【技术实现步骤摘要】
本专利技术设计一种高强韧铝合金材料，具体涉及一种固溶强化型al-mg2si-mg系合金材料及其制备方法和应用，属于新材料制备。
技术介绍
1、铝合金是目前应用最广泛的金属结构材料因其优良的强重、刚度重量比以及良好的可加工性，被广泛应用于航空航天工业结构部件的制造。当使用传统的减法制造方法时，许多航空航天部件的几何复杂性可能导致制造方面的挑战。然而，增材制造工艺由于待制造的部件体积低、价值高和几何复杂性，适合在这一领域得到应用。激光粉末床熔融技术(lpbf)已经成为最广泛的am技术之一，并从一种快速原型技术发展成为一种成熟的工业现实。lpbf已应用于多种工程合金的生产，如钢、钛、镍和铝合金。铝合金通常存在反射率高、导热系数高、氧化倾向强、凝固范围宽等生产相关问题导致试样产生周期的裂纹、缩孔等缺陷，使得商用铝合金的种类比较有限。
2、目前能够稳定打印成形的主要是具有近共晶成分、高流动性好和热撕裂敏感性低的铸造al-si合金。但是其合金强度大多达只能达到400～500mpa，无法满足工业对铝合金高强韧的需求。相比之下，一些沉淀硬化合金(如2xxx，7xxx)可以提供更高的强化潜力，但往往具有较大的液相线-固相线温度范围和高的开裂敏感率，导致成形性能差。此外非热处理锻造合金(如1xxx、3xxx、5xxx)主要通过固溶硬化和冷加工实现较高的强度。然而，由于在lpbf中通常不可能进行冷加工，而且这些合金在打印期间也可能容易开裂。这些沉淀硬化合金和非热处理锻造合金需要添加sc、zr等贵金属或者tib2、sic等陶瓷颗粒来提高其成
技术实现思路
1、针对现有技术中存在的问题，本专利技术的第一个目的在于提供一种固溶强化的al-mg2si-mg系合金材料，该合金材料采用al-mg2si粉末和al-mg粉末进行混合，基于mg元素固溶强化作用以及mg和mg2si提高合金生长限制因子的作用，大幅细化合金材料的晶粒大小形成抗裂纹体系，从而在保证合金材料力学性能的同时，实现了材料良好的成形性。
2、本专利技术的第二个目的在于提供一种固溶强化al-mg2si-mg系合金材料的制备方法，该方法采用不同粒径的al-mg2si粉末和al-mg粉末，基于原料间各组分的协同作用，充分利用增材制造快速凝固的特性，进一步通过调节工艺参数来控制材料的成形性和力学性能，从而实现了高强韧合金的快速成型。
3、本专利技术的第三个目的在于提供一种固溶强化al-mg2si-mg系合金材料的应用，用于制备航空航天复杂零部件。本专利技术所提供的合金材料基于mg元素的固溶强化以及mg和mg2si细化晶粒的细晶强化，无需额外添加贵金属元素和其他强化元素，就能够实现合金的高致密性和强韧性，经测试，本专利技术所提供的合金材料相对密度为99.9％，良好的成形性，最大抗拉强度为540mpa，屈服强度为396mpa，延伸率为10.8％，满足航空航天复杂零部件的要求。
4、为实现上述技术目的，本专利技术提供了一种固溶强化型al-mg2si-mg系合金材料的制备方法，将包括al-mg2si合金粉末和al-mg粉末在内的原料混合均匀后，经3d打印成型，即得；所述al-mg2si合金粉末的粒径为20～60μm，al-mg粉末的粒径为10～40μm；所述al-mg粉末与al-mg2si合金粉末的质量比为1：1～50；所述al-mg2si-mg系合金材料特征组织包括由mg2si和mg组成的细小等轴胞状组织。
5、本专利技术所提供的制备方法采用不同粒径的al-mg2si粉末和al-mg粉末，基于原料间各组分的协同作用，充分利用增材制造快速凝固的特性，进一步通过调节工艺参数来控制材料的成形性和力学性能，从而实现了高强韧合金的快速成型。
6、本专利技术所采用的原料粒径要严格按照上述要求执行，若al-mg2si粉末和al-mg粒径过大，易发生黏附团聚，会导致打印所得的金属样品的表面粗糙度变高，降低成形性。
7、本专利技术所采用的原料间的比例要严格按照上述要求执行，若al-mg的添加比例过小时，会导致合金中固溶mg元素减少，固溶强化的效果大大降低，此外晶粒细化的效果也会降低，导致较低的力学性能。当al-mg的添加比例过大时，会导致产生合金的裂纹敏感性增加，降低合金的成形性。
8、作为一项优选的方案，所述al-mg2si合金粉末的质量百分比组分为：6～12％mg2si，余量为al。
9、作为一项优选的方案，所述al-mg合金粉末的质量百分比组分为：5～15％mg，余量为al。
10、作为一项优选的方案，所述al-mg2si合金粉末与al-mg粉末的纯度≥99.9％。
11、作为一项优选的方案，所述al-mg2si-mg系合金材料的原料还包括ca。
12、作为一项优选的方案，所述ca的含量为合金材料总质量百分比的0.5～1％。ca元素可通过ca单质或al2ca引入，ca元素的存在可大幅减少打印过程中mg的挥发，进一步降低生产成本。
13、作为一项优选的方案，所述al-mg2si合金粉末的粒径大于或等于al-mg粉末的粒径。
14、作为一项优选的方案，所述al-mg粉末与al-mg2si合金粉末的质量比为1：5～20，al-mg2si合金粉末中mg2si含量为7～10％时，al-mg合金粉末中mg含量为8～12％时，3d打印成型的主要工艺参数为：主体激光功率270～310w，扫描速度600～1000mm/s；扫描间距0.11～0.15mm，铺粉厚度0.03～0.05mm，扫描区域宽度8～12mm，基板温度为90～110℃。
15、作为一项优选的方案，所述al-mg粉末与al-mg2si合金粉末的质量比为1：8，al-mg2si合金粉末中mg2si含量为8％，al-mg合金粉末中mg含量为10％时，3d打印成型的主要工艺参数为：主体激光功率290w，扫描速度为800mm/s，扫描间距0.12mm，铺粉厚度0.04mm，扫描区域宽度10mm，基板温度为100℃。
16、在本专利技术所提供的al-mg与al-mg2si的质量比范围内，随着mg含量的增加，合金的晶粒细化效果更好，更容易抗裂，因此所选择的激光功率较低，扫描速度较大，扫描间距也较大，从而激光能量密度低，成形性较好；而随着al-mg2si中mg2si含量增加，所需激光能量密度高，因此激光功率较大，扫描速度较小，扫描间距较小，成形性才会好，因此不同的al-mg和mg2si含量的工艺参数选择应该严格按照本专利技术的要求。
17、本专利技术还提供了一种固溶强化型al-mg2si-mg系合金材料，由上述任意一项所述的制备方法制得。
18、作为一项优选的方案，所述合金材料中的mg元素以固溶形式进入α-al基体和胞状组织中。mg2si和mg组成的细小等轴胞状组织能够起到细晶强化作用。而大部分mg元素以固溶形式存在，起到固本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种固溶强化型Al-Mg2Si-Mg系合金材料的制备方法，其特征在于：将包括Al-Mg2Si合金粉末和Al-Mg粉末在内的原料混合均匀后，经3D打印成型，即得；所述Al-Mg2Si合金粉末的粒径为20～60μm，Al-Mg粉末的粒径为10～40μm；所述Al-Mg粉末与Al-Mg2Si合金粉末的质量比为1：1～50；
2.根据权利要求1所述的一种固溶强化型Al-Mg2Si-Mg系合金材料的制备方法，其特征在于：所述Al-Mg2Si合金粉末的质量百分比组分为：6～12％Mg2Si，余量为Al；所述Al-Mg合金粉末的质量百分比组分为：5～15％Mg，余量为Al；所述Al-Mg2Si合金粉末与Al-Mg粉末的纯度≥99.9％。
3.根据权利要求1所述的一种固溶强化型Al-Mg2Si-Mg系合金材料的制备方法，其特征在于：所述Al-Mg2Si-Mg系合金材料的原料还包括Ca；所述Ca的含量为合金材料总质量百分比的0.5～1％。
4.根据权利要求1所述的一种固溶强化型Al-Mg2Si-Mg系合金材料的制备方法，其特征在于：所述Al-Mg2Si合金粉
5.根据权利要求2所述的一种固溶强化型Al-Mg2Si-Mg系合金材料的制备方法，其特征在于：所述Al-Mg粉末与Al-Mg2Si合金粉末的质量比为1：5～20，Al-Mg2Si合金粉末中Mg2Si含量为7～10％时，Al-Mg合金粉末中Mg含量为8～12％时，3D打印成型的主要工艺参数为：主体激光功率270～310W，扫描速度600～1000mm/s；扫描间距0.11～0.15mm，铺粉厚度0.03～0.05mm，扫描区域宽度8～12mm，基板温度为90～110℃。
6.根据权利要求5所述的一种固溶强化型Al-Mg2Si-Mg系合金材料的制备方法，其特征在于：所述Al-Mg粉末与Al-Mg2Si合金粉末的质量比为1：8，Al-Mg2Si合金粉末中Mg2Si含量为8％，Al-Mg合金粉末中Mg含量为10％时，3D打印成型的主要工艺参数为：主体激光功率290W，扫描速度为800mm/s，扫描间距0.12mm，铺粉厚度0.04mm，扫描区域宽度10mm，基板温度为100℃。
7.一种固溶强化型Al-Mg2Si-Mg系合金材料，其特征在于：由权利要求1～6任意一项所述的制备方法制得。
8.根据权利要求7所述的一种固溶强化型Al-Mg2Si-Mg系合金材料，其特征在于：所述合金材料中的Mg元素以固溶形式进入α-Al基体和胞状组织中。
9.根据权利要求7所述的一种固溶强化型Al-Mg2Si-Mg系合金材料，其特征在于：所述合金材料的生长限制因子为24～49K。
10.权利要求7～9任意一项所述的一种固溶强化型Al-Mg2Si-Mg系合金材料的应用，其特征在于：用于制备一体式航空航天器零部件。
...【技术特征摘要】
1.一种固溶强化型al-mg2si-mg系合金材料的制备方法，其特征在于：将包括al-mg2si合金粉末和al-mg粉末在内的原料混合均匀后，经3d打印成型，即得；所述al-mg2si合金粉末的粒径为20～60μm，al-mg粉末的粒径为10～40μm；所述al-mg粉末与al-mg2si合金粉末的质量比为1：1～50；
2.根据权利要求1所述的一种固溶强化型al-mg2si-mg系合金材料的制备方法，其特征在于：所述al-mg2si合金粉末的质量百分比组分为：6～12％mg2si，余量为al；所述al-mg合金粉末的质量百分比组分为：5～15％mg，余量为al；所述al-mg2si合金粉末与al-mg粉末的纯度≥99.9％。
3.根据权利要求1所述的一种固溶强化型al-mg2si-mg系合金材料的制备方法，其特征在于：所述al-mg2si-mg系合金材料的原料还包括ca；所述ca的含量为合金材料总质量百分比的0.5～1％。
4.根据权利要求1所述的一种固溶强化型al-mg2si-mg系合金材料的制备方法，其特征在于：所述al-mg2si合金粉末的粒径大于或等于al-mg粉末的粒径。
5.根据权利要求2所述的一种固溶强化型al-mg2si-mg系合金材料的制备方法，其特征在于：所述al-mg粉末与al-mg2si合金粉末的质量比为1：5～20，al-mg2si合金粉末中mg2si含量为7～...
【专利技术属性】
技术研发人员：杨海林，文涛，汪建英，杨飞鹏，罗懿谋，朱梦真，冀守勋，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：
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