CN111699063B

CN111699063B - 制造铝-铬合金零件的方法

Info

Publication number: CN111699063B
Application number: CN201980012654.7A
Authority: CN
Inventors: B·谢哈布
Original assignee: C Tec Constellium Technology Center SAS
Current assignee: C Tec Constellium Technology Center SAS
Priority date: 2018-02-08
Filing date: 2019-02-07
Publication date: 2023-06-02
Anticipated expiration: 2039-02-07
Also published as: CN111699063A; WO2019155165A1; JP2021514423A; US20210032727A1; EP3749471A1; FR3077524B1; DE19710039T1; FR3077524A1; US12152291B2

Abstract

本发明涉及制造零件的方法，包括形成连续的彼此叠置的固体金属层(20₁…20_n)，每层皆具有由数字模型(M)定义的图案，每层皆通过沉积称为增材金属的金属(25)形成，使增材金属经受能量的供应以熔化和通过凝固形成所述层，在该方法中增材金属呈粉末形式(25)，其暴露于能量束(32)导致熔化随后凝固以形成固体层(20₁…20_n)，所述方法的特征在于，增材金属(25)为至少包含以下合金元素的铝合金：Cr，根据质量分数计2‑10重量％；Zr，根据质量分数计0‑5重量％、优选0.5‑5重量％。本发明还涉及通过该方法获得的零件。根据本发明在增材制造方法中使用的合金使得能够获得具有显著的机械性能的零件，同时获得具有有利的生产率的方法。

Description

制造铝-铬合金零件的方法

技术领域

本发明的技术领域是使用增材制造(fabrication additive)技术制造铝合金零件的方法。

背景技术

自1980年代以来，增材制造技术得到了发展。这些技术包括通过增材材料来形成零件，并且与旨在去除材料的机械加工技术相反。增材制造以前局限于原型制作(prototypage)，现在则可用于制备一系列工业产品，包括金属零件。

术语“增材制造”根据法国标准XP E67-001被定义为：“通过增材材料来由数字对象逐层制造物理对象的方法集”。标准ASTM F2792(2012年1月)也定义了增材制造。ISO/ASTM 17296-1中还定义并描述了各种增材制造方式。文献WO 2015/006447中描述了采用增材制造来制备具有低孔隙率的铝制零件。连续层的施加通常通过应用所谓的增材材料然后借助激光束、电子束、等离子炬或电弧类型的能量源来熔化或烧结增材材料而完成。无论应用何种增材制造方式，每个增材层的厚度均为约数十微米或数百微米。

一种增材制造手段是熔融或烧结呈粉末形式的增材材料。这可以是通过能量束熔化或烧结。

选择性激光烧结(SLS)或直接金属激光烧结(DMLS)技术尤其为人所知，其中将一层金属或金属合金粉末应用于待制造的零件，并根据数字模型用来自激光束的热能选择性地烧结。另一种金属形成方法包括选择性激光熔化(SLM)或电子束熔化(EBM)，其中使用由激光或定向电子束提供的热能来选择性熔化(而不是烧结)金属粉末，使其在冷却和凝固时融合。激光熔化沉积(LMD)也是已知的，其中喷射粉末和通过激光束熔化粉末同时进行。

专利DE 10 2007 018 123描述了一种用于获得结构部件的快速原型制作方法，其中起始材料是铝-钪合金。

专利申请WO 2016/209652描述了一种制造具有高机械强度的铝的方法，包括：制备具有一种或多种所需近似粉末尺寸并具有近似形态的雾化铝粉末；烧结粉末以通过增材制造形成产品；固溶；淬火；和对以增材方式制造的铝回火。

专利申请US 2017/0016096描述了一种通过局部熔化制造零件的方法，尤其是通过使粉末暴露于电子束或激光束类型的能量束而获得，所述粉末由铝合金组成，其中铝合金的铜含量在5质量％和6质量％之间，镁含量在2.5质量％和3.5质量％之间。

专利申请EP 2796229公开了一种制造通过分散而增强的铝金属合金的方法，包括以下步骤：获得粉末形式的铝合金组合物，该组合物能够获得通过分散而增强的微观结构；将低能量密度的激光束引导到具有合金组合物的一部分粉末上，从该部分的粉末合金组合物上去除激光束；然后以大于或等于约10⁶℃每秒的速度冷却该部分的粉末合金组合物，从而形成通过分散而增强的铝金属合金。所述方法特别适合于具有根据下述化学式的组成的合金：Al_compFe_aSi_bX_c，其中X表示至少一种选自Mn、V、Cr、Mo、W、Nb和Ta的元素；“a”为2.0原子％至7.5原子％；“b”为0.5原子％至3.0原子％；“c”为0.05原子％至3.5原子％；余量为铝和偶然的杂质，条件是[Fe+Si]/Si比例位于约2.0:1至5.0:1的范围内。

专利申请US 2016/0138400描述了包含以下的合金：3重量％至12重量％的铁，0.1重量％至3重量％的钒，0.1重量％至3重量％的硅和1.0重量％至6重量％的铜，余量为铝和杂质，其适合用于增材制造技术。

出版物“Characterization of Al-Fe-V-Si heat-resistant aluminum alloycomponents fabricated by selective laser melting”，Journal of MaterialResearch，第30卷，第10期，2015年5月28日，描述了通过选择性激光熔化(SLM)制造具有组成为以重量％计Al-8.5Fe-1.3V-1.7Si的耐热部件。

出版物“Microstructure and mechanical properties of Al-Fe-V-Sialuminum alloy produced by electron beam melting”，Materials Science&Engineering A659(2016)207–214，描述了与先前文章中通过EBM所获得的合金相同的合金的零件。

专利申请US 2018/010216描述了通过快速凝固法制造的基于铝和镁并且包含锆的合金和通过增材制造获得的零件。

通过增材制造获得的铝制零件的机械性能取决于形成增材金属的合金，更确切地取决于其组成，增材制造方法的参数以及应用的热处理。本发明的发明人已经确定了这样一种合金组成，其用于增材制造方法时，使得能够获得具有显著机械性能的零件，同时获得一种具有有益的生产率的方法。

发明内容

本发明的第一个目的是一种制造零件的方法，该方法包括形成连续的彼此叠置的固体金属层，每一层皆具有由数字模型定义的图案，每一层皆通过沉积称为增材金属的金属形成，使增材金属经受能量的供应以熔化和通过凝固形成所述层，其中增材金属呈粉末形式，其暴露于能量束导致熔化随后凝固以形成固体层，所述方法的特征在于增材金属为包含以下合金元素的铝合金：

-Cr，根据质量分数计在2％和10％之间；

-Zr，根据质量分数计在0％和5％之间，优选地在0.5％和5％之间。

将这种含量的锆添加至含有铬的合金中使得能够获得具有改善的硬度的零件，同时特别降低了开裂风险，这对于增材制造零件是特别有利的。这就是铬的质量分数优选为至少3％且优选地至少4％的原因。优选的铬的最大质量分数为8％甚或6％。优选的锆的最小质量分数为0.75％且优选1％。优选的锆的最大质量分数为3％。

合金可任选地包含至少一种甚或至少两种甚或至少三种选自以下的元素：

-Mn，根据质量分数计0.06％至6％，优选不超过3％且优选不超过2％；

-Ti，根据质量分数计0.01％至5％，优选至少0.1％，优选不超过3％，优先不超过2％且优选地不超过1％；

-V，根据质量分数计0.06％至6％，优选地不超过3％，优先地不超过2％且优选地不超过1％。

这些元素可导致弥散相或精细的金属间相的形成，从而使得能够提高所获得的材料的硬度。这些元素也可通过增加为达到硬度峰值所需的温度或持续时间而对合金的热稳定性产生有益影响。

合金还可包含至少一种甚或至少两种甚或至少三种选自以下的元素：

-Ag，根据质量分数计0.06％至1％；

-Li，根据质量分数计0.06％至1％；

-Cu，根据质量分数计0.06％至5％，Cu含量小于Cr含量且优选地0.1％至2％；

-Zn，根据质量分数计0.06％至1％。

元素Ag、Cu、Zn和Li可通过硬化沉淀或通过它们对固溶体的性质的影响而对材料的强度起作用。

任选地，可以添加质量分数至少0.06％且不超过5％、优选地不超过3％、优先地不超过2％且优选地不超过1％的至少一种选自以下的元素：Sc、Hf、W、Nb、Ta、Y、Yb、Nd、Er、Co、Ni，以形成更多的弥散相或精细的金属间相。然而，在一个实施方案中，避免添加Sc，因此优选的质量分数小于0.05％且优选小于0.01％。

任选地，可以添加质量分数为至少0.06％且不超过6％、优先地不超过3％、优选地不超过2％且优选地不超过1％的至少一种选自以下的元素：La、Ce或混合稀土。

任选地，可以添加质量分数为至少0.01％且不超过1％、优选至少0.06％且不超过0.8％的至少一种选自以下的元素：W、Mo、In、Bi、Sr、Sn、Ba、Ca、Sb、P和B。然而，在一个实施方案中，避免添加Bi，因此优选的质量分数为小于0.05％且优选地小于0.01％。

合金还可包括至少0.06％且不超过0.5％的Mg，根据质量分数计。然而，不建议添加Mg并且优选保持Mg含量低于0.05质量％的杂质值。

可以有意地向合金中添加质量分数各自为至少0.06％且不超过1％、优选地各自为至少0.1％且不超过2％、优选地各自为至少0.5％且不超过1％的Fe和/或Si，其可通过形成弥散相而提供额外的硬化。在某些情况下Fe和/或Si含量也可与合金的成本相关，事实上不使用过于纯的起始金属可能是有利的。在一个实施方案中，保持Fe和/或Si含量低于或等于0.5％且优选地0.2％的水平，这使得可以使用不太纯的合金而无任何增加原始制造状态下的机械特性、导致零件变形和/或开裂问题的风险。

所述材料包括的其他元素或杂质的质量分数低于0.05％，也就是500ppm。其他元素或杂质的总质量分数小于0.15％。未选为添加元素的元素所占的质量分数小于0.05％，甚或更小，根据该添加物的优选含量计。

在本发明的一个优选实施方案中，铝合金由以下组成：以质量分数计，至少2％且不超过10％、优选至少3％且不超过9％的Cr，至少0.5％且不超过6％、优选至少0.75％且不超过3％的Zr，至少0.06％且不超过6％、优选至少0.5％且不超过4％的Mn，不超过0.5％的Fe和Si，其他元素或杂质小于0.05％，其他元素或杂质的总质量分数小于0.15％。

粉末可通过常规雾化方法由液体或固体形式的本发明合金获得，或者，替代地，粉末可通过在暴露于能量束之前混合初级粉末而获得，其中初级粉末的各种组成具有对应于本发明的合金组成的平均组成。

在通过雾化制备粉末之前和/或在粉末沉积时和/或在混合初级粉末时，还可以添加难熔的优选纳米级的颗粒，例如氧化物或TiB₂颗粒或碳纳米颗粒。然而，在本发明的一个实施方案中，不添加难熔的颗粒。

根据一个实施方案，所述方法在形成层之后还包括：

-热处理，典型地在至少100℃且不超过550℃且优选地高于300℃或优先地高于350℃的温度下，

-和/或热等静压或HIC。

特别地，热处理可提供残余应力的松弛和/或硬化相的补充沉淀。

HIC处理特别改善了伸长性能和疲劳性能。热等静压也可在热处理之前、之后进行或代替热处理进行。

有利地，热等静压在250℃至550℃且优选地300℃至500℃或优先地高于350℃的温度下、在500至3000bar的压力下进行1.5至10小时。

热处理和/或热等静压特别增加了所获得的产品的硬度。

根据另一个适合于结构硬化合金的实施方案，可以在对所形成的零件淬火和退火后进行固溶热处理和/或热等静压。在这种情况下，热等静压可有利地替代固溶热处理。然而，本发明的方法因为优选地不需要在淬火后进行固溶热处理而是有利的。在某些情况下，固溶热处理可通过参与弥散相或精细金属间相的增大而对机械强度产生不利影响。

根据一个实施方案，本发明的方法还任选地包括机械加工处理，和/或化学表面处理、电化学表面处理或机械表面处理，和/或摩擦精加工。可特别地进行这些处理以减小粗糙度和/或改善耐腐蚀性和/或改善耐疲劳裂纹引发性。

任选地，可以在制造方法的某个阶段，例如在增材制造之后和/或在热处理之前，对零件实施机械变形。

本发明的第二个目的是一种金属零件，该零件在应用了根据本发明的第一个目的的方法之后获得。

其他优点和特征将从以下描述和非限制性实例中更清楚地显现，并在下面列出的图中描绘。

本发明的又一个目的是一种制造零件的方法，其包括形成连续的彼此叠置的固体金属层，以形成原始零件，每一层皆具有由数字模型定义的图案，每一层皆通过沉积称为增材金属的金属形成，使增材金属经受能量的供应以熔化和通过凝固形成所述层，其中增材金属呈粉末形式，其暴露于能量束导致熔化随后凝固以形成固体层，增材金属为具有小于0.5重量％的Mg含量的铝合金，所述方法的特征在于原始零件优先地具有介于100HK和200HK之间的努氏硬度，并且接着使原始零件经历热处理和/或在高于350℃的温度下经历热等静压，以使其努氏硬度增加至少20HK。在该实施方案中，合金优选具有根据本发明的第一目的的组成。

附图说明

[图1]图1为选择性激光熔化(SLM)或EBM类型的增材制造方法的一个示意图。

具体实施方式

在说明书中，除非有相反说明，否则：

-铝合金的名称符合铝业协会(Aluminum Association)制定的命名规则；

-化学元素的含量指定为％并且表示质量分数；

-通过努氏方法评估0.01kg(10g)负荷的硬度，术语努氏0.01或努氏硬度使用时无不同。

图1概括地描述了一个实施方案，其中实施本发明的增材制造方法。根据该方法，增材材料25呈本发明的合金粉末的形式。能量源例如激光源或电子源31发射能量束例如激光束或电子束32。能量源通过光学系统或电磁透镜33耦合至增材材料，因而能够根据数字模型M确定射束的运动。能量束32跟随沿着纵向平面XY的运动，形成取决于数字模型的图案。粉末25沉积在载体10上。能量束32与粉末25的相互作用引起后者的选择性熔化，然后固化，从而导致层20₁…20_n的形成。当一层已经形成时，其用增材金属的粉末25覆盖，并且形成另一层，该层叠置在先前制备的层上。形成层的粉末的厚度可例如在10和100μm之间。当能量束是激光束时这种增材制造模式典型地被称作选择性激光熔化(SLM)，所述方法有利地在大气压下完成，而当能量束为电子束时则被称作电子束熔化(EBM)，所述方法有利地在减压下完成，典型地小于0.01bar且优选地小于0.1mbar。

优选地，特别是在使用选择性激光熔化的情况下，使用加热板以提高可加工性并防止开裂。板加热可优选在50℃至300℃、更优先地100℃至250℃的温度下进行。

在另一个实施方案中，所述层通过选择性激光烧结(SLS)或直接金属激光烧结(DMLS)获得，本发明的合金粉末的层根据数字模型利用由激光束供应的热能来选择性烧结。

在又一个图1未描述的实施方案中，粉末同时被喷射和通过通常为激光的光束熔化。该方法被称为激光熔化沉积。

特别地，方法被称为直接能量沉积(DED)、直接金属沉积(DMD)、直接激光沉积(DLD)、激光沉积技术(LDT)、激光金属沉积(LMD)、激光工程化净成形(LENS)、激光熔覆技术(LCT)和激光自由成形制造技术(LFMT)。

在一个实施方案中，本发明的方法用于制备混合型零件，所述混合型零件包括通过传统轧制和/或挤压和/或模塑和/或锻造并任选地随后机械加工而获得的一个部分和通过增材制造获得的一个联结部分。该实施方案也可适合于修补通过传统方法获得的零件。

在本发明的一个实施方案中，还可以使用本发明的方法来修补通过增材制造获得的零件。

在各连续层的形成结束时，获得原始零件或原始制造状态下的零件。

通过本发明的方法获得的金属零件是特别有利的，因为它们具有光滑的表面，不具有热开裂，具有在原始制造状态下不过高但可通过热处理显著增加的硬度。有利地，在原始制造状态下的硬度低于热处理和/或热等静压之后的硬度，努氏硬度差至少为10HK，优选地至少为20HK，优选地至少为30HK且优先地至少为40HK。因而，与现有技术的合金例如8009合金不同，原始制造状态下的努氏硬度优选地小于300HK且有利地小于200HK，且优选地小于150HK。有利地，原始制造状态下的努氏硬度至少为50HK，有利地至少为80HK，且优选地至少为90HK。在本发明的一个实施方案中，原始制造状态下的努氏硬度在100HK和200HK之间。优选地，本发明的金属零件的特征在于，在至少100℃且不超过550℃的热处理和/或热等静压之后，努氏0.01硬度为至少100HK且优选地至少120HK甚或至少140HK且优先地至少150HK，以及不存在热开裂。

本发明的发明人发现，这样的制造零件的方法是有利的，其包括：形成连续的彼此叠置的固体金属层，以形成原始零件，每一层皆具有由数字模型定义的图案，每一层皆通过沉积称为增材金属的金属形成，使增材金属经受能量的供应以熔化和通过凝固形成所述层，其中增材金属呈粉末形式，其暴露于能量束导致熔化随后凝固以形成固体层，增材金属为如上所述的具有小于0.5重量％的Mg含量的铝合金，所述方法的特征在于原始零件优选地具有在100HK和200HK之间的努氏硬度，以及在于接着使其经历热处理和/或在高于350℃的温度下经历热等静压，以使其努氏硬度增加至少20HK是特别有利的。

将在以下实施例中更详细地描述本发明。

本发明不限于以上描述或以下实施例中描述的实施方案，并且可以在如由本说明书所附的权利要求书所限定的本发明的框架中大幅度地变化。

实施例

实施例1

在该实施例中，在选择性激光熔化(SLM)机器中评估各种合金的性能。

由小的铸块制备8009合金或AS7G06合金或本发明合金的圆盘，其中厚度为5mm，直径为27mm。将圆盘放置在选择性激光熔化(SLM)机器中，并且使用激光以相同的扫描方案和方法条件扫描表面，所述方法条件为选择性激光熔化(SLM)方法中使用的具有代表性的方法条件。事实上，本发明的发明人发现，以这种方式可以评估合金对选择性激光熔化(SLM)方法的适用性，尤其是表面质量和对热开裂的敏感性。

下表1给出了所用合金的组成。

【表1】

合金	Si	Fe	Mn	V	Cr	Zr	Mg	Ti
									本发明	0.05	0.16	1.0	4.9	1.5
8009	1.8	8.7	0.23	1.3
									AS7G06*	7.0					0.6	0.2

*标称值

在下述测试中，激光源的功率为200W，激光通道的宽度为100μm，其中两个连续通道之间有重叠，制造温度为200℃。扫描速度为900mm/s。使用Phénix Systems PM100选择性激光熔化(SLM)机器。

根据以下等级定性评估表面质量，标记1为最有利的。

1：表面非常光滑，无表面缺陷

2：表面光滑，无表面缺陷

3：表面粗糙，无表面缺陷

4：表面非常粗糙，有表面缺陷。

根据以下等级在被处理区域的横截面上评估对热开裂的敏感性，标记1是最有利的。

1：不存在微裂纹

2：存在小于50μm的微裂纹

3：存在大于50μm的微裂纹。

在激光处理之后，和在400℃下的补充热处理之后，根据努氏标度在10g的负荷下测量硬度，这使得尤其可以评估合金对于热处理期间硬化的适合性以及可能的HIP处理对机械性能的影响。

所获得的结果列于下表2中。

【表2】

本发明的合金是特别有利的，因为其使得能够获得光滑的表面，无热开裂并且在400℃的处理之后具有高硬度。

实施例2

制备具有下表3中所示的组成的本发明合金，以质量百分比计。

【表3】

合金	Mn	Cr	Zr
				本发明	1.0	5	2

使用VIGA(真空惰性气体雾化)雾化器成功地雾化了5kg的合金粉末。在FormUp350型号的选择性激光熔化机器中成功地使用粉末制备了拉伸试验毛坯。使用以下参数进行测试：层厚度：60μm，激光功率：370W-390W，板的加热：200℃，向量差：0.11-0.13，激光速度：1000-1400mm/s。

对于制造方向(Z方向)上的拉伸试验，毛坯为圆柱形，高45mm，直径11mm；对于XY方向(垂直于制造方向)上的试验，毛坯为12×45×45mm³的平行六面体块。通过选择性激光熔化(SLM)制造后，将毛坯在300℃下进行2小时的松弛热处理。一些毛坯在原始松弛状态下试验，其他毛坯在400℃下进行1小时或4小时的补充处理(硬化退火)。

从上述毛坯中机械加工出圆柱状的试样。根据NF EN ISO 6892-1(2009-10)和ASTM E8-E8M-13a(2013)在环境温度下进行拉伸试验。

【表4】

方向	热处理	Rp0.2(MPa)	Rm(MPa)	A％
					Z	原始状态	301至333	356至380	2.6至6.7
Z	400℃下1h	377至396	425至438	2.9至3.3
					XY	原始状态	332至365	380至403	6.7至11.2
XY	400℃下1h	392至428	434至463	2.6至6.7
					XY	400℃下4h	409至437	452至474	3.1至5.1

热处理导致机械强度与原始状态相比显著增加，同时结合了伸长率的降低。因此，本发明的合金使得可以省去固溶热处理/淬火类型的常规热处理。

Claims

1.制造零件的方法，所述方法包括形成连续的彼此叠置的固体金属层(20₁…20_n)，每一层皆具有由数字模型(M)定义的图案，每一层皆通过沉积称为增材金属的金属(25)形成，使增材金属经受能量的供应以熔化和通过凝固形成所述层，其中增材金属呈粉末形式(25)，其暴露于能量束(32)导致熔化随后凝固以形成固体层(20₁…20_n)，所述方法的特征在于，增材金属(25)为由以下组成的铝合金：

以质量分数计，至少2％且不超过10％的Cr，至少0.5％且不超过6％的Zr，至少0.06％且不超过6％的Mn，不超过0.5％的Fe和Si，其他元素或杂质小于0.05％，其他元素或杂质的总质量分数小于0.15％，余量为铝。

2.根据权利要求1所述的方法，其中Cr的量为至少3％且不超过9％。

3.根据权利要求1所述的方法，其中Zr的量为至少0.75％且不超过3％。

4.根据权利要求1所述的方法，其中Mn的量为至少0.5％且不超过4％。

5.根据权利要求1-4中任一项所述的方法，在层(20₁…20_n)形成以后包括

-热处理，典型地在至少100℃且不超过550℃的温度下，

-和/或热等静压。

6.根据权利要求5所述的方法，其中原始制造状态下的硬度小于热处理和/或热等静压之后的硬度，努氏硬度的差至少为10HK。

7.制造零件的方法，其包括形成连续的彼此叠置的固体金属层，以形成原始零件，每一层皆具有由数字模型定义的图案，每一层皆通过沉积称为增材金属的金属形成，使增材金属经受能量的供应以熔化和通过凝固形成所述层，其中增材金属呈粉末形式，其暴露于能量束导致熔化随后凝固以形成固体层，增材金属为具有小于0.5重量％Mg含量的如权利要求1至4之一所述的铝合金，所述方法的特征在于，原始零件具有在100HK和200HK之间的努氏硬度，以及在于接着使原始零件进行热处理和/或在高于350℃的温度下经历热等静压，以使其努氏硬度增加至少20HK。