CN112828278B

CN112828278B - 一种铝硅铜合金粉末及其制备方法、增材制造方法和应用

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Publication number: CN112828278B
Application number: CN202011592142.3A
Authority: CN
Inventors: 胡万谦; 李振民; 赵春禄; 刘干; 王联波
Original assignee: Beijing Baohang New Material Co ltd
Current assignee: Beijing Baohang New Material Co ltd
Priority date: 2020-12-29
Filing date: 2020-12-29
Publication date: 2023-04-07
Anticipated expiration: 2040-12-29
Also published as: CN112828278A

Abstract

本发明公开了一种铝硅铜合金粉末及其制备方法、增材制造方法和应用，其中铝硅铜合金粉末，以质量百分含量计，元素组分和对应含量为：Si：9.0‑11.0wt％；Cu：2.0‑4.0wt％；Mg：0.35‑0.6wt％；Mn：0.2‑0.6wt％；Ti：0.3‑0.6wt％；其余为Al。本发明提供的铝硅铜合金粉末包括强化相Mg₂Si与CuAl₂相，其随着温度升高，固溶程度越来越充分，强度也越来越高；其中，添加的Ti元素，以起到细化晶粒的作用，用于提高材料焊接稳定性；添加的Mn元素，能够提高材料的再结晶温度，以提高材料的强韧性，而且能够同时改善杂质Fe在铝合金中的形态，使材料更加致密；通过前述改进使本发明的铝硅铜合金粉末具有更强的热导率以及热循环力学性能，结合Al‑Si合金的优点，使用本发明的铝硅铜合金粉末通过增材制造工艺制造金属汽车零部件。

Description

一种铝硅铜合金粉末及其制备方法、增材制造方法和应用

技术领域

本发明涉及铝合金制造技术领域，特别涉及一种铝硅铜合金粉末及其制备方法、增材制造方法和应用。

背景技术

目前的汽车行业的各部件的制造工艺以压铸为主，随着各部件更高要求的轻量化、一体化，现有的压铸工艺越来越不能满足现有的需求，同时也局限了设计者的思维。通过激光增材制造技术能够一次成型复杂结构件，可以替代现有的压铸工艺来制作汽车零部件。而激光增材制造技术使用到的原材料粉需要在成分、物理性能、打印参数等多个方面都要达到条件，例如，需要能够顺利铺粉，即流动性要满足激光增材制造技术的要求；原材料粉末的氧含量也需要控制在一定范围内，使其在成型过程中不开裂等。另外，在需要制备金属汽车零部件时，合金组织中存在一定数量的共晶体(使合金能够具备一定的性能)，而共晶体数量的增加又会使合金变脆而降低力学性能，这两者之间存在矛盾。不过Al-Si共晶体具备良好的塑性，能够兼顾力学性能和铸造性能两方面的要求，其中，铝硅铜合金具有较高的热导率以及一定的热循环力学性能，再结合其继承的Al-Si合金的优点，非常适合汽车领域，但是，现有的铝硅铜合金局限性很大，不能通过激光增材制造技术制作汽车零部件。因此，需要研发一种新型铝硅铜合金粉末及其制备方法、增材制造方法和应用，使用本发明的铝硅铜合金粉末通过增材制造工艺制造金属汽车零部件。

发明内容

(一)发明目的

本发明的目的是提供一种适用于增材制造，另外还适用于制造金属汽车零部件的铝硅铜合金粉末及其制备方法、增材制造方法和应用。

(二)技术方案

为解决上述问题，本发明实施例的第一方面提供了一种铝硅铜合金粉末，所述铝硅铜合金粉末包括：Si：9.0-11.0wt％；Cu：2.0-4.0wt％；Mg：0.35-0.6wt％；Mn：0.2-0.6wt％；Ti：0.3-0.6wt％；其余为Al。

本发明实施例的第二方面提供了一种铝硅铜合金粉末制备方法，用于制备所述的铝硅铜合金粉末，包括：将预设量的所述铝硅铜合金粉末的原材料置入熔炼装置中；控制所述熔炼装置的真空度至第一预设压强后，充入惰性气体，使所述熔炼装置的压强至第二预设压强；在第一预设温度下，将制备所述铝硅铜合金粉末的原料液搅拌第一预设时间；去除杂质后，制备得到合金液；在第二预设温度下，将所述合金液静置第二预设时间；利用预设第一流速的惰性气流冲击所述合金液，得到合金液滴；在预设第二流速向所述熔炼装置中充入惰性气体，所述合金液滴被惰性气流雾化破碎为液滴，将所述合金液滴的液滴冷却，以得到原始铝合金粉末；所述原始铝合金粉末经过混批处理后依次进行烘粉和筛分，以得到预设粒径的铝硅铜合金粉末。

进一步地，所述第一预设压强≤50Pa；所述第二预设压强为微正压。

进一步地，所述第一预设温度为700-850℃；所述第一预设时间为10-20min；所述第二预设温度为800-900℃；所述第二预设时间为10-30min。

进一步地，将所述原始铝合金粉末先后经过两道筛，以获取预设粒径的所述原始铝合金粉末；其中，第一道筛为第一筛目粒径，以去除小直径的所述原始铝合金粉末；第二道筛为第二筛目粒径，以去除大直径的所述原始铝合金粉末。

进一步地，所述第一筛目粒径为500-700目筛；所述第二筛目粒径为250-325目筛。

本发明实施例的第三方面提供了一种增材制造方法，包括：在预热温度为100-180℃，激光功率为360-380W，扫描速度为1200-1500mm/s，扫描间距为0.15-0.20mm，扫描层厚为0.03-0.06mm，区域重叠设定为0.1mm和区域宽度设定为10mm的条件下，利用增材制造设备对所述的铝硅铜合金粉末进行打印。

进一步地，还包括：所述铝硅铜合金粉末在增材制造前，将所述铝硅铜合金粉末放置在真空度≤1000Pa，温度为55-80℃的环境下，烘干6-8h。

本发明实施例的第四方面提供了根据本发明的第一方面所述的铝硅铜合金粉末在制作汽车零部件的应用；

进一步地，所述金属汽车零部件至少包括以下一种：汽车发动机活塞、汽缸盖、离合器壳、油箱底、进气歧管和离合器支架。

(三)有益效果

本发明的上述技术方案具有如下有益的技术效果：

本发明提供的铝硅铜合金粉末包括强化相Mg₂Si与CuAl₂相，其随着温度升高，固溶程度越来越充分，强度也越来越高；其中，添加的Ti元素，起到细化晶粒的作用，用于提高材料焊接稳定性的作用；添加的Mn元素，能够提高材料的再结晶温度，以提高材料的强韧性，而且能够同时改善杂质Fe在铝合金中的形态，使材料更加致密，以使用本发明的铝硅铜合金粉末通过增材制造工艺制造金属汽车零部件。

附图说明

图1是本发明提供的铝硅铜合金粉末原料配比示意图；

图2是本发明提供的一种铝硅铜合金粉末制备方法流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。

本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别不同对象，而不是用于描述特定顺序。此外，术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其他步骤或单元。

在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本发明的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。

显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。以下将参照附图更详细地描述本发明。为方便理解本发明的技术方案，接下来对本发明涉及到的名词进行解释：

SLM，全称为Selective laser melting，意为选择性激光熔化。

本发明实施例的第一方面提供了一种铝硅铜合金粉末，如图1所示，铝硅铜合金粉末包括：Si：9.0-11.0wt％；Cu：2.0-4.0wt％；Mg：0.35-0.6wt％；Mn：0.2-0.6wt％；Ti：0.3-0.6wt％；其余为Al。

元素种类与元素含量共同组成了材料的成分信息，最终会以化合物和部分游离单质的形态存在于基体中，而铝硅铜合金粉末中的元素含量超出上述范围，会降低铝硅铜合金粉末的特性。Si含量过低会导致强化相过少，材料强度低；Si含量过高会导致游离Si增多，使材料韧性下降；Cu含量过多会导致材料裂纹倾向加剧，但过少同样会导致强度不够；Mg含量过低会导致强化相过少，材料强度低，Mg含量过高会导致材料在打印过程中易产生孔洞；Mn含量过高会对材料的制备造成困难，极容易产生成分偏析。

本发明实施例中强化相为点状颗粒相。

示例性实施例中，铝硅铜合金粉末的元素组分和对应含量为：

Si：9.5-10.6wt％；Cu：2.7-3.8wt％；Mg：0.41-0.58wt％；Mn：0.2-0.5wt％；Ti：0.4-0.6wt％；其余为Al。

Si：9.8-10.2wt％；Cu：3.0-3.6wt％；Mg：0.45-0.55wt％；Mn：0.3-0.4wt％；Ti：0.4-0.5wt％；其余为Al。

本发明的实施例包括以下配比(参见表1)：

表1

对实施例和对比例得到的产品进行性能测试，结果参见表2

表2

由上表可知，由对比例的铝硅铜合金粉末增具有更强的热导率以及热循环力学性能。

铝硅铜合金粉末的配比越趋近于范围的中间值越好，能够得到适当的强化相的析出量，以及剩余单质元素在组织中的游离数量，强化相数量适中，即可以兼顾材料的强度和韧性，还可以得到最优的材料热导率。例如，铝硅铜合金粉末的元素组分和对应含量为：Si：10wt％；Cu：3wt％；Mg：0.475wt％；Mn：0.4wt％；Ti：0.45wt％；其余为Al。

本发明提供的铝硅铜合金粉末包括Mg₂Si强化相和CuAl₂强化相，随着温度升高，固溶程度越来越充分，强度也越来越高；其中，Mg₂Si强化相与CuAl₂强化相的比例为1:3。

为了提高材料焊接稳定性，本发明添加了Ti元素，其能够提高铝硅铜合金晶粒的细化程度。

为了提高材料的强韧性，本发明添加了Mn元素，其能够提高材料的再结晶温度，还能改善杂质Fe在铝合金中的形态，使材料更加致密。

本发明实施例的第二方面，提供了一种铝硅铜合金粉末制备方法，如图2所示，包括：将预设量的铝硅铜合金粉末原材料置入熔炼装置中；控制熔炼装置的真空度至第一预设压强后，充入惰性气体，使熔炼装置的压强至第二预设压强；在第一预设温度下，将制备铝硅铜合金粉末的原料液搅拌第一预设时间；去除杂质后，制备得到合金液；在第二预设温度下，将合金液静置第二预设时间；利用预设第一流速的惰性气流冲击合金液，得到合金液滴；在预设第二流速向熔炼装置中充入惰性气体，合金液滴被惰性气流雾化破碎为液滴，将合金液滴的液滴冷却，以得到原始铝合金粉末；原始铝合金粉末经过混批处理后依次进行烘粉和筛分，以得到预设粒径的铝硅铜合金粉末。其中，惰性气体既作为冲击液流的雾化气体，又作为雾化室环境气氛；静置能够保证熔体(合金液)在一定温度下，各成分能够扩散充分，保证合金液组织内成分均匀；批混使不同批次的原始铝合金粉末在成分、粒度上更均一。

一些实施例中，制备铝硅铜合金粉末的原料包括镁、铝、铝硅合金、铝铜合金、铝锰合金和铝钛合金

一些实施例中，惰性气流在压力为2MPa的情况下，冲击合金液，得到合金液滴。

一些实施例中，预设第二流速为2-4马赫。

一些实施例中，采用一种惰性气体参与制作铝硅铜合金粉末。

一些实施例中，第一预设压强≤50Pa；第二预设压强为微正压。

示例性实施例中，将熔炼炉体内抽真空，使压强为35Pa，然后充入氩气，使炉体内压强至微正压。将熔炼炉抽真空的目的是保证熔炼炉处于真空状态，即将熔炼炉的空气抽干净，熔炼炉内压强大于50Pa，则表明熔炼炉的空气含量过多。再向熔炼装置充入氩气气体时，能够使熔炼装置内的气氛更纯净，起到保护熔液的作用，避免空气中的其他成分与熔液反应。

一些实施例中，第一预设温度为700-850℃；第一预设时间为12-18min。

一些实施例中，第二预设温度为800-900℃；第二预设时间为10-30min。

示例性实施例中，在雾化盘体中充入氩气，将制得的合金液用高速氩气气流冲击，得到合金液滴，将该合金液滴冷却至室温，得到原始铝合金粉末。

示例性实施例中，在雾化盘体中充入氩气，将制得的合金液用高速氩气气流冲击，得到合金液滴，将该合金液滴冷却至室温，得到原始铝合金粉末，原始铝合金粉末分级前需进行混合处理，以使原始粉末成分、粒径更加均匀，从而在后续筛分、使用过程中更好的保证品质。

一些实施例中，将原始铝合金粉末先后经过两道筛，以获取预设粒径的原始铝合金粉末；其中，第一道筛为第一筛目粒径，以去除小直径的原始铝合金粉末；第二道筛为第二筛目粒径，以去除大直径的原始铝合金粉末。

一些实施例中，第一筛目粒径为500-700目筛；第二筛目粒径为250-325目筛。

一个具体的实施例中，按成分设计称取所需量的纯度为99.95％的Mg、纯度为99.9％的Al、AlSi12、AlCu50、AlMn10和AlTi10置入熔炼炉中；将熔炼炉体内抽真空，且真空度要求30Pa，再充入氩气至微正压；在820℃温度下，将熔炼炉的混合液搅拌15min后除去浮渣，制得均匀洁净的合金液，再转至900℃温度下保温静置20min；在雾化盘体中充入氩气，将制得的合金液用高速氩气冲击，将其破碎成小液滴后冷却，即可得到原始铝合金粉末。

另一个具体的实施例中，按成分设计称取所需量的纯度为99.95％的Mg、纯度为99.9％的Al、AlSi20、AlCu50、AlMn10和AlTi10置入熔炼炉中；将熔炼炉体内抽真空，且真空度要求35Pa，再充入氩气至微正压；在700℃温度下，将熔炼炉的混合液搅拌12min后除去浮渣，制得均匀洁净的合金液，再转至800℃温度下保温静置10min；在雾化盘体中充入氩气，将制得的合金液用高速氩气冲击，将其破碎成小液滴后冷却，即可得到原始铝合金粉末。

又一个具体的实施例中，按成分设计称取所需量的纯度为99.95％的Mg、纯度为99.9％的Al、AlSi20、AlCu20、AlMn10和AlTi10置入熔炼炉中；将熔炼炉体内抽真空，且真空度要求35Pa，再充入氩气至微正压；在850℃温度下，将熔炼炉的混合液搅拌18min后除去浮渣，制得均匀洁净的合金液，再转至900℃温度下保温静置30min；在雾化盘体中充入氩气，将制得的合金液用高速氩气冲击，将其破碎成小液滴后冷却，即可得到原始铝合金粉末。

另一个具体的实施例中，按成分设计称取所需量的纯度为99.95％的Mg、纯度为99.9％的Al、AlSi20、AlCu20、AlMn5和AlTi10置入熔炼炉中；将熔炼炉体内抽真空，且真空度要求35Pa，再充入氩气至微正压；在790℃温度下，将熔炼炉的混合液搅拌17min后除去浮渣，制得均匀洁净的合金液，再转至840℃温度下保温静置18min；在雾化盘体中充入氩气，将制得的合金液用高速氩气冲击，将其破碎成小液滴后冷却，即可得到原始铝合金粉末。

原始铝合金粉末分级前进行混合处理，以使原始粉末成分、粒径更加均匀，从而在后续筛分、使用过程中更好的保证品质。原始铝合金粉末分级选用超声波振动筛，并且需要过两道筛，其中，第一道选用600目筛，以去除小直径的所述原始铝合金粉末；第二道选用250目筛，以去除大直径的所述原始铝合金粉末，即可得到符合要求的粉末。

通过本发明制备方法制备得到的铝硅铜合金粉末物理性能优异，松装密度大于等于1.42g/cm³；安息角小于等于35°，特别适用于激光增材制造工艺。因此，本发明实施例的第三方面提供了一种增材制造方法，包括：在预热温度为100-180℃，激光功率为360-380W，扫描速度为1200-1500mm/s，扫描间距为0.15-0.20mm，扫描层厚为0.03-0.06mm，区域重叠设定为0.1mm和区域宽度设定为10mm的条件下，利用增材制造设备对铝硅铜合金粉末进行打印。

铝硅铜合金粉末打印制件探伤无缺陷，金相无缺陷，表面质量优异，致密度达到99.85％。

示例性实施例中，利用SLM(Selective laser melting，选择性激光熔化)进行打印，打印机板预热温度为140℃；其激光功率为370W；扫描速度为1300mm/s；扫描间距为0.18mm；扫描层厚为0.03mm；区域重叠设定为0.1mm，区域宽度设定为10mm。

一些实施例中，还包括铝硅铜合金粉末在增材制造前，将铝硅铜合金粉末放置在真空度≤1000Pa，温度为55-80℃的环境下，烘干6-8h。

示例性实施例中，铝硅铜合金粉末放置在真空干燥箱中进行55℃烘粉，真空度为800Pa，烘干5h。

本发明提供的铝硅铜合金粉末组织均匀、无明显偏析，力学性能满足汽车压铸件提出的技术要求。因此，本发明实施例的第四方面提供了根据本发明实施例的第一方面提供的铝硅铜合金粉末在制作汽车零部件的应用。

铝硅铜合金粉末制作的汽车零部件至少包括汽车发动机活塞、汽缸盖、离合器壳、油箱底、进气歧管和离合器支架。

铝硅铜合金粉末制件经过热处理，其性能达到抗拉强度360MPa，下屈服强度220MPa，延伸率12％，材料热导率178W/mK；当使用环境达到200℃材料性能时，其性能够达到抗拉强度200MPa，下屈服强度160MPa，延伸率50％。

本发明的上述技术方案具有如下有益的技术效果：

本发明提供的铝硅铜合金粉末包括强化相Mg₂Si与CuAl₂相，其随着温度升高，固溶程度越来越充分，强度也越来越高；其中，添加的Ti元素，以起到细化晶粒的作用，用于提高材料焊接稳定性；添加的Mn元素，能够提高材料的再结晶温度，以提高材料的强韧性，而且能够同时改善杂质Fe在铝合金中的形态，使材料更加致密；通过前述改进使本发明的铝硅铜合金具有更强的热导率以及热循环力学性能，结合Al-Si合金的优点，使用本发明的铝硅铜合金粉末通过增材制造工艺制造金属汽车零部件。

以上参照本发明的实施例对本发明予以了说明。但是，这些实施例仅仅是为了说明的目的，而并非为了限制本发明的范围。本发明的范围由所附权利要求及其等价物限定。不脱离本发明的范围，本领域技术人员可以做出多种替换和修改，这些替换和修改都应落在本发明的范围之内。

Claims

1.一种铝硅铜合金粉末制备方法，其特征在于，包括：

将预设量的所述铝硅铜合金粉末的原材料置入熔炼装置中；

控制所述熔炼装置的真空度至第一预设压强后，充入惰性气体，使所述熔炼装置的压强至第二预设压强；

在第一预设温度下，将制备所述铝硅铜合金粉末的原料液搅拌第一预设时间；

去除杂质后，制备得到合金液；

在第二预设温度下，将所述合金液静置第二预设时间；

利用预设第一流速的惰性气流冲击所述合金液，得到合金液滴；

在预设第二流速向所述熔炼装置中充入惰性气体，所述合金液滴被惰性气流雾化破碎为液滴，将所述合金液滴的液滴冷却，以得到原始铝合金粉末；

所述原始铝合金粉末经过混批处理后依次进行烘粉和筛分，以得到预设粒径的铝硅铜合金粉末；

其中，所述铝硅铜合金包括：Si：9.0-9.5wt％、Cu：2.0-3.5wt％、Mg：0.35-0.45wt％、Mn：0.4-0.6wt％、Ti：0.4-0.6wt％，其余为Al；所述第一预设压强≤50Pa；所述第二预设压强为微正压；所述第一预设温度为700-850℃；所述第一预设时间为10-20min。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，

所述第二预设温度为800-900℃；

所述第二预设时间为10-30min。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，

将所述原始铝合金粉末先后经过两道筛，以获取预设粒径的所述原始铝合金粉末；其中，

第一道筛为第一筛目粒径，以去除小直径的所述原始铝合金粉末；

第二道筛为第二筛目粒径，以去除大直径的所述原始铝合金粉末。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，

所述第一筛目粒径为500-700目筛；

所述第二筛目粒径为250-325目筛。

5.一种增材制造方法，其特征在于，包括：

在预热温度为100-180℃，激光功率为360-380W，扫描速度为1200-1500mm/s，扫描间距为0.15-0.20mm，扫描层厚为0.03-0.06mm的条件下，利用增材制造设备对权利要求1所述的铝硅铜合金粉末进行打印。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，还包括：

所述铝硅铜合金粉末在增材制造前，将所述铝硅铜合金粉末放置在真空度≤1000Pa，温度为55-80℃的环境下，烘干6-8h。