一种高强度3D打印铝合金材料、打印方法及铝合金零件技术

本发明专利技术提供一种高强度3D打印铝合金材料、打印方法及铝合金零件，铝合金材料其组成成分按质量百分含量计包括：Mg：3.5

【技术实现步骤摘要】
一种高强度3D打印铝合金材料、打印方法及铝合金零件


[0001]本专利技术属于3D打印
，具体涉及一种高强度3D打印铝合金材料、打印方法及铝合金零件。

技术介绍

[0002]3D打印技术可以用于制造具有复杂构造的铝合金零件，在航天航空等领域有重要应用。目前市场上广泛使用的3D打印材料是AlSi10Mg，其抗拉强度在280MPa，存在强度不足的缺陷，而传统高强度变形铝合金材料如2024材料、7075材料等，由于很高热裂倾向会在3D打印过程中产生大量的热裂纹，从而无法应用于3D打印。
[0003]现有的3D打印高强铝合金材料主要是空客公司开发的专利材料Scalmalloy，如现有专利CN111778433B、CN109487126B等也使用了Sc作为核心元素，由于Al3Sc与Al基体具有比较低的晶格错配度，Al基体在Al3Sc颗粒上形核的能量壁垒较低，同时Sc在Al中的溶解度很低，有利于析出沉淀相，一方面通过凝固过程中生成Al3Sc促进Al基体的异质形核，细化晶粒，从而抑制热裂纹的产生，另一方面在时效热处理过程中生成更多的Al3Sc提供沉淀强化作用，但Sc的单价极高，导致该粉末原材料的单价甚至超过钛合金粉末，无法广泛应用。此外，所添加元素与其他合金元素的相互作用、对成分过冷程度的影响、热处理过程中的动力学行为等因素对最终材料的性能都有不同程度的影响，同时打印方法不当影响铝合金零件的致密性和力学性能。因此，开发出高强度、无裂纹、低成本的3D打印材料、打印方法及铝合金零件十分重要。

技术实现思路

>[0004]本专利技术旨在至少在一定程度上解决上述技术问题之一，本专利技术提供一种高强度3D打印铝合金材料、打印方法及铝合金零件，具有高强度、无裂纹、低成本的特点。
[0005]本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：
[0006]一种高强度3D打印铝合金材料，其组成成分按质量百分含量计包括：Mg：3.5
‑
8.0wt％；Hf：1.5
‑
5.5wt％和/或Nb：1.0
‑
5.0wt％，Hf+Nb：≤10wt％；Fe：≤0.3wt％；Si：≤0.2wt％；余量为Al。
[0007]上述铝合金材料的成分设计依据为：
[0008](1)Mg：Mg在本专利技术所述铝合金材料中起到固溶强化的作用，但Mg过高不利于延伸率，因此本专利技术Mg含量确定为3.5
‑
8.0wt％。
[0009](2)Hf、Nb：铝合金材料通过在凝固过程中形成Al3Nb、Al3Hf或者Al3(Nb，Hf)从而细化晶粒以及提供时效强化作用，提高材料强度；Nb和Hf较Sc更经济，同时具有D0
22
晶体结构的Al3Nb和Al3Hf与Al(fcc)的晶格错配度很低，分别为
‑
5％和
‑
3.8％，与之相比Al3Sc与Al(fcc)的晶格错配度为1.3％，因此Al3Nb和Al3Hf颗粒可以促进Al的异质形核，从而抑制热裂纹的产生。
[0010]当Nb和Hf的含量过低时，无法提供足够的形核点从而无法完全消除热裂纹，另外
在后续的时效热处理中也不能生成足够的第二相颗粒进行强化；而若Nb和Hf的含量过高，会形成过多以及较大的第二相颗粒，甚至形成元素的偏聚，显著降低材料塑性；因此本专利技术Hf含量确定为1.5
‑
5.5wt％，本专利技术Nb：1.0
‑
5.0wt％，Hf和Nb可以分别添加或同时添加，同时添加时Hf+Nb的总含量确定为≤10wt％。
[0011](3)Fe、Si：Fe和Si为需要控制的杂质成分，当含量过高时会形成较大且脆性的金属间化合物颗粒，颗粒本身和颗粒与基底的界面可以成为裂纹和缺陷起源，降低材料韧性，因此本专利技术Fe含量确定为≤0.3wt％，Si含量确定为≤0.2wt％。
[0012]上述铝合金材料，进一步地，其成分组成中：Mg：5.5
‑
6.5wt％，Hf：3.0
‑
4.0wt％，以此材料经3D打印制备的铝合金零件力学性能：抗拉强度可以达到540Mpa，延伸率可以达到10％。
[0013]上述铝合金材料，进一步地，其成分组成中：Mg：7.0
‑
8.0wt％，Nb：3.5
‑
4.5wt％，以此材料经3D打印制备的铝合金零件力学性能：抗拉强度可以达到565Mpa，延伸率可以达到7％。
[0014]上述铝合金材料，进一步地，其成分组成中：Mg：4.0
‑
5.0wt％，Hf：2.1
‑
3.1wt％，Nb：2.0
‑
3.0wt％，以此材料经3D打印制备的铝合金零件力学性能：抗拉强度可以达到524Mpa，延伸率可以达到12％。
[0015]上述铝合金材料，进一步地，所述铝合金材料由配比熔融后以真空感应气雾化方法制为粒度为10
‑
53μm、球形度≥98％的高球形度粉末，增强3D打印入射激光能量束的吸收作用，提高3D打印铝合金零件的致密性。
[0016]进一步地，原料采用纯元素金属或中间合金，熔融时以10
‑
20℃/min的升温速率加热到720
‑
750℃保温15
‑
25min，保证铝合金材料成分均匀性、降低烧损和杂质含量。
[0017]进一步地，真空感应气雾化方法使用氩气或氦气、在1
‑
6Mpa压力下进行雾化制粉，对冷却后的粉末进行筛分混合得到所述铝合金材料，具有球形度高、卫星粉少、成分均匀的特点。
[0018]一种3D打印方法，其方法包括：
[0019]将上述任意一项所述铝合金材料倒入3D打印容器中；
[0020]待成形室腔体密闭后，通入惰性气体；
[0021]使用激光扫描基板，激光扫描范围与基板几何尺寸相适应；
[0022]在基板表面使用金属或陶瓷或橡胶材质的刮刀铺展铝合金材料；
[0023]根据零件分层扫描数据进行3D打印制备铝合金零件。
[0024]上述3D打印方法采用铺粉式高能束增材的3D打印方法，具有高尺寸精度、低表面粗糙度、可以用于复杂形状零件制造的特点。
[0025]上述3D打印方法，进一步地，所述惰性气体为氩气，通入氩气使成形室腔体氧含量低于200ppm，在惰性气体的密闭成形室腔体内进行3D打印，避免引入空气中氧或氮等有害杂质而降低铝合金零件性能。
[0026]上述3D打印方法，进一步地，3D打印参数包括：激光功率为200～400W，激光扫描速率为600～1200mm/s，通过激光功率和激光扫描速率控制能量密度，避免能量密度过高产生匙孔缺陷，避免能量密度过低影响铝合金材料的熔融成形，从而降低孔隙率；铝合金材料铺展的厚度为15～40μm，道间距为80～120μm，通过铝合金材料铺展的厚度和道间距可以保证
熔覆宽度的搭接率、减少内部缺陷，从而本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高强度3D打印铝合金材料，其特征在于，其组成成分按质量百分含量计包括：Mg：3.5
‑
8.0wt％；Hf：1.5
‑
5.5wt％和/或Nb：1.0
‑
5.0wt％，Hf+Nb：≤10wt％；Fe：≤0.3wt％；Si：≤0.2wt％；余量为Al。2.根据权利要求1所述的一种高强度3D打印铝合金材料，其特征在于，其成分组成中：Mg：5.5
‑
6.5wt％，Hf：3.0
‑
4.0wt％。3.根据权利要求1所述的一种高强度3D打印铝合金材料，其特征在于，其成分组成中：Mg：7.0
‑
8.0wt％，Nb：3.5
‑
4.5wt％。4.根据权利要求1所述的一种高强度3D打印铝合金材料，其特征在于，其成分组成中：Mg：4.0
‑
5.0wt％，Hf：2.1
‑
3.1wt％，Nb：2.0
‑
3.0wt...

【专利技术属性】
技术研发人员：邓璞，石何飞，谷杰，
申请(专利权)人：苏州思萃熔接技术研究所有限公司，
类型：发明
国别省市：