一种新型高强韧耐腐蚀铝合金的材料基因设计方法与激光增材制造制备方法技术

本发明专利技术公开了一种新型高强韧耐腐蚀铝合金的材料基因设计方法与激光增材制造制备方法。本发明专利技术成功构建了材料基因设计具有强韧性与耐蚀性铝合金成分数据库，设计出了既具有高强韧性又具有良好耐蚀性的AlMgZnCuErZr新型铝合金粉末。在639

【技术实现步骤摘要】
一种新型高强韧耐腐蚀铝合金的材料基因设计方法与激光增材制造制备方法


[0001]本专利技术属于激光增材制造高性能铝合金
，具体涉及一种新型高强韧耐腐蚀AlMgZnCuErZr铝合金的材料基因设计方法与激光增材制造制备方法。

技术介绍

[0002]激光增材制造技术因其可以快速制备具有复杂几何形状的零件、减少多组件的连接，在保证高质量的同时达到结构减重的效果，所以近几年来被广泛应用于航空航天、交通及机械等领域相关核心零件的制造与再制造。随着新材料、新工艺及新装备的快速发展，激光增材制造技术已经向材料高强韧化、结构轻量化、制备过程智能化、成形产品高性能低成本化等方向快速发展。特别是针对上述应用领域装备大型复杂结构关键零件的激光增材制造，例如高铁制动盘、火箭燃油喷嘴、飞机薄壁结构进气道等部件的制造，对轻量化、高导热、高精度、高承载能力结构新型铝合金材料与先进成形工艺技术及高强韧性组织性能调控技术等的需求越来越高。因此，研究激光增材制造用轻量化、高强韧及耐腐蚀的新型铝合金材料及其先进成形技术已经成为新的重点研究课题之一。
[0003]目前，关于激光增材制造铝合金的高强韧及耐腐蚀研究方面已经取得了若干重要进展，主要是通过调整铝合金相种类、形貌及数量的方式来调控综合性能。如应用较广的AlSi10Mg合金，其凝固范围较小(约50℃)、打印时不容易开裂和变形，形成的网状共晶Si及Mg2Si产生沉淀强化，使其抗拉强度约为480MPa、屈服强度约为260MPa，但是韧性不足。稀有元素改性的AlMgScZr合金，因成分多元化使其具有了良好的激光打印性(凝固范围约55℃)。将AlMgScZr与AlSi10Mg进行比较发现前者的强韧性优于后者。这是因为前者形成的Al3(Sc1‑
x
,Zr
x
)沉淀相钉扎在晶界有效阻碍位错滑动，使其具有良好的加工淬透性、焊接特性和强韧特性。但是由于Sc价格过于昂贵，所以增强相含量受限，强韧性难以进一步提升。所以具有多元成分的高强铝合金的激光增材制造成为新的突破点。
[0004]然而目前研究表明激光增材制造高强铝合金如AlCuMg、AlZnMgCu拥有较大的凝固区间(大于100℃)，在增材制造的快速熔化和凝固过程中会产生粗大的柱状晶或热裂纹等缺陷，强韧性匹配难以满足应用要求。即使经传统的铸造、冷压、热轧、热压等工艺制备后的高强铝合金也同样存在强韧性调控问题，如AlCuMg韧性好强度低，AlZnMgCu强度好韧性不足，变形能力较差，难以突破屈服强度高于400MPa、韧性达到35MPa
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的强韧性匹配。此外激光增材制造铝合金的强韧性与耐腐蚀性也难以兼顾，如提升激光增材制造铝合金的强度的Al3Mg2、Al2Cu、Al2CuMg、MgZn2等析出相会与合金基体之间形成微小电池，促发合金发生电化学腐蚀，降低合金耐腐蚀性。基于以上研究总结出，现阶段满足激光增材制造可打印性的铝合金材料种类较少；其强韧性匹配研究存在瓶颈；兼具强韧性与耐腐蚀性的激光增材制造铝合金设计与制备研究难以突破。因此，创新研究能够满足激光增材制造非平衡冶金特点，兼具强韧性、耐腐蚀性、低成本的新型铝合金粉末，才能为制动盘等高性能零件的制备奠定基础。

技术实现思路

[0005]鉴于上述现有技术中存在的为攻克上述非平衡凝固铝合金易开裂成分设计难题及承载类铝合金结构件的轻量化、高强韧、耐腐蚀材料性能需求，本专利技术的目的在于提供一种激光增材制造高强韧耐腐蚀新型AlMgZnCuErZr铝合金的基因设计与制备方法。具体包括采用“材料基因设计”方法按照“强韧耐蚀性能
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关键基因相
‑
多元成分”的设计思路，选用增强的T
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Mg
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(AlZnCu)
49
和Mg2Si，增韧的α
‑
Al、Al3Zr及Al3(Er,Zr)，及耐腐蚀的A16Mn作为新型铝合金材料关键基因相，通过建立理论预测模型，利用计算机算法和热力学理论对铝合金成分进行优化，构建出激光增材制造用新型高强韧耐腐蚀的AlMgZnCuErZr铝合金粉末成分。优化激光熔覆工艺参数制备出拥有三基因相的兼具良好激光打印性、强韧性与耐腐蚀性的铝合金样品，阐明增强基因、增韧基因、耐腐蚀基因对激光熔覆铝合金性能的影响机理，专利技术“材料基因设计
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激光工艺制备
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组织性能调控”一体化先进技术。通过调控激光能量密度控制基因相比例从而调控新型铝合金的性能，使其突破抗压强度大于550MPa，韧性大于35MPa
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及腐蚀电位高于
‑
0.8V的技术指标。
[0006]为实现上述目的，本专利技术采用以下技术方案：
[0007]本专利技术的第一方面，提供一种激光增材制造用高强韧耐蚀铝合金粉末成分的材料基因设计方法，其特征在于：包括如下步骤：
[0008](1)定义关键基因相，所述关键基因相包括关键增强基因相、关键增韧基因相和关键耐腐蚀基因相，所述关键增强基因相为T
‑
Mg
32
(AlZnCu)
49
、Al3Zr及Al3(Er,Zr)；所述关键增韧基因相为α
‑
Al，所述关键耐腐蚀基因相为Al6Mn；
[0009](2)根据所定义的关键基因相，确定作为铝合金成分的第一候选成分，所述第一候选成分按质量百分含量由以下金属元素组成：Mg：0
‑
14.1％、Zn：0
‑
9％、Cu：0
‑
6.8％、Mn：0
‑
2％、Si:0
‑
6.5％、Er：0
‑
0.66％、Zr：0
‑
0.44；
[0010](3)根据所述各金属元素的含量设置变化量，建立以由不同含量的各金属元素组成的铝合金成分为基本单位数据的第一数据库；
[0011](4)根据筛选标准，对所述第一数据库的数据进行筛选，获得第二数据库；
[0012](5)根据溶质浓度、析出相体积分数及凝固区间作为参数，对所述第二数据库中不同铝合金成分的固溶强化因子、析出强化因子及凝固区间进行计算并建立以固溶强化因子、析出强化因子及凝固区间为坐标轴的三维模型，获得铝合金粉末成分；
[0013]其中，在步骤(4)中，所述筛选标准为：Cu/Mg<0.5、Zn/Mg<1、Si＝0.4
‑
0.6％、Er＝0.5
‑
0.7％及Zr＝0.3
‑
0.5％。
[0014]在步骤(5)中，所述溶质浓度为Mg、Zn及Cu的浓度，所述析出相体积分数为所述α
‑
Al、T
‑
Mg
32
(AlZnCu)
49
、Al6Mn、Al3Zr及Al3(Er,Zr)的体积分本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种激光增材制造用高强韧耐蚀铝合金粉末成分的材料基因设计方法，其特征在于：包括如下步骤：(1)定义关键基因相，所述关键基因相包括关键增强基因相、关键增韧基因相和关键耐腐蚀基因相，所述关键增强基因相为T
‑
Mg
32
(AlZnCu)
49
、Al3Zr及Al3(Er,Zr)；所述关键增韧基因相为α
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Al，所述关键耐腐蚀基因相为Al6Mn；(2)根据所定义的关键基因相，确定作为铝合金成分的第一候选成分，所述第一候选成分按质量百分含量由以下金属元素组成：Mg：0
‑
14.1％、Zn：0
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9％、Cu：0
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6.8％、Mn：0
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2％、Si:0
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6.5％、Er：0
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0.66％、Zr：0
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0.44；(3)根据所述各金属元素的含量设置变化量，建立以由不同含量的各金属元素组成的铝合金成分为基本单位数据的第一数据库；(4)根据筛选标准，对所述第一数据库的数据进行筛选，获得第二数据库；(5)根据溶质浓度、析出相体积分数及凝固区间作为参数，对所述第二数据库中不同铝合金成分的固溶强化因子、析出强化因子及凝固区间进行计算并建立以固溶强化因子、析出强化因子及凝固区间为坐标轴的三维模型，获得铝合金粉末成分；其中，在步骤(4)中，所述筛选标准为：Cu/Mg<0.5、Zn/Mg<1、Si＝0.4
‑
0.6％、Er＝0.5
‑
0.7％及Zr＝0.3
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0.5％。在步骤(5)中，所述溶质浓度为Mg、Zn及Cu的浓度，所述析出相体积分数为所述α
‑
Al、T
‑
Mg
32
(AlZnCu)
49
、Al6Mn、Al3Zr及Al3(Er,Zr)的体积分数，所述凝固区间为0
‑
200℃，所述固溶强化因子为Mg、Zn及Cu的固溶强化效果之和，所述析出强化因子为所述α
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Al、T
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Mg
32
(AlZnCu)
49
、Al6Mn、Al3Zr及Al3(Er,Zr)的析出强化效果之和。2.根据权利要求1所述的激光增材制造用高强韧耐蚀铝合金粉末成分的材料基因设计方法，其特征在于：所述Mg、Zn及Cu的浓度分别为0
‑
20at.％、0
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3.3at.％及0
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0.78at.％，所述α
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Al、T
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Mg
32
(AlZnCu)
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、Al6Mn、Al3Zr及Al3(Er,Zr)的体积分数分别为50
‑
85wt.％、0
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40wt.％、0
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10wt.％、0
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1wt.％及0
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1wt.％，所述固溶强化因子的取值范围为0...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈岁元，王悦，张有才，方芷晴，梁京，崔彤，
申请(专利权)人：东北大学，
类型：发明
国别省市：