一种3D打印用高强韧AlCrSc合金粉末及其制备方法与应用技术

本发明专利技术涉及3D打印用铝合金粉末材料技术领域，具体涉及一种3D打印用高强韧AlCrSc合金粉末及其制备方法与应用。本发明专利技术提供的3D打印用铝合金粉末材料，其合金元素包括：Cr：1.0～4.0wt％、Sc：0.3～1.1wt％、Zr：0.1～0.6wt％、Si：0.5～1.2wt％、Mn：0.1～0.7wt％、Mg：0～6.0wt％，微量元素：<0.1wt％，余量为Al；所述微量元素为Ti、Fe、Ni、Ce、Sr、Er、La中的一种或几种。研究表明，通过控制上述条件获得的铝合金粉末，经3D打印技术成形的打印制件的致密度、强度、塑性高，抗腐蚀性、屈强比和疲劳性能较好，同时解决了打印过程中的烟尘和氧化问题，从而提高打印制件的抗氧化和抗疲劳性能。本发明专利技术所得3D打印制件在工程应用如承力件、轻量一体化零件、换散热器等应用中具极大潜在前景。换散热器等应用中具极大潜在前景。

【技术实现步骤摘要】
一种3D打印用高强韧AlCrSc合金粉末及其制备方法与应用


[0001]本专利技术涉及3D打印用铝合金粉末材料
，具体涉及一种3D打印用高强韧AlCrSc合金粉末及其制备方法与应用。

技术介绍

[0002]目前，金属3D打印的工业应用增长迅速，金属粉末材料作为3D打印产业链的上游端，其需求种类和需求量均持续走高。现有可商用的3D打印用铝合金粉末主要是AlSi7Mg和AlSi
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Mg合金，但这两类合金打印后强度均较低，不超过300MPa，且延伸率不超过10％。
[0003]目前，已有关于Al
‑
Zn
‑
Mg
‑
Sc系铝合金3D打印材料的研究，以期在满足3D打印需求的同时，提高铝合金的强度及延伸率。
[0004]CN109487126A公开了一种适用3D打印的商业专用高强AlMgSc合金粉末，在激光选区熔化技术制备中提供了出色的性能，室温抗拉强度和延伸率均达到了520MPa和10％，超出同类别材料。但由于粉末在激光加热熔化过程中吸收和反射的倾向，使得激光选区成形工艺稳定性受到影响，且打印过程中出现烟尘，影响打印零件质量和性能。实际零件打印中，零件表面和内部仍存在局部裂纹和微裂纹，导致零件质量不稳定甚至打印失效，抗氧化和抗应力腐蚀能力较差。
[0005]CN111001800A公开了一种3D打印用高强度Al
‑
Cr
‑
Sc合金，通过Cr代替Mg，可获得理想的凝固微观结构，其所属配方具有致密、无裂纹，耐磨耐蚀、抗高温氧化及静力学优异的特点；但其性能还有待优化，且该技术并未体现其屈强比和疲劳性能状况。

技术实现思路

[0006]本专利技术第一方面提供一种3D打印用铝合金粉末材料，其合金元素包括：Cr：1.0～4.0wt％、Sc：0.3～1.1wt％、Zr：0.1～0.6wt％、Si：0.5～1.2wt％、Mn：0.1～0.7wt％、Mg：0～6.0wt％，微量元素：<0.1wt％，余量为Al；
[0007]所述微量元素为Ti、Fe、Ni、Ce、Sr、Er、La中的一种或几种。
[0008]研究表明，通过控制上述条件获得的铝合金粉末，经3D打印技术成形的打印制件的致密度、强度、塑性高，抗腐蚀性、屈强比和疲劳性能较好，同时解决了打印过程中的烟尘和氧化问题，从而提高打印制件的抗氧化和抗疲劳性能。
[0009]下面对上述各元素及含量在材料中所起作用进行详细说明。
[0010]本专利技术控制Cr含量为1.0～4.0wt％。Cr元素在3D打印特有的快速凝固条件下更易形成超饱和固溶体，增强了铝合金基体中Cr元素的固溶含量，进而增加高强铝合金的强度、韧性、耐腐蚀性、抗氧化性，同时降低了实际工程应用中晶界处Cr的偏析，突破了传统AlCr合金采用传统工艺无法制备的瓶颈。其主要原因如下：
[0011]首先，Cr在Al中的溶解度很低(≤0.7wt％)，传统制造中将Cr只作为一种微量合金元素(0.2wt％)用于选定的Al合金成分中，促进AlCr弥散体的演变，用于中间或固溶退火过程中的微观组织控制，如抑制复原、一次和二次再结晶和晶粒生长。但在3D打印中，用Cr代
替AlSc合金中的Mg，降低了Mg在3D打印中过程动力学的刺激，降低了Mg因低沸点和复杂的激光能量传递机制导致的烧损蒸发，稳定了波动的熔池，减少了飞溅，可实现更强大的打印过程，提高了零件致密度。
[0012]虽然冶金学上，AlCrSc与AlMgSc类似，都会改变与Sc相关的晶粒细化，但实际Cr替换Mg后，双相细晶组织沿热流方向被长度超过200μm的大柱状晶粒取代，并沿着沉积层生长，层间边界处布满Al
x
Cr
y
粒子。大柱状晶取代细晶双相结构，足以证明该合金是一种同时具有强度和韧性优异材料。
[0013]其次，Al中添加Cr元素，对Sc并不关键，不会因Cr的存在降低Al3Sc的硬化作用；同时Cr跟Al、Sc一样，也可形成具有保护性的Cr2O3氧化物。
[0014]再次，Cr因具有粘性增加的倾向，在3D打印过程中，将会决定激光束熔池的动态。
[0015]此外，Cr和Fe、Mn元素形成金属间化合物，阻碍打印过程中的晶粒长大。通过高流动氩气雾化近球形AlCrSc粉末，可筛分出10
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53μm、65
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105μm两种粒径范围的3D打印粉末，前者适用于激光选区熔化技术，后者适用于激光送粉技术。在BLT S310型号SLM设备中的Ar气氛下打印成形，少“烟尘”、无飞溅。与AlMgSc合金粉在打印过程中出现强烈“烟尘”和典型黑色沉积物形成鲜明对比；经成分、金相分析，打印制件无元素烧损、均匀致密、无气孔、裂纹和微裂纹出现，显微结构由大柱状晶代替双向细晶结构，明显同时提高了打印制件的强度和韧性性能，进一步验证了AlCrSc合金粉的配方优势和3D打印过程中的稳定性。
[0016]本专利技术控制Sc含量在0.3～1.1wt％范围内，Zr含量在0.1～0.6wt％范围内。
[0017]所述元素Sc在3D打印铝合金中具备四大功能：
[0018]第一，具有极高的纳米Al3Sc粒子沉淀硬化能力。每0.1wt％Sc含量由纳米Al3Sc全相干粒子分解成饱和固溶体，可使强度提高到40
‑
50MPa。
[0019]第二，采用高流动气雾化技术制备Sc含量超过平衡极限0.38wt％的AlCrSc合金粉末，通过3D打印技术更易获得强度超过550MPa的打印制件。
[0020]第三，L12‑
Al3Sc相对于Al晶格的失配非常低，在250
‑
350℃范围内进行量化可控热处理后，可获得10nm以下完全凝聚的Al3Sc沉淀粒子，保证晶格质量。而且，L12‑
Al3Sc相对晶粒细化和抑制再结晶的能力与Zr相当，降低了3D打印过程中裂纹产生的敏感性。
[0021]第四，低含量的Sc的控制同时降低AlCrSc合金粉的成本。同时，所述元素Zr在0.1
‑
0.6wt％和Sc/Zr比在0.5
‑
11范围内，在3D打印过程中更易析出具有良好热稳定性和抑制晶粒长大的Al3(Sc，Zr)复合物，更好的抑制了3D打印过程中晶粒的长大，进而抑制裂纹生成。
[0022]本专利技术控制Si含量在0.5～1.2wt％范围内，Mg含量在0
‑
6.0wt％范围内，实现提高材料强度和抑制开裂问题。
[0023]首先，Si的加入降低了合金凝固温度范围，确保液态填充晶间间隙和愈合初期裂纹的能力，同时起到固溶强化作用和析出Mg2Si弥散强化相，同步提高强度和塑性。
[0024]其次，Si可通过降低凝固温度范围提高粉末熔化后的熔体流动性，降低打印过程中的初始微裂纹，可使其微裂纹降低至0.4～0.9
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种3D打印用铝合金粉末材料，其特征在于，包括：Cr：1.0～4.0wt％、Sc：0.3～1.1wt％、Zr：0.1～0.6wt％、Si：0.5～1.2wt％、Mn：0.1～0.7wt％、Mg：0～6.0wt％；微量元素：<0.1wt％；所述微量元素为Ti、Fe、Ni、Ce、Sr、Er、La中的一种或几种；余量为Al。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+Mg含量在1.0
‑
4.7wt％之间。3.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Fe含量在0.05
‑
0.1wt％之间，且Mn+Fe含量在0.2
‑
0.4w％之间。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，Ti、Ni含量分别在0.05
‑
0.1％wt％之间。5.权利要求1
‑
4任一项所述3D打印用铝合金粉末材料的制备方法，其特征在于，将各元素原料按比例混合后，利用高流动雾化技术一步法制粉，再对所得粉末进行振动筛分或气流分级处理。6.根据权利要求5所述的3D打印用铝合金粉末材料的制备方法，其特征在于，所述高流动雾化技术包括真空感应熔炼和惰性气体雾化；所述真空感应熔炼的条件：真空度≤1.5*10
‑2Pa，熔炼温度为780
‑
900℃；所述惰性气体雾化的压力为5
‑
10MPa。7.根据权利要求6所述的3D打印用铝合金粉末材料的制备方法，其特征在于，在所述真空感应熔炼的过程中，控制升温速率为10
‑
20℃/min，且熔炼温度下保温25
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【专利技术属性】
技术研发人员：折洁，祝弘滨，王行涛，刘昱，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：