2D是實驗例1的鋁合金燒熔體應力-應變曲線圖。 圖3是比較例1的6061鋁合金塊體的金相圖。 圖4A是比較例2的鋁合金粉末的金相圖。 圖4B是比較例2的鋁合金燒熔體的正面金相圖。
100:燒熔體

Claims (10)

  1. 一種用於雷射積層製造的鋁合金粉末，包括： Si：2.0 wt%〜4.5 wt%；Mg：0.1 wt%〜1.3 wt%；Fe：0.07 wt%〜0.65 wt%；Cu：0.35 wt%以下；Cr：0.02 wt%〜0.32 wt%；Zn：0.23 wt%以下；Ti：0.23wt%以下；Mn：0.13wt%以下；以及 其餘部分為Al及不可避免的雜質。
  2. 如請求項1所述的用於雷射積層製造的鋁合金粉末，其中所述鋁合金粉末的粒徑是20 µm至65 µm。
  3. 如請求項1所述的用於雷射積層製造的鋁合金粉末，其中所述鋁合金粉末中的Si含量是3.0 wt%至4.0 wt%。
  4. 如請求項1所述的用於雷射積層製造的鋁合金粉末，其中所述鋁合金粉末中的Mg含量是0.1 wt%至1.0 wt%。
  5. 如請求項1所述的用於雷射積層製造的鋁合金粉末，其中所述鋁合金粉末中的Mg含量是0.4 wt%至0.7 wt%。
  6. 一種鋁合金燒熔體，係使用如請求項1~5中任一項所述的鋁合金粉末經雷射積層製得。
  7. 如請求項6所述的鋁合金燒熔體，其中所述鋁合金燒熔體的降伏強度大於100MPa。
  8. 如請求項6所述的鋁合金燒熔體，其中所述鋁合金燒熔體的降伏強度大於125MPa。
  9. 如請求項6所述的鋁合金燒熔體，其中所述鋁合金燒熔體的抗拉強度是150MPa至300MPa。
  10. 如請求項6所述的鋁合金燒熔體，其中所述鋁合金燒熔體的抗拉強度是200MPa至300MPa。
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