一种可抑制3D打印凝固裂纹的铝合金及其加工方法技术

本发明专利技术属于金属材料技术领域，具体公开了一种可抑制3D打印凝固裂纹的铝合金及其加工方法。该铝合金包括铝合金粉末和晶粒细化剂，其中：晶粒细化剂包括TiC；晶粒细化剂的粒径为2

【技术实现步骤摘要】
一种可抑制3D打印凝固裂纹的铝合金及其加工方法


[0001]本专利技术属于金属材料
，尤其涉及一种可抑制3D打印凝固裂纹的铝合金及其加工方法。

技术介绍

[0002]选择性激光熔化(SLM)是金属材料增材制造中的一种主要技术途径。该技术选用激光作为能量源，按照三维(3D)切片模型中规划好的路径在金属粉末床层进行逐层扫描，扫描过的金属粉末通过熔化、凝固从而达到冶金结合的效果，最终获得模型所设计的金属零件。同时，SLM可减少了材料浪费，并可在更短的时间内生产复杂的或定制的部件。
[0003]6000系铝合金是一种高强度、高耐腐蚀的Al
‑
Mg
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Si
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Cu时效硬化合金，广泛应用于结构和运输领域。6000系铝合金在焊接和铸造凝固过程中具有高裂纹敏感性，与铸造和焊接相似，快速加热和冷却循环的SLM过程同样导致Al6061中存在较多的凝固裂纹。有研究发现，通过预热提高基板温度至500℃可以缓解裂纹敏感性，获得无凝固裂纹6000系铝合金，然而，这样高的温度会改变粉末的形貌、拓扑结构和氧化条件，影响粉末的流动性和可回收性。
[0004]因此，亟需开发一种简单有效、适用于SLM增材制造，且可减少凝固裂纹的铝合金及其加工方法。

技术实现思路

[0005]本专利技术提出一种可抑制3D打印凝固裂纹的铝合金及其加工方法，以解决现有技术中存在的一个或多个技术问题，至少提供一种有益的选择或创造条件。
[0006]为克服上述技术问题，本专利技术的第一方面提供了一种铝合金。
[0007]具体地，一种铝合金，所述铝合金包括铝合金粉末和晶粒细化剂，所述晶粒细化剂包括TiC；所述晶粒细化剂的粒径为2
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5μm。
[0008]本专利技术通过在铝合金粉末中添加TiC，TiC作为晶粒细化剂，可在3D打印的过程中提高晶粒数目，细化晶粒，增大晶界面积，以大大减少凝固裂纹的产生，此外，晶粒细化剂TiC还有助于增强铝合金的硬度。相对于现有技术中常用的TiB2成核剂，TiC可克服TiB2因在打印的过程中形成沉淀，影响后续制件的加工性能，且TiB2元素对含Zr、Mn和Cr元素的合金晶粒细化效果不显著的缺陷。
[0009]同时，本专利技术通过控制晶粒细化剂的粒径在2
‑
5μm，可在3D打印过程中，明显减少铝合金的凝固裂纹；过大的粒径在3D打印时，仍易出现凝固裂纹；过小的粒径在混合时易产生团聚，形成大颗粒，从而增大凝固裂纹的出现。
[0010]作为上述方案的进一步改进，所述铝合金粉末选自6000系铝合金，具体可选自6061铝合金、6063铝合金、6005铝合金中的任意一种。
[0011]优选地，所述铝合金粉末选自6061铝合金。
[0012]具体地，6000系(Ai
‑
Mg
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Si系)铝合金是一种以Mg和Si为主要强化相的铝合金，该
铝合金在与晶粒细化剂进行SLM增材制造时，可避免两相场区域，因此6000系铝合金中低硅含量引起的大冰点范围被降低到元素混合粉末的一个冰点，从而防止凝固开裂，加之晶粒细化剂的添加可进一步防止凝固开裂。
[0013]优选地，所述铝合金粉末的平均粒径为35
‑
37μm。
[0014]进一步优选地，所述铝合金粉末的平均粒径为36.5μm。
[0015]作为上述方案的进一步改进，所述铝合金粉末和所述晶粒细化剂的质量比为(97.5
‑
98.5)：(1.5
‑
2.5)。
[0016]具体地，通过选择合适的铝合金粉末和晶粒细化剂的质量比，可获得综合性能俱佳的铝合金制件。
[0017]本专利技术的第二方面提供了一种铝合金的加工方法。
[0018]具体地，一种铝合金的加工方法，包括以下步骤：
[0019](1)将铝合金粉末和晶粒细化剂混合，得预混料；
[0020](2)将所述预混料进行选择性激光熔化增材制造，得半成品；
[0021](3)将所述半成品进行热处理，得所述铝合金。
[0022]在SLM增材制造的过程中，金属粒子晶间排列会产生变化，导致应力存在，本专利技术通过将所述SLM铝合金进行特定的热处理，可以改善晶间结构，使得晶间结构更加稳定，消除内应力，减少金属断裂的风险。
[0023]作为上述方案的进一步改进，步骤(1)中，所述混合的工艺步骤为：先将所述铝合金粉末和所述晶粒细化剂进行超声混合；然后在保护气氛下，进行研磨、真空干燥，得所述预混料。
[0024]具体地，铝合金粉末的平均粒径为35
‑
37μm，而晶粒细化剂TiC的粒径为2
‑
5μm，粒径相差较大，而且晶粒细化剂TiC所占比重较小，加之铝合金密度为2.8g/cm3，TiC密度为4.93g/cm3，如果直接混合，晶粒细化剂TiC很难在较短时间内和铝合金粉末混合均匀。因此，本专利技术采用先超声混合后在保护气氛下进行研磨的两步混合法，以有效缩短混合时间。其原因在于：首先将密度较小，质量占比大，且粒径较大的铝合金粉末放入球磨介质中，静置后再将密度较大，质量占比小，且粒径较小的晶粒细化剂TiC放入铝合金粉末的表面，利用TiC自身的密度和粒径特点，通过超声波装置将TiC晶粒细化剂分散在铝合金粉末中，实现预混合；经过预混合的粉末可以在球磨机中更好的进行均匀混合；由于铝合金粉末和晶粒细化剂TiC密度，粒径和质量占比都有较大差异，如果采用单一的球磨混合或超声混合则需要很长时间，且不易混合均匀；本专利技术充分利用两者的密度，粒径等特点，采用两步混合法，在保证混合均匀的前提下，可大幅度缩短混合时间。
[0025]优选地，所述超声混合的介质为无水乙醇。
[0026]优选地，所述超声混合的时间为30
‑
50分钟。
[0027]优选地，所述研磨的转速为250
‑
300r/min，时间为50
‑
80分钟。
[0028]作为上述方案的进一步改进，步骤(2)中，所述选择性激光熔化增材制造的能量密度为61.7
‑
123.3J/mm3。
[0029]本专利技术通过在铝合金粉末中添加晶粒细化剂，同时控制所述SLM增材制造的能量密度61.7
‑
123.3J/mm3的范围内，可制造出无凝固裂纹的铝合金，并同时提高铝合金的硬度。究其原因在于：晶粒越细，硬度越高，不同能量密度下，3D打印的铝合金晶粒不同，通过
控制合适的能量密度值，使得打印的铝合金具有较细的晶粒，从而提升硬度。
[0030]优选地，所述选择性激光熔化增材制造的能量密度为61.7J/mm3，研究发现，当晶粒细化剂的粒径为2
‑
5μm，能量密度为61.7J/mm3时，所制备的铝合金无凝固裂纹，且硬度较佳。
[0031]优选地，所述选择性激光熔化增材制造的加工参数为：基板预热温度为1本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种铝合金，其特征在于：所述铝合金包括铝合金粉末和晶粒细化剂，所述晶粒细化剂包括TiC；所述晶粒细化剂的粒径为2
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5μm。2.根据权利要求1所述的铝合金，其特征在于：所述铝合金粉末选自6000系铝合金。3.根据权利要求1所述的铝合金，其特征在于：所述铝合金粉末的平均粒径为35
‑
37μm。4.根据权利要求1所述的铝合金，其特征在于：所述铝合金粉末和所述晶粒细化剂的质量比为(97.5
‑
98.5)：(1.5
‑
2.5)。5.权利要求1至4任意一项所述的铝合金的加工方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)将铝合金粉末和晶粒细化剂混合，得预混料；(2)将所述预混料进行选择性激光熔化增材制造，得半成品；(3)将所述半成品进行热处理，得所述铝合金。6.根据权利要求5所述的铝合金的加工方法，其特征在于，步骤(1)中，所述混合的工艺步骤为：先将所述铝合金粉末和所述晶粒细化剂进行超声混合；然后在保护气氛下，进行研磨、真空干燥，得所述预混料。7.根据权利要求6所述的铝合...

【专利技术属性】
技术研发人员：曹晟，吕秉华，王奉涛，牛小东，张鲁杰，谢雪芬，张秋娟，
申请(专利权)人：汕头市瑞祥模具有限公司，
类型：发明
国别省市：