CN113528901B

CN113528901B - 一种增材制造用耐热铝合金球形粉体材料及其制备方法

Info

Publication number: CN113528901B
Application number: CN202110816736.6A
Authority: CN
Inventors: 陈傅明; 谢新宇; 王涛; 唐勇; 陈彦利
Original assignee: Chongqing Zenglong New Material Technology Co ltd
Current assignee: Sichuan Zenglong New Materials Technology Co ltd
Priority date: 2021-07-20
Filing date: 2021-07-20
Publication date: 2022-03-29
Anticipated expiration: 2041-07-20
Also published as: CN113528901A

Abstract

本发明公开一种增材制造用耐热铝合金球形粉体材料，由以下重量百分比的成分组成，N i：1.0‑10.0％，Fe：0.5‑5.5％，Zr：2.0‑4.5％，S i：9.0‑11.0％，Mg：5.0‑9.6％，余量为A l，该球形粉体采用雾化法制得。该球形粉体可避免现有铝合金激光增材制造易产生的裂纹和高温稳定性差等缺陷。

Description

一种增材制造用耐热铝合金球形粉体材料及其制备方法

技术领域

本发明属于新材料和先进制造领域，具体涉及一种激光增材制造用耐热铝合金球形粉体材料及制备方法。

背景技术

耐热铝合金材料因其出色的高温抗氧化、抗蠕变能力，在航空航天领域具有广泛应用。其高温性能是决定零件结构设计和服役安全的关键，受合金晶粒尺寸和热稳定析出相分布状态共同决定。若能通过材料元素的调控设计提升铝合金高温性能，使其在高于300℃条件下服役，则可取代部分钛合金材料，对于扩大铝合金应用和构件轻量化具有重要意义。

目前耐热铝合金的快凝制备工艺主要包括气雾化法、喷射沉积法和平面流铸造法等。以上工艺无法直接制备成品零件，后期需较多加工工序配合，且零件热稳定性不高，难以满足航空航天领域的苛刻需求。将铝合金材料直接采用选区激光熔化(SLM)技术可以较好解决这一难题。SLM快凝过程可以提高合金元素的固溶度，并以析出相的形式在基体内弥散分布，使合金具备较好的耐热性能。同时，SLM可以对零件进行结构优化和个性化设计，成形精度高，后期仅需少量的表面处理即可直接使用，尤其适合航空航天复杂构件的加工制造。然而，SLM冷却速率较快，热循环过程极其复杂。铝合金材料凝固区间较宽，在SLM高冷却速率和大温度梯度条件下，容易在铝合金内部形成粗大柱状晶组织和裂纹缺陷，导致打印构件的热稳定性和强韧性较差。

基于此，本发明提供了一种3D打印激光增材制造用耐热铝合金球形粉体材料及制备方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种激光增材制造用耐热铝合金球形粉体材料及制备方法。该球形粉体可避免现有铝合金激光增材制造易产生的裂纹和高温稳定性差等缺陷。

为实现上述本发明的目的，提供如下实施方案。

在一实施方案中，本发明的一种增材制造用耐热铝合金球形粉体材料，由以下重量百分比的组分组成，Ni：1.0-10.0％，Fe：0.5-5.5％，Zr：2.0-4.5％，Si：9.0-11.0％，Mg：5.0-9.6％，余量为Al。

优选的，本发明的球形粉体材料，由以下重量百分比范围的组分组成，Ni：4.5-5.5％、Fe：1.5-2.0％、Zr：3.5-4.0％、Si：10.5-11.0％、Mg：8.0-9.0％，余量为Al。

在另一实施方案中，本发明还提供了一种增材制造用耐热铝合金球形粉体材料的制备方法，

所述形粉体材料由以下重量百分比的成分组成，Ni：1.0-10.0％，Fe：0.5-5.5％，Zr：2.0-4.5％，Si：9.0-11.0％，Mg：5.0-9.6％，余量为Al，该方法包括以下步骤：

1)将铝合金和纯Ni原料置于真空熔炼室，加热熔炼至熔融态液体；

2)将熔炼室补气至99.5kpa微负压，加入原料Fe和Zr继续熔炼，

3)当全部原料熔炼至熔融态液体后，喷氩气雾化熔融态液体成铝合金粉末。粉体用扫描电镜拍片，其结果如图1所示，颗粒呈球形，球形颗粒平均尺寸D[50]＝26.8μm。

上述本发明的制备方法，步骤1)的加热温度控制在750℃～850℃内，所述真空，其真空度为0.01～0.1Pa；步骤3)中，熔融态液体雾化前保温15-30分钟，雾化温度控制在200℃～350℃。

上述本发明的制备方法，优选的，所述形粉体材料由以下重量百分比的成分组成，Ni：4.5-5.5％、Fe：1.5-2.0％、Zr：3.5-4.0％、Si：10.5-11.0％、Mg：8.0-9.0％，余量为Al。

在一具体实施方案中，本发明的一种增材制造用耐热铝合金球形粉体材料的制备方法，所述耐高温铝合金球形粉体材料以重量百分数计由下列组分组成：Ni：1.0-10.0％，Fe：0.5-5.5％，Zr：2.0-4.5％，Si：9.0-11.0％，Mg：5.0-9.6％，余量为Al，该方法包括以下步骤，

(1)将熔炼室抽真空至0.01～0.1Pa，再将所述铝合金和纯Ni原料置于熔炼室，加热熔炼，温度控制在750℃～850℃以内，原料熔炼至熔融态液体；

(2)将熔炼室补气至99.5kpa微负压，加入Fe和Zr原料继续熔炼；

(3)当全部原料熔炼至熔融态液体后，保温15～30分钟，喷氩气将熔融态液体气雾化并冷却成铝合金球形粉末，雾化温度控制在200℃～350℃之间。

上述本发明的制备方法，由于Ni与Fe、Zr选择分二次加入，可以使Fe、Zr元素在满足熔炼效果的基础上缩短熔炼时间，可减少熔炼过程对Fe、Zr元素的烧损，避免在熔炼过程中Fe、Zr元素损失过多，影响整个耐热铝合金成分的偏析，提高了熔融态液体的流动性和表面张力。本发明的制备方法克服了现有技术存在的缺陷，有利于制备出高球形度、高流动性的耐热铝合金球形粉末。

本发明的耐热铝合金球形粉体材料，在铝合金原料中添加Ni、Fe、Zr三种元素，同时优化合金元素含量范围，既避免了亚稳脆性相形成，又促使合金基体内部形成多种类、多形态(颗粒状和纤维状)的热稳定析出相。本发明利用稳态电磁复合场辅助真空感应熔炼气雾化熔体冶金反应在合金内部生成纤维状Al₃Ni相和颗粒状Al₉FeNi、Al₃Zr相。利用Al₃Zr粒子的异质形核作用实现晶粒细化，利用Al₉FeNi、Al₃Zr相的弥散分布促进析出强化，再结合Al₃Ni相的纤维载传递增加合金韧性，通过“多相协同增强”调控策略实现铝合金的高强、高韧和高耐热性能。

本发明的制备方法采用稳态电磁复合场辅助真空感应熔炼气雾化方法，精确调控熔体中Al₃Ni相和颗粒状Al₉FeNi、Al₃Zr相的分布状态，有效解决了偏析问题，改善了铝合金组织和性能的均匀性，为制备高强韧和高耐热性的铝合金提供一条新的技术路径。

本发明的激光增材制造用耐热铝合金球形粉体材料及制备方法的有益技术效果在于：

本发明的球形粉体材料及其制备方法，相对于现有材料或技术，通过铝合金粉末成分优化，促使合金内部形成细晶组织及多种类、多形态的纳米析出相，利用细晶强化和析出强化的综合作用可显著提升打印构件的耐高温性能和力学性能。并利用真空感应熔炼气雾化方法，制备出激光增材制造用新型耐高温铝合金球形粉体材料，解决了现有材料体系易导致的变形开裂和高温稳定性差等瓶颈问题，该发明将扩大耐热铝合金在航天领域的应用范围。

附图说明

图1为本发明的增材制造用耐热铝合金球形粉体材料的显微形貌图；

图2为本发明的耐热铝合金球形粉体材料激光增材制造散热片图；

图3为本发明耐热铝合金球形粉体材料激光增材制造样件的微观组织图；

图4为本发明耐热铝合金球形粉体材料激光增材制造样件的高温力学性能测试结果图。

具体实施方式

下面结合代表性实施例对本发明进行详细的描述，以帮助理解本发明的精神实质，但不以任何方式限制本发明的范围。

以下实施例和对比实施例中采用的氩气为高纯度氩气其纯度为99.99％～99.999％。

实施例1激光增材制造用耐热铝合金球形粉体材料的制备

耐高温铝合金材料以质量百分数计由下列组分组成：Ni：5.0％，Fe：1.8％，Zr：3.5％，Si：10.5％，Mg：8.6％，余量为Al。

具体工艺如下：，

(1)将熔炼室抽真空至0.01～0.1Pa，再将原料Ni、Si、Mg和Al原料置于熔炼室，加热熔炼，温度控制在750℃～850℃以内，熔炼过程中持续对熔炼室抽真空，原料熔炼至熔融态液体,所述加热熔炼是指在熔炼过程中采用中频感应加热的方式对熔炼室加热；

(2)将熔炼室补气至99.5kpa微负压，加入Fe和Zr原料继续熔炼；

(3)当全部原料熔炼至熔融态液体后，电磁搅拌并且保温20～30分钟，喷氩气将熔融态液体气雾化并冷却成铝合金球形粉末，雾化温度控制在200℃～350℃之间，所述惰性气体为氩气或氦气。制得的球形粉体经电子显微镜拍片，结果见图1。

实施例2-4各耐热铝合金球形粉体材料的组分如下表1

表1实施例2-4的组分重量百分比

原料(重量百分比)	实施例2	实施例3	实施例4
				Ni(％)	4.5	5.5	5.0
Fe(％)	2.0	1.5	1.8
				Zr(％)	3.5	4.0	3.8
Si(％)	11.0	10.5	10.8
				Mg(％)	8.0	9.0	8.5
Al(余量)	余量	余量	余量

耐热铝合金球形粉体材料的制备方法参考实施例1。

对比实施例

一种激光增材制造用耐热铝合金球形粉体材料及制备方法如下：

(1)所述耐高温铝合金材料以质量百分数计由下列组分组成：Ni：5.0％，Fe：1.8％，Zr：3.5％，Si：10.5％，Mg：8.6％，余量为Al。

(2)将熔炼室抽真空至0.01～0.1Pa，并在熔炼过程中持续对熔炼室抽真空。将铝、Si、Ni、Fe、Zr、Mg一并加入坩埚中并熔炼，当全部原料熔炼至熔融态液体后，利用气雾化法制备成所述球形耐热铝合金粉末。

进一步的，将熔融态液体的温度控制在750℃～850℃以内。

进一步的，当全部原料熔炼至熔融态液体后，先将熔炼室补气至99.5kpa微负压，再将该熔融态液体电磁搅拌并且保温20～30分钟后雾化冷却。

进一步的，所述气雾化所用氩气的温度控制在250℃～350℃之间。

进一步的，所述惰性气体为氩气或氦气。

进一步的，熔炼过程采用中频感应加热的方式对所述熔炼室加热。

根据GB/T39251-2020《增材制造金属粉末性能表征方法》，将优选实施例和对比实施例制备的粉末性能进行比较，重点比较两种粉末的化学成分、碳氧含量、粒度、球形度、流动性、松装密度和振实密度。粉末化学成分分析方法按照GB/T 4698规定进行。粉末的氧含量和碳含量应根据GB/T14265-1993标准进行。粉末的中位径D50以及D10，D90的测定方法按照GB-T 19077.1-2008的规定进行。采用数字图像分析软件(Image-Pro-Plus)对粉末球形度进行测定，常规出厂粉末的流动性检测按照ASTMB213-2017的规定进行。粉末的松装密度按照GB/T 1479.1-2011的规定进行。分别以优选实施例和对比实施例制备的粉末为原材料，采用激光选区熔化成形设备打印金属样件，依据GB/T228.1-2010标准进行常温拉伸性能测试。优选实施例和对比实施例制备的粉和稳定末性能指标及拉伸性能对比如表2所示。

表2实施例1和对比实施例制备的粉末性能比较

由表2粉末性能对比分析可知，采用本发明制备的粉末中Fe和Zr元素烧损量较少，且含量波动相对稳定。本发明制备的耐热铝合金粉末的各项指标(碳氧含量、粒度、球形度、流动性和松装密度等)更优异，符合GB/T39251-2020《增材制造金属粉末性能表征方法》的规定。

以现有铝合金为原料制成粉体，将优选的重量比的实施例和现有合金粉体分别做航空构件，测试各自的裂纹率和高温力学性能，本发明激光增材制造过程包括:(1)对成型腔中抽真空后通入高纯氩气(其纯度为99.99％～99.999％)以防止粉末氧化，同时基板预热至180℃以减小成型件变形和开裂；(2)粉末摊铺系统中的送粉缸机构将粉末送入成型室中；(3)开启光源系统中的激光光源，激光经激光控制机构后通过二色镜扩束并进入扫描振镜中，扫描振镜输出的激光经聚焦透镜聚焦后对成型室中的粉末进行二维扫描成形；(4)单层扫描成型后，基板下降一层高度，重复上一步，直至实现三维零件成型。本发明制备的耐热铝合金散热片如图2所示。采用高精度多功能固体密度计测量优选实施例和对比实施例制备的粉末材料激光打印件的相对致密度，每个试样至少测量三次，取平均值，相对致密度的测试结果如图3所示。采用Nikon Metrology工业用X射线和CT检测系统检测裂纹分布和裂纹尺寸，测试原理为微焦点源产生辐射并穿过样品，数字平板探测器采集穿过样品的X射线，根据材料和几何形状的不同形成不同的灰度梯度，从而获得内部裂纹等缺陷的分布特征和尺寸，并计算出裂纹率，裂纹检测结果如表3所示。采用线切割在激光增材制造样件的沿着沉积方向截取金相试样，再用金相砂纸细磨，最后在抛光布上抛光，采用光学显微镜(Zeiss,Axio Scope.AI)观察优选实施例制备的粉末材料激光打印件的微观组织，如图3所示。按照GB/T228.1-2010标准制备力学性能测试样件，在电子万能试验机上进行高温拉伸性能测试。高温拉伸性能测试过程包括:(1)对试样表面进行打磨处理以消除表面夹杂对测试结果的影响，用游标卡尺测量试样的几何尺寸；(2)打开测试软件，选择测试方法并输入样品信息；(3)保持试样处于竖直夹紧状态，选择拉伸速率为0.5mm/min；(4)开始测试，直至试样发生断裂为止。每个参数下的试样测试三次，取平均值作为最后结果。高温力学性能测试结果分别如图4和表3所示。结果证明本发明的而高温合金相比现有铝合金在裂纹率和高温力学性能方面有明显优势，解决了技术问题并产生了优异的效果。

由此可见，本发明所提出的一种激光增材制造用耐热铝合金球形粉体材料及制备方法已经过多次工艺条件优选和对比验证，也经过激光增材制造工艺验证，满足航天轻量化对于耐高温铝合金材料的要求，具备良好的技术应用前景。

表3实施例1-4和对比实施例的粉末材料激光打印构件的力学性能比较

最后说明的是，以上优选实施例1-4仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。

Claims

1.一种增材制造用耐热铝合金球形粉体材料，由以下重量百分比的组分组成，Ni：4.5-5.5％、Fe：1.5-2.0％、Zr：3.5-4.0％、Si：10.5-11.0％、Mg：8.0-9.0％，余量为Al。

2.一种增材制造用耐热铝合金球形粉体材料的制备方法，所述形粉体材料由以下重量百分比的组分组成，Ni：4.5-5.5％、Fe：1.5-2.0％、Zr：3.5-4.0％、Si：10.5-11.0％、Mg：8.0-9.0％，余量为Al，包括以下步骤：

1)将上述原料Ni、Si、Mg和Al置于真空熔炼室，加热熔炼至熔融态液体；

2)将熔炼室补气至99.5kpa微负压，加入原料Fe和Zr继续熔炼；

3)当全部原料熔炼至熔融态液体后，喷氩气雾化熔融态液体成铝合例金粉末。

3.如权利要求2所述的制备方法，步骤1)的加热温度控制在750℃～850℃内。

4.如权利要求2所述的制备方法，步骤1)中所述的真空，其真空度为0.01～0.1Pa。

5.如权利要求2所述的制备方法，步骤3)中，熔融态液体雾化前保温15-30分钟。

6.如权利要求2所述的制备方法，步骤3)中，雾化温度控制在200℃～350℃。