一种3D打印用铝合金粉末材料及其制备方法与应用技术

本发明专利技术属于3D打印用铝合金粉末材料技术领域，具体涉及一种3D打印用铝合金粉末材料及其制备方法与应用。本发明专利技术提供一种3D打印用铝合金粉末材料，其合金元素包括Mg、Sc、Zr、Mn、Fe、Ni、Si、Zn、Cr；其中Si+Mn总含量为铝合金粉末材料总质量的0.9～1.5wt％，且Si/Mn的质量比为1～2或≥5。本发明专利技术发现通过上述控制，所得铝合金粉末材料经SLM方法3D打印以及适当热处理后的拉伸强度可提升至570MPa以上，同时塑性可提升至17％以上，经多次测试，不存在打印后应力集中导致的开裂问题，解决了现有铝合金3D打印件拉伸强度与塑性难以兼顾的问题。

【技术实现步骤摘要】
一种3D打印用铝合金粉末材料及其制备方法与应用
本专利技术属于3D打印用铝合金粉末材料
，具体涉及一种3D打印用铝合金粉末材料及其制备方法与应用。
技术介绍
在3D打印技术中，目前常用的铝合金粉末主要是AlSi12合金和AlSi10Mg合金，但是这两类合金打印后强度均较低，不超过350MPa，且延伸率不超过6％。国外空客公司专为3D打印技术开发了高强度Scalmalloy铝合金粉末，拉伸强度和延伸率分别能达到520MPa和13％，但在实际打印生产中发现，采用该材料得到的打印件强度和延伸率仍然有待提高，且打印样件中存在部分微裂纹，导致疲劳性能不足，使用过程中容易失效，且抗应力腐蚀能力也较差。CN109487126A公开了一种可用于3D打印铝合金粉末，其具有组织细密、力学性能好、抗应力腐蚀性强的优点，但其拉伸强度和延伸率无法兼顾，在最大拉伸强度为580MPa时，其延伸率降为7％，这种强度和塑性的不匹配容易导致样件在打印过程中产生应力集中，从而导致打印件在打印后发生开裂的问题。可见，为了获得更好的3D打印效果，需要同时提升3D打印件的拉伸强度与塑性两方面，但目前现有技术还未有解决这一问题的有效手段。
技术实现思路
本专利技术的第一目的是提供一种3D打印用铝合金粉末材料，其合金元素包括Mg、Sc、Zr、Mn、Fe、Ni、Si、Zn、Cr；其中控制Si+Mn总含量为铝合金粉末材料总质量的0.9～1.5％，且Si/Mn的质量比为1～2或≥5。本专利技术发现，通过控制上述条件可使经SLM方法得到的3D打印件的拉伸强度得到提高的同时，解决Si、Mn竞争强化和重叠强化的问题，从而提高打印件的塑性(延伸率)；经测试，所得铝合金粉末材料经SLM方法3D打印以及常规热处理后，其拉伸强度可提升至570MPa以上，同时塑性可提升至17％以上；并且经多次测试，不存在打印后应力集中导致的开裂问题，彻底解决了现有3D打印件拉伸强度与塑性(延伸率)难以兼顾的问题。优选地，通过控制Si含量在0.4-1wt.％范围内，首先能够使Si与Mg形成的化合物粒子尺寸和分布得到控制，使该粒子尺寸不超过50nm，且在晶界处呈现出非连续分布的状态，从而能够起到钉扎晶界，阻碍晶粒长大，提高了晶界处抵抗变形能力，同步提高强度和延伸率的作用；其次，通过控制能够提高粉末熔化后熔体的流动性，阻碍激光打印过程中微裂纹的产生，将微裂纹数量降低至0.3～0.7×10-4μm/μm2，进而提高打印件的致密程度至99.8％以上，显著提升打印件的抗疲劳性。优选地，通过控制Mn含量在0.05-0.6％范围内，一方面能够确保Mn元素形成Al6Mn等纳米颗粒，起到强化作用；另一方面能够确保Al6Mn含量及尺寸在一个合理的范围内，从而不与Si和Mg形成的化合物粒子产生重叠强化效应，导致延伸率的降低，确保了强度和延伸率同步提升的效果。进一步优选Mn含量在0.15-0.5％。优选地，通过控制Mg含量在4.7-10％范围内，实现在降低材料密度的同时起到固溶强化的作用，从而获得提升打印件强度的目的。进一步优选Mg含量在6.5-8.5％范围内。作为本专利技术的具体实施方式之一，控制Si+Mg总含量保持在5～10wt.％，且Si/Mg的质量比≤0.58，使得在Si与Mg在合金化过程中完全反应形成化合物粒子，该化合物粒子尺寸不超过500nm，能够很好的钉扎晶界，阻止晶粒长大，从而同时提高强度和延伸率。优选地，控制Sc含量在0.3-0.6％范围内，既能够使其在打印和热处理过程中析出Al3Sc纳米粒子起到强化作用，同时又降低铝合金粉末成本。进一步优选Sc含量在0.45-0.65％范围内。作为本专利技术的具体实施方式之一，控制Zr含量在0.1-0.4％范围内且Sc/Zr的质量比在1.5-2.5范围内，更有助于在打印件中形成更多的Al3(Sc,Zr)复相化合物，从而提升打印件的强度和高温性能。进一步优选Zr含量在0.22-0.33％范围内。优选地，控制Fe，Ni含量分别在0.05-0.2％范围内，以提升打印件高温性能。优选地，控制Zn，Cr含量分别在0.05-0.15％范围内，以提升打印件抗腐蚀性能。作为本专利技术的具体实施方式之一，所述铝合金粉末材料包括如下质量分数的成分：Mg：4.7～10wt％；Sc：0.10～1wt％；Zr：0.1～0.5wt％；Mn：0.05～0.6wt％；Fe：0.05～0.2wt％；Ni：0.05～0.2wt％；Si：0.4～1％；Zn：0.05～0.15wt％；Cr：0.05～0.15wt％；其它微量元素不超过0.2％，余量为Al。优选地，其它微量元素包括Er，Ti，Ce，Sr中的一种或多种，用以提升铝合金粉末对激光的吸收率和导热性，改进粉末的工艺性，并进一步细化晶粒，提升打印件性能。作为本专利技术的具体实施方式之一，所述铝合金粉末材料包括如下质量分数的成分：Mg：6.5-8.5wt％；Sc：0.45-0.65wt％；Zr：0.22-0.33wt％；Mn：0.15-0.5wt％；Fe：0.04-0.06wt％；Ni：0.06-0.08wt％；Si：0.55-0.8wt.％；Zn：0.07-0.09wt％；Cr：0.05-0.08wt％；其它微量元素包括Er和Ce，总含量为0.05-0.06wt％，余量为Al。本专利技术的第二目的是提供一种铝合金粉末材料的制备方法，包括：将各元素按比例混合后采用一步法进行真空感应熔炼-惰性气体雾化制粉，再对所得粉末进行振动筛分或气流分级处理。区别于现有技术的先熔炼制锭，再雾化制粉的制备方式，本专利技术采用一步法实现制粉所得的铝合金粉末具有元素烧损更少，粉末球形度更高，成分更均匀，杂质含量更低，粒度分布更均匀的特点；经检测，通过一步法制粉可将粉末中元素烧损控制在5％以内，氧含量控制在300ppm以下；且制备流程可控，满足3D打印工艺要求，适合工业化批量生产。所述真空感应熔炼的条件：真空度≤10-2Pa，熔炼温度为750-820℃；优选地，控制升温速率为10-25℃/min，且熔炼温度下保温20-30min并持续进行电磁搅拌。如此可使粉末成分更均匀、杂质含量更低。优选地，所述惰性气体雾化中，雾化压力为2.5-4.5MPa。作为本专利技术的具体实施方式之一，所述真空度≤10-2Pa，熔炼温度为750-820℃；雾化压力为2.5-4.5MPa；此时所得粉末氧含量控制在300ppm以下，且粉末中空心粉含量更低，可将空心粉率降低至1％以下。所述惰性气体雾化中，雾化喷嘴选用收放型环缝喷嘴；雾化锥角为45-60°。通过精确控制制粉工艺参数，可将粉末球形度控制在0.88以上，提升了粉末的流动性，进而提升了其工艺性。经验证，采用霍尔流动计检测，采用所述方法获得的铝合金粉末的霍尔流动性提升至80-120s/50g，而现有业内铝合金粉末的流动性过低，几乎无法检出。同时，还可将空心粉率降低至1％以下，氧含量控制在300ppm以下，从而减少打印件中的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种3D打印用铝合金粉末材料，其合金元素包括Mg、Sc、Zr、Mn、Fe、Ni、Si、Zn、Cr；其特征在于，控制Si+Mn总含量为铝合金粉末材料总质量的0.9～1.5wt％，且Si/Mn的质量比为1～2或≥5。/n

【技术特征摘要】
1.一种3D打印用铝合金粉末材料，其合金元素包括Mg、Sc、Zr、Mn、Fe、Ni、Si、Zn、Cr；其特征在于，控制Si+Mn总含量为铝合金粉末材料总质量的0.9～1.5wt％，且Si/Mn的质量比为1～2或≥5。


2.根据权利要求1所述的3D打印用铝合金粉末材料，其特征在于，控制Si含量在0.4-1wt％范围内；
和/或，控制Mn含量在0.05-0.6wt％范围内，优选0.15-0.5％。


3.根据权利要求1或2所述的3D打印用铝合金粉末材料，其特征在于，控制Mg含量在4.7-10wt％范围内，优选6.5-8.5％；
和/或，控制Sc含量在0.3-0.6wt％范围内，优选0.45-0.65％；
和/或，控制Zr含量在0.1-0.4wt％范围内，优选0.22-0.33％。


4.根据权利要求3所述的3D打印用铝合金粉末材料，其特征在于，控制Si+Mg总含量保持在5～10wt％范围内，且Si/Mg≤0.58；
和/或，Sc/Zr的质量比在1.5-2.5范围内；
和/或，控制Fe、Ni含量分别在0.05-0.2wt％范围内；
和/或，控制Zn、Cr含量分别在0.05-0.15wt％范围内。


5.根据权利要求1所述的3D打印用铝合金粉末材料，其特征在于，包括如下质量分数的成分：Mg：4.7～10wt％；Sc：0.10～1wt％；Zr：0.1～0.5wt％；Mn：0.05～0.6wt％；Fe：0.05～0.2wt％；Ni：0.05～0.2wt％；Si：0.4～1％；Zn：0.05～0.15wt％；Cr：0.05～0.15wt％；其它微量元素不超过0....

【专利技术属性】
技术研发人员：祝弘滨，刘昱，孙帮成，龚明，
申请(专利权)人：中车工业研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：北京;11