CN108486431B - 选区激光熔化技术用Al-Si-Mg系铝合金组合物及成型件制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种选区激光熔化技术用Al‑Si‑Mg系铝合金组合物，按质量百分比由：Si 7‑15％、Mg 0.8‑3％、Mn 1.2‑2％、Zr 0.5‑1.5％，余量为铝组成。通过母合金熔炼，金属粉末制备，铝合金成型件的制备及热处理工艺步骤制得铝合金成型件。本发明通过选区激光熔化制造技术，大幅提高合金元素在铝基体中的溶解度，并通过增加铝合金中第二相强化粒子的浓度，大幅度提高铝合金的力学性能。本发明的Al‑Si‑Mg系铝合金成分，经过选区激光熔化技术制备获得铝合金的最大屈服强度σ0.2可达380MPa，抗拉强度σb可达520MPa，并且合金的塑性变形率超过8％。适用于通过选区激光熔化技术制备力学性能要求较高的复杂结构件。
Description
技术领域
本发明涉及新材料技术领域，特别涉及一系列具有高拉伸强度、高塑性变形率的选区激光熔化技术用Al-Si-Mg系铝合金组合物。
背景技术
Al-Si合金作为产量及用量最大的铸造铝合金，具有耐磨耐侵蚀性好，热膨胀系数低，比强度高，导热性好等优点，这使得Al-Si合金被广泛应用于活塞、发动机组、缸套、轮毂、轴承、轴瓦、曲轴箱等汽车零部件。Al-Si-Mg合金中，Mg与Si元素在铝合金凝固过程中部分溶解在铝基体中，部分以Mg2Si相析出，由于作为初生相形成的Mg2Si尺寸比较粗大，多呈尖角状，割裂基体，降低了材料的力学性能。Al-Si-Mg合金经后期固溶加时效处理后，可使Mg2Si相在铝合金基体中弥散析出，析出相与基体之间存在一定的应变场，这些应变场成为位错运动的障碍从而起到沉淀强化的作用。但由于传统铸件在固溶处理过程中Mg在Al-Si合金中的固溶度有限，导致后期时效处理过程中Mg2Si粒子析出浓度受限，从而限制Al-Si-Mg合金力学性能的进一步提升。
快速成型技术是集计算机辅助技术和激光及电子束加工于一体的新型加工技术。它可以针对性地解决铸造工艺中暴露出的一些缺陷，满足铸造过程中加工困难或无法加工的特殊零部件的成型加工需求。选区激光熔化技术为快速成型技术的一种，被称作未来快速成型领域的主要发展趋势，在金属成型中的应用将为制造业带来突破性的飞跃。
选区激光熔化成型过程分为快速升温和急速降温两个阶段：首先激光束与金属粉体相互作用，由于金属粉末吸收激光束的能量，温度骤然上升并超过了金属的熔点形成熔池，此时，熔融金属处于液相平衡，金属原子可以自由移动，合金元素均匀分布；当激光束移开后，由于热源的消失，熔池温度以103-106K/s的速度下降。在此过程中，金属原子和合金元素的扩散移动受限，抑制了晶粒的长大和合金元素的偏析，凝固后的金属组织晶粒细小，合金元素分布均匀，能够大幅提高材料的强度和韧性。除此之外，由于熔池的快速凝固行为，使得Al-Si-Mg系铝合金中合金化原子的固溶度得到大幅提升，从而在铝合金后期的时效热处理过程中能够获得高浓度的Mg2Si粒子，可有效提高铝合金的强度。然而，现在选区激光熔化技术应用的铝合金成分仍以传统铸造合金成分为主，无法体现选区激光熔化技术的熔体急冷的工艺特性，实现Al-Si-Mg系铝合金性能的进一步提升。现阶段选区激光熔化成型铝合金的强度和塑性虽然远高于铸造铝合金(选区激光熔化成型铝合金的屈服强度约为200～320MPa，抗拉强度约为340～500MPa)，但仍有较大提升空间。
发明内容
本发明目的要解决的技术问题是：克服传统铸造Al-Si-Mg系铝合金中第二相粒子含量受限的缺点，应用选区激光熔化技术实现Al-Si-Mg系铝合金中第二相粒子含量的提升，进而实现力学性能的提升。最终提供一系列具有优异力学性能的Al-Si-Mg系选区激光熔化技术专用铝合金，该合金的力学性能明显优于传统铸造和选区激光熔化成型技术获得的Al-Si-Mg系铝合金的力学性能。
为达到上述目的，本发明实现目的所采用的技术方案如下：
一种选区激光熔化技术用Al-Si-Mg系铝合金组合物，按质量百分比计，由成分及含量为：Si 7-15％、Mg 0.8-3％、Mn 1.2-2％、Zr 0.5-1.5％，余量为铝组成，总质量百分比为100％。
其中，所述铝的纯度为99.99％的纯铝。
所述的Si、Mg、Mn、Zr为单质或铝基中间合金。采用钟罩将Si、Mg、Mn、Zr压入纯铝中。
为达到上述目的，本发明实现目的所采用的另一技术方案如下：
一种选区激光熔化技术用Al-Si-Mg系铝合金成型件的制备方法，包括如下步骤：
S1：母合金熔炼：将坩埚预热至520±5℃后，将纯铝放置于坩埚中，继续升温至1100±5℃，待纯铝熔化后将Al-Zr中间合金压入纯铝中，并进行搅拌30分钟，待搅拌均匀后，将熔体温度降至750±5℃，然后加入Mg和Mn单质，并进行搅拌30分钟，获得成分均匀合金熔体；
S2：粉末制备：合金熔体熔化均匀后，打开坩埚底部阀门，合金熔体经内径为5mm的氧化铝导管流出，自由下落，液流经高压氮气雾化器冲击破碎成细小液滴，凝固后形成金属粉末；
S3：铝合金成型件的制备：
1)利用CAD建立所需成型零部件的三维模型，并将其转换成可分切的数据格式；
2)将三维模型连同支撑体分切成厚度为0.04mm的多层后导入SLM设备；
3)在一个可拆装的基板上铺一层0.04mm如步骤S2中所述金属粉末；
4)激光扫描步骤3)金属粉末层横截面的几何形状4次，扫描过程中激光光斑为：0.1mm，激光功率为：200-400W，激光扫描速率为：400-2000mm/s；
5)基板下降一个层0.04mm的厚度，在基面上铺一层新的金属粉末；激光扫描新铺金属粉末层横截面的几何形状1-2次，扫描过程中激光光斑为：0.1mm，激光功率为：200-300W，激光扫描速率为：800-1300mm/s，扫描方向与上一层扫描方向顺时针转动60度；
6)重复步骤5)多次，直至整个程序运行结束，得到所述铝合金成型件，重复次数由成型件尺寸决定；
S4：热处理：
将步骤S3中得到的铝合金成型件置于150℃条件下热处理6-24h，即可得到选区熔化技术专用Al-Si-Mg系铝合金成型件。
进一步优选的，步骤S2中所述的金属粉末的直径大小为15-60微米。
进一步优选的，步骤S2中所述雾化的压力为10MPa。
本发明的优点和有益效果是：
(1)依托选区激光制造技术，通过增加Al-Si-Mg系铝合金中Mg元素和Zr元素的含量，提升铝合金中第二相强化Mg2Si和Al3Zr粒子的浓度，实现Al-Si-Mg系铝合金力学性能的有效提升；
(2)通过加入Mn和Zr元素，可同时增加选区激光熔化Al-Si-Mg系铝合金的成形性，使得铝合金的致密度超过99.9％，并且可有效避免Al-Si-Mg系铝合金中裂纹的产生。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下以Al90.5Si7Mg0.8Mn1.2Zr0.5、Al86Si10Mg1.5Mn1.5Zr1、Al78.5Si15Mg3Mn2Zr1.5三个合金成分为例，进行进一步的详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1：
一、铝合金组合物的成分及含量：
Al90.5Si7Mg0.8Mn1.2Zr0.5
二、铝合金成型件的制备步骤：
(1)母合金熔炼：
将坩埚预热至520±5℃后，将纯铝放置于坩埚中，继续升温至1100±5℃，待纯铝熔化后将Al-Zr中间合金压入纯铝中，并进行搅拌30分钟，待搅拌均匀后，将熔体温度降至750±5℃，然后加入Mg和Mn单质，并进行搅拌30分钟，获得成分均匀合金熔体；
(2)粉末制备：
合金熔体熔化均匀后，打开坩埚底部阀门，合金熔体经内径为5mm的氧化铝导管流出，自由下落，液流经高压氮气雾化器冲击破碎成细小液滴，凝固后形成金属粉末；雾化压力为10MPa，最终筛选15-60微米的粉末备用；
(3)铝合金成型件的制备：
1)利用CAD建立所需成型零部件的三维模型，并将其转换成可分切的数据格式；
2)将三维模型连同支撑体分切成厚度为0.04mm的多层后导入SLM设备；
3)在一个可拆装的基板上铺一层0.04mm如步骤(2)中所述金属粉末；
4)激光扫描步骤3)金属粉末层横截面的几何形状4次，扫描过程中激光光斑为：0.1mm，激光功率为：200W，激光扫描速率为：1100mm/s；
5)基板下降一个层0.04mm的厚度，在基面上铺一层新的金属粉末；激光扫描新铺金属粉末层横截面的几何形状1次，扫描过程中激光光斑为：0.1mm，激光功率为：200W，激光扫描速率为：1100mm/s，扫描方向与上一层扫描方向顺时针转动60度；
6)重复步骤5)多次，直至整个程序运行结束，得到所述铝合金成型件，重复次数由成型件尺寸决定；
(4)热处理：
将步骤(3)中得到的铝合金成型件置于150℃条件下热处理6h，即可得到选区熔化技术专用Al-Si-Mg系铝合金。
三、本实施例的力学性能测试和有益效果
1、力学性能测试：
利用X射线衍射仪(XRD)和透射电子显微镜(TEM)对制得铝合金样品进行结构检测；利用金相显微镜(OM)扫描电子显微镜(SEM)观察铝合金样品的微观组织；应用万能力学试验机测试铝合金样品的强度。
2、有益效果：
通过此实施例获得成型件的致密度为99.95％，其力学性能指标如下：最大抗拉强度σb为380MPa，屈服强度σ0.2为300MPa，塑性变形率为22％。该实施例的塑性变形率大于现有铸造和选区激光熔化Al-Si-Mg系铝合金的塑性变形率。
实施例2：
一、铝合金组合物的成分及含量：
Al86Si10Mg1.5Mn1.5Zr1
二、铝合金成型件的制备步骤：
(1)母合金熔炼
同实施例1。
(2)粉末制备
同实施例1。
(3)铝合金成型件的制备：
选择性激光熔化(SLM)制备铝合金的步骤如下：
1)利用CAD建立所需成型零部件的三维模型，并将其转换成可分切的数据格式；
2)将三维模型连同支撑体分切成厚度为0.04mm的多层后导入SLM设备；
3)在一个可拆装的基板上铺一层0.04mm如步骤(2)中所述金属粉末；
4)激光扫描步骤3)金属粉末层横截面的几何形状4次，扫描过程中激光光斑为：0.1mm，激光功率为：250W，激光扫描速率为：900mm/s；
5)基板下降一个层0.04mm的厚度，在基面上铺一层新的金属粉末；激光扫描新铺金属粉末层横截面的几何形状1次，扫描过程中激光光斑为：0.1mm，激光功率为：250W，激光扫描速率为：900mm/s，扫描方向与上一层扫描方向顺时针转动60度；
6)重复步骤5)多次，直至整个程序运行结束，得到所述铝合金成型件，重复次数由成型件尺寸决定；
(4)热处理：
将上述合金置于150℃条件下进行时效处理，时间为12h。
三、本实施例的力学性能测试和有益效果
1、力学性能测试：
利用X射线衍射仪(XRD)和透射电子显微镜(TEM)对制得铝合金样品进行结构检测；利用金相显微镜(OM)扫描电子显微镜(SEM)观察铝合金样品的微观组织；应用万能力学试验机测试铝合金样品的强度。
2、有益效果：
通过此实施例获得成型件的致密度为99.92％，其力学性能指标如下：最大抗拉强度σb为480MPa，屈服强度σ0.2为340MPa，塑性变形率为15％。该实施例的屈服强度大于现有铸造和选区激光熔化Al-Si-Mg系铝合金的屈服强度。
实施例3：
一、铝合金组合物的成分及含量：
Al78.5Si15Mg3Mn2Zr1.5
二、铝合金成型件的制备步骤：
(1)母合金熔炼
同实施例1。
(2)粉末制备
同实施例1。
(3)铝合金成型件的制备：
选择性激光熔化(SLM)制备铝合金的步骤如下：
1)利用CAD建立所需成型零部件的三维模型，并将其转换成可分切的数据格式；
2)将三维模型连同支撑体分切成厚度为0.04mm的多层后导入SLM设备；
3)在一个可拆装的基板上铺一层0.04mm如步骤(2)中所述金属粉末；
4)激光扫描步骤3)金属粉末层横截面的几何形状4次，扫描过程中激光光斑为：0.1mm，激光功率为：300W，激光扫描速率为：1000mm/s；
5)基板下降一个层0.04mm的厚度，在基面上铺一层新的金属粉末；激光扫描新铺金属粉末层横截面的几何形状2次，扫描过程中激光光斑为：0.1mm，激光功率为：300W，激光扫描速率为：1000mm/s，扫描方向与上一层扫描方向顺时针转动60度；
6)重复步骤5)多次，直至整个程序运行结束，得到所述铝合金成型件，重复次数由成型件尺寸决定；
(4)热处理：
将上述合金置于150℃条件下进行时效处理，时间为24h。
三、本实施例的力学性能测试和有益效果
1、力学性能测试：
利用X射线衍射仪(XRD)和透射电子显微镜(TEM)对制得铝合金样品进行结构检测；利用金相显微镜(OM)扫描电子显微镜(SEM)观察铝合金样品的微观组织；应用万能力学试验机测试铝合金样品的强度。
2、有益效果：
通过此实施例获得成型件的致密度为99.96％，其力学性能指标如下：最大抗拉强度σb为520MPa，屈服强度σ0.2为380MPa，塑性变形率为8％。该实施例的屈服强度和抗拉强度均大于现有铸造和选区激光熔化Al-Si-Mg系铝合金的屈服强度。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式。当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，任何熟悉本技术领域的技术人员，当可根据本发明作出各种相应的等效改变和变形，都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。
Claims (1)
1.一种选区激光熔化技术用Al-Si-Mg系铝合金组合物，其特征在于：按质量百分比计，其成分及含量为：Al90.5Si7Mg0.8Mn1.2Zr0.5或Al86Si10Mg1.5Mn1.5Zr1或Al78.5Si15Mg3Mn2Zr1.5。
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