一种高强耐热耐损伤铝合金粉末、制备方法及应用技术

本发明专利技术公开一种高强耐热耐损伤铝合金粉末、制备方法及应用，所述铝合金粉末的组成按照质量百分比计算包括以下组分：Mg：4.0～12％，Ca：0.50～3.0％，Sc：0.10～0.90％，Mn：0.20～1.5％，Zr：0.1～0.5％，其余为Al和不可避免引入的杂质元素。通过合金元素Ca的添加，显著抑制了合金在3D打印成形过程中的热裂倾向，本发明专利技术中所涉及的高强耐热Al

【技术实现步骤摘要】
一种高强耐热耐损伤铝合金粉末、制备方法及应用


[0001]本专利技术属于增材制造材料
，具体涉及一种高强耐热耐损伤铝合金粉末、制备方法及应用。

技术介绍

[0002]增材制造技术由于具有易于复杂结构成形、制造周期短、节能减材等优点，在航空航天、轨道交通、生物医疗等方面获得了广泛的应用。其中，基于粉末床的选区激光熔化(SelectiveLaserMelting,SLM)成形是最先发展起来的代表性增材制造技术之一。铝合金作为应用最广泛的结构材料之一，其激光增材制造在轻量化、高性能铝基复杂零件制造领域变得越来越重要。
[0003]当前激光增材制造铝合金主要以传统铸造牌号合金为主，存在以下问题：
[0004](1)以AlSi10Mg和AlSi12为代表的Al
‑
Si基近共晶合金，共晶组织较为粗大，强度和延展率有限；SLM制造的AlSi10Mg合金的机械性能通常在214至358MPa的拉伸强度范围内，热处理后的延伸率为4至15％。(2)2xxx系铝合金和7xxx系铝合金等常规中高强铝合金在增材制造过程中容易发生热裂，这是制约其进一步发展的关键瓶颈；(3)另一种选择是与Sc和/或Zr合金化的5xxx系列铝合金，具有代表性的是被称为Scalmalloy的Al
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Mg
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Sc
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Zr合金，由于细小的Al3(Sc,Zr)颗粒的强化和Mg的固溶强化，表现出良好的室温强度和塑性。然而，对于Scalmalloy和具有相似成分的合金，避免热裂倾向和改善力学性能在很大程度上取决于高水平的稀有元素Sc(＞0.66wt％)。此外，高温下较差的热稳定性和力学性能的急剧下降限制了它们的应用。(4)为了扩大增材制造铝合金在高温下的应用，新的耐热铝合金被设计用于增材制造，例如Al
‑
Ce基和Al
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Ni基铝合金。然而，上述合金的室温强度低且延展性差。
[0005]现有技术中也有对增材制造的材料进行改进，如专利CN111922331A提供一种纳米颗粒增强铝合金粉末及其制备方法，包括以下步骤：(1)将纳米粉末A和纳米粉末B在有机溶剂中分散均匀，得到混合体系C，所述纳米粉末A为纳米Ti粉、纳米Ta粉、纳米Nb粉和纳米Zr粉的至少一种，所述纳米粉末B为纳米硼粉；(2)将粘结剂分散在所述混合体系C中，得到混合体系D；(3)向搅拌状态下的铝合金粉末中加入所述混合体系D至铝合金粉末形成团聚颗粒并继续搅拌至有机溶剂挥发得到固体颗粒E；(4)筛分固体颗粒E去除粒径大于270目的颗粒，该专利所制备铝合金粉末进行应用均具备良好的力学性能，选区激光熔化制备得到的铝合金材料无裂纹缺陷，但是耐热性较差，室温强度较低。
[0006]专利CN110791686A公开一种用于增材制造的铝合金粉末材料、制备方法。该铝合金粉末材料的表达式为：Al
‑
X
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Y，X组分为Fe、Co、Ni的一种或多种，Y组分为Sc、Ti、Zr的一种或多种，其中，X组分的原子百分比为0.1～10％、Y组分的原子百分比为0.1～5％，其余的组分为Al。所述制备方法为：按照铝合金粉末的表达式进行配料，采用加热方法熔炼制备母合金铸锭，然后将母合金铸锭进行雾化制粉，从而获得铝合金粉末材料。该专利所制得的铝合金粉末增材制造成形后的零件具有力学性能相比于前述专利更好、也有较好的热稳定性、
高温强度也得到提升，但是延展性较差，致密度较差。
[0007]因此，开发兼具室温高强高韧和良好高温热稳定性，能有效抑制3D打印过程中热裂纹损伤、具有良好致密度的铝合金仍然是亟需解决的。

技术实现思路

[0008]为实现上述目的，本专利技术一个方面，提出一种高强耐热耐损伤铝合金粉末，所述铝合金粉末的组成按照质量百分比计算：Mg：4.0～12％，Ca：0.50～3.0％，Sc：0.10～0.90％，Mn：0.20～1.5％，Zr：0.1～0.5％，其余为Al和不可避免引入的杂质元素。
[0009]本专利技术的另一个方面，提供一种高强耐热耐损伤铝合金粉末的制备方法，包括以下步骤：
[0010]步骤1、配制元素组分：所述铝合金粉末的组成组分包括Mg、Ca、Sc、Mn、Zr，其余的组分为Al；
[0011]步骤2、真空熔炼
‑
雾化制粉：将经过步骤1中配制的高强耐热铝合金粉末进行真空熔炼；经过所述真空熔炼后进行雾化制粉，即得到所述高强耐热耐损伤铝合金粉末。
[0012]优选地，所述步骤2中，所述真空熔炼的熔炼温度为750～850℃，真空度≤0.1Pa。
[0013]优选地，所述步骤2中，所述真空气雾化的工艺为通入Ar、He或者混合气体保护并气雾化，雾化压力为0.3～10MPa。
[0014]本专利技术的另一个方面，提供了一种高强耐热耐损伤铝合金粉末材料在选区激光熔化成型3D打印技术中的应用。
[0015]优选地，将制备所得的铝合金粉末应用在3D打印中，包括如下步骤：
[0016]步骤一、将所述铝合金粉末在惰性气体中保温处理，温度为300～400℃，时间为3～6h；
[0017]步骤二、将经过所述预处理后的粉末进行3D打印。
[0018]优选地，将所述铝合金粉末进行选取激光融化成型处理，其中，激光功率为200～400W，扫描速度为500～2000mm/s，扫描间距为50～120μm，层间厚度为20～50μm。
[0019]优选地，在步骤二之后，对3D打印出的合金进行热处理，所述热处理温度为300～420℃，时间为3～36h。
[0020]与现有技术相比，本专利技术的有益效果：
[0021](1)本专利技术公开的高强耐热Al
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Mg
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Ca
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Sc合金粉末通过合金元素Ca的添加，显著抑制了合金在3D打印成形过程中的热裂倾向，本专利技术中所涉及的高强耐热Al
‑
Mg
‑
Ca
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Sc合金粉末3D打印成形性良好，经过3D打印，零件不产生裂纹，致密度高。通过构建多尺度结构，发挥多级强化机制，3D打印后样件具有优良的室温力学性能和高温稳定性。
[0022](2)本专利技术的另一有益效果是铝合金粉末的特定组合发挥固溶强化、晶界强化和纳米析出相强化等多重强化的协同作用，具有高的室温强度和塑性。其中，金元素Mg固溶在铝合金基体中，起到固溶强化的作用；合金元素Ca在晶界形成网状/半网状共晶组织，发挥晶界强化和第二相强化效应；Sc和Zr形成Al3(Sc，Zr)纳米相，一方面作为凝固过程中的异质形核点，细化晶粒，另一方面经过热处理后，在基体内弥散析出共格/半共格的纳米析出相，发挥弥散强化效应。
[0023](3)本专利技术公开的铝合金粉末的特定组合，具有优良的热稳定性，在高温条件下力
学性能损失较小。这主要归因于：一方面，合金元素Ca在晶界上形成的网状/半网状共晶组织对晶界具有明显的钉扎效本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高强耐热耐损伤铝合金粉末，其特征在于，所述铝合金粉末的组成按照质量百分比计算：Mg：4.0～12％，Ca：0.50～3.0％，Sc：0.10～0.90％，Mn：0.20～1.5％，Zr：0.1～0.5％，其余为Al和不可避免引入的杂质元素。2.根据权利要求1所述的一种高强耐热耐损伤铝合金粉末的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1、配制元素组分：所述铝合金粉末的组成组分包括Mg、Ca、Sc、Mn、Zr，其余的组分为Al；步骤2、真空熔炼
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雾化制粉：将经过步骤1中配制的高强耐热铝合金粉末进行真空熔炼；经过所述真空熔炼后进行雾化制粉，即得到所述高强耐热耐损伤铝合金粉末。3.根据权利要求2所述的一种高强耐热耐损伤铝合金粉末的制备方法，其特征在于，所述步骤2中，所述真空熔炼的熔炼温度为750～850℃，真空度≤0.1Pa。4.根据权利要求2或3任一项所述的一种高强耐热耐损伤铝合金粉末的制备方法，其特征在于，所述步骤2中，所述真空气雾...

【专利技术属性】
技术研发人员：张莎莎，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：