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CN111001800A - 一种3D打印高强度Al-Cr-Sc合金 - Google Patents

一种3D打印高强度Al-Cr-Sc合金 Download PDF

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CN111001800A CN201911142494.6A CN201911142494A CN111001800A CN 111001800 A CN111001800 A CN 111001800A CN 201911142494 A CN201911142494 A CN 201911142494A CN 111001800 A CN111001800 A CN 111001800A
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Abstract

本发明公开了一种3D打印高强度Al‑Cr‑Sc合金，其中，一种3D打印高强度铝铬合金用金属粉末，其包括：以质量百分比计，所述金属粉末包括：Cr：2.5～10％、Mg：0.5～2.5％、Sc：0.1～0.9％、Zr：0.2～0.7％、Si：0.1～0.3％、Mn：0.2～0.45％、Fe：0.1～0.35％、Ti：0.1～0.25％，AlCl3粉末0.05～0.5％，CaCl2+NaCl：0.05～0.3％，余量为Al；该金属粉末的制备方法为称取Al、Cr、Mg、Sc、Zr、Si、Mn、Fe、Ti纯金属块原料加热熔炼；雾化制粉、筛分，保温干燥；加入AlCl3、CaCl2以及NaCl粉末，球磨混合即可，打印出来的铝合金零部件，无裂纹、致密度高，力学性能优越，耐磨性好、耐腐蚀性强以及抗高温氧化性优越。

Description

一种3D打印高强度Al-Cr-Sc合金
技术领域
本发明属于增材制造3D打印材料设计技术领域，具体涉及一种3D打印高强度Al-Cr-Sc合金。
背景技术
近年来，增材制造(俗称3D打印，本专利中特制激光选区熔化、激光熔化沉积两种工艺)铝合金在航空航天、轨道交通等领域受到广泛重视。这是因为：第一，铝合金的传统加工方法主要是铸造、塑性加工和焊接，难以成形形状复杂度高的构件。随着航空航天与轨道交通向轻量化发展，复杂拓扑结构设计的铝合金零件，采用传统方法难以加工，而需要采用3D打印技术加工；第二，传统铸造、塑性加工的铝合金难以制备超细晶组织的铝合金，而3D打印可以实现超细晶铝合金制造。第三，3D打印本身不仅仅是一种成形技术，还可以创造新材料，因为3D打印是一种极端非平衡制备手段，可以极大扩散溶质元素在铝合金中的固溶度，从而制备或制造亚稳铝合金材料。
但是，3D打印铝合金并不是简单地将传统牌号的铝合金作为原料，气雾化制备粉末，就能实现高质量打印。目前3D打印传统牌号铝合金面临以下几个方面的难题：(1)目前传统牌号的铝合金仅有4系的铸造AlSi合金适合3D打印，成形性也较好，3D打印铝合金大多是铝硅的一系列合金，但是其力学性能并不高(拉伸＜400MPa，延伸率＜6.5％)。(2)传统牌号铝合金如2-7系铝合金气雾化粉末的3D打印极易产生热裂纹，力学性能差。因此，需要在一定程度上抛开传统2-7系的铝合金牌号的概念，研发适合于专门3D打印的铝合金。
发明内容
本部分的目的在于概述本发明的实施例的一些方面以及简要介绍一些较佳实施例。在本部分以及本申请的说明书摘要和发明名称中可能会做些简化或省略以避免使本部分、说明书摘要和发明名称的目的模糊，而这种简化或省略不能用于限制本发明的范围。
鉴于上述的技术缺陷，提出了本发明。
因此，作为本发明其中一个方面，本发明克服现有技术中存在的不足，提供一种一种3D打印高强度Al-Cr-Sc合金。
为解决上述技术问题，本发明提供了如下技术方案：一种3D打印高强度铝铬合金用金属粉末，其包括，以质量百分比计，所述金属粉末为气雾化预合金粉，包括：Cr：4.5～6.5％、Mg：1.5～2.0％、Sc：0.5～1.2％、Zr：0.2～0.35％、Si：0.2～0.3％、Mn：0.25～0.35％、Fe：0.2～0.3％、Ti：0.15～0.2％、AlCl3粉末：0.1～0.25％,、CaCl2+NaCl：0.1～0.2％，余量为Al。
作为本发明其中一个方面，本发明克服现有技术中存在的不足，提供一种3D打印高强度铝铬合金用金属粉末的制备方法，其包括：按质量百分比称取Al、AlCr中间合金、Mg、AlSc中间合金、AlZr中间合金、AlSi中间合金、AlMn中间合金、AlFe中间合金、AlTi中间合金加热熔炼；雾化制粉、筛分，保温干燥；加入AlCl3、CaCl2以及NaCl粉末，球磨混合干燥即可；其中，以质量百分比计，所述Cr为2.5～10％，所述Mg为0.5～2.5％，所述Sc为0.1～1.8％，所述Zr为0.2～0.7％，所述Si为0.1～0.3％，所述Mn为0.2～0.45％，所述Fe为0.1～0.35％，所述Ti为0.1～0.25％，所述AlCl3为0.05～0.5％，所述CaCl2和NaCl共0.05～0.3％，余量为所述Al。
作为本发明所述的3D打印高强度铝铬合金用金属粉末的制备方法优选方案，其中：所述加热熔融，其为在真空感应炉内进行，气压为0.8MPa，熔炼温度为850℃，所述雾化制粉，其为利用氦气进行雾化制粉，雾化气压为8MPa，所述保温干燥，其为保温时间12小时，干燥温度为95℃。
作为本发明所述的3D打印高强度铝铬合金用金属粉末的制备方法优选方案，其中：所述铝铬合金中Cr元素在3D打印特有的快速冷却条件下，形成超饱和固溶体，增强铝合金基体中Cr元素的固溶含量，以此来增强铝合金的抗拉强度以及耐腐蚀能力，降低在特殊应用坏境下晶界Cr元素的偏析。使得传统熔铸工艺无法制备的Al-Cr合金在本发明中成为现实。
作为本发明所述的3D打印高强度铝铬合金用金属粉末的制备方法优选方案，其中：所述铝铬合金中Ti和Fe元素的加入，其目的在于在3D打印特有的快速冷却的条件下形成长程有序的周期结构，起到增强增韧的作用，同时，Fe元素的加入能够起到固溶强化的作用，降低合金的层错能，形成高密度的层错以及孪晶。
作为本发明所述的3D打印高强度铝铬合金用金属粉末的制备方法优选方案，其中：所述铝铬合金中加入了高含量的Mg和Mn元素，主要目的在于两个方面，第一，是为了形成超饱和固溶，极大提高固溶强度的效果；第二，是为了和Al元素形成金属间化合物来控制再结晶过程，细化晶粒，降低残余应力的产生，在很大程度上降低了合金3D打印过程中裂纹产生的敏感性。
作为本发明所述的3D打印高强度铝铬合金用金属粉末的制备方法优选方案，其中：所述铝铬合金中加入Sc和Zr元素，主要目的在于，析出的Al3(Sc,Zr)相具有良好的热稳定性以及晶粒长大抑制作用，因此可以抑制在打印过程中晶粒的长大以及熔池中大柱状晶的产生，极大的抑制了裂纹的产生和传播，起到裂纹抑制剂的作用。
作为本发明所述的3D打印高强度铝铬合金用金属粉末的制备方法优选方案，其中：所述铝铬合金不仅考虑到各元素单独的作用，还考虑到元素之间的协同作用，第一，Fe和Mn元素形成金属间化合物，在打印过程中阻碍了晶粒长大的过程；第二，Si和Mg元素形成共晶以及强化相，同时降低合金凝固温度范围，降低合金在打印过程中凝固后期开裂的敏感性等，AlCl3、CaCl2以及NaCl粉末的作用主要在于解决熔池中氧化物颗粒以及氢气孔的产生，提高合金致密度，减少氧化物。
作为本发明的另一方面，本发明提供一种3D打印高强度铝铬合金新的应用，其特征在于，利用所述金属粉末进行3D打印，在经脉冲电流进行热处理；其中，所述经脉冲电流进行热处理，其为通入脉冲电流，电流密度为230A/cm2，热处理温度为300℃，加温速度为50℃/min，保温时间为1h，在热处理过程中通入脉冲电流，可以实现低温度的热处理，保证Si、Al3Zr/Al3Sc、(Cr,Fe)Al7和(Cr,Mn)Al12等相的析出，形成析出强化和弥散强化的作用，在热处理过程中稳定晶粒尺寸。
作为本发明所述的3D打印高强度铝铬合金用金属粉末的应用的优选方案，其中：所述进行3D打印的激光参数为：打印基板预热温度为200℃；激光扫描功率为250W；激光扫描速度为650mm/s；扫描间距为0.05mm；层间厚度为0.05mm；打印零部件致密度达到99.5％，无裂纹，拉伸强度达到530MPa，延伸率达到15％，平均硬度达到157HV0.2，组织细小均匀、无裂纹、致密度高、各向异性低，具有优异的耐腐蚀性能以及抗高温氧化性能，可广泛引用于航天、汽车零部件以及环境要求严格的机械零部件的制造。
作为本发明所述的3D打印高强度铝铬合金用金属粉末元素成分设计依据，其中：
a)Cr元素的作用：在3D打印快速冷却的条件下，形成超饱和固溶体，增加铝合金基体中Cr元素的固溶含量，以此来增强铝合金的抗拉强度以及耐腐蚀能力；同时，和Fe以及Mn元素形成金属间化合物，阻碍打印过程中晶粒长大。
b)Sc和Zr元素的作用：Sc和Zr元素的加入，在打印过程中，主要起到消除织构以及细化晶粒的作用，降低了3D打印过程中裂纹产生的敏感性，同时在铝合金中形成超饱和固溶，以及析出的Al3(Sc,Zr)相具有良好的热稳定性和抑制晶粒长大作用。
c)Fe和Ti元素的作用：主要起到固溶强化的作用以及降低合金的层错能，形成高密度的层错以及孪晶，同时，由于3D打印的非平衡过程形成长程有序的周期结构，起到增韧的效果。
d)Si元素的作用：Si元素的加入可以降低合金的凝固温度范围，因此在凝固最后阶段，可以保证大量液体的存在，更容易填充晶间区间以及提高愈合初期裂纹的能力，同时也起到固溶强化以及析出弥散强化(Mg2Si强化相析出)效果。
e)Mg和Mn元素的作用：在铝铬合金中加入了高含量的Mg和Mn元素，主要目的在于两个方面，第一，是为了形成超饱和固溶，极大提高固溶强度的效果；第二，是为了和Al元素形成金属间化合物来控制再结晶过程，细化晶粒，降低裂纹的敏感性。
f)AlCl3、CaCl2以及NaCl的作用：AlCl3、CaCl2以及NaCl粉末的加入主要在于解决熔池中氧化物颗粒以及氢气孔的产生，提高合金致密度，减少氧化物。以上元素的加入是往材料强度以及降低打印过程中裂纹敏感性和消除熔池内部氧化物颗粒以及氧化物出发，同时也考虑到元素相互之间的强化，而体现出的协同增强作用。
本发明的有益效果：
第一，Cr在Al中的理论固溶度低于1.5wt％，因此传统熔炼铸造无法制备高Cr含量(超过2.5wt％)的Al-Cr固溶体合金，而本发明利用3D打印的快速凝固效应，可以较容易地制备出Al-Cr合金，其中Cr含量超过2.5wt％，使得传统熔铸工艺无法制备的Al-Cr合金在本发明中成为现实。第二，本发明通过对传统铝铬合金成分进行改善，克服了传统铝铬合金在3D打印中开裂的现象，以及力学性能差和各向异性高的缺陷；第三，通过上述制备的新的铝铬合金成份，再结合最优3D打印工艺参数，所制备的零部件经过时效后，组织细小均匀、无裂纹、致密度高、各向异性低，拉伸强度达到530MPa，平均硬度在157HV0.2以上，延伸率达到15％，同时，表现出优异的耐腐蚀性能以及抗高温氧化性能；第四，本发明中热处理采用通入脉冲电流的方式进行热处理，可以稳定保持原有的打印细晶组织，同时比传统热处理方式表现出更优的效果，析出相增多。本发明所打印的高强度铝铬合金，可广泛引用于航天、汽车零部件以及环境要求严格的机械零部件的制造。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中：
图1为实施例1制备的3D打印高强度铝铬合金粉末扫描形貌图；
图2为实施例1制备的3D打印高强度铝铬合金粉末金相图；
图3为实施例1制备的3D打印高强度铝铬合金零部件腐蚀后金相图；
图4为实施例2制备的3D打印高强度铝铬合金零部件腐蚀后金相图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合具体实施例对本发明的具体实施方式做详细的说明。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
其次，此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。
实施例1：
配制本发明所述专用于3D打印高强度铝铬合金成份，以质量百分比计，包括下述组分：Cr：4.5％、Mg：1.5％、Sc：0.65％、Zr：0.2％、Si：0.2％、Mn：0.25％、Fe：0.2％、Ti：0.15％、AlCl3粉末：0.14％；CaCl2+NaCl：0.16％，余量为Al。
上述铝合金合金粉末制备方法：
(1)原料熔炼：除AlCl3、CaCl2以及NaCl粉末以外，其它元素按比例称取中间化合物金属块原料置入真空感应炉加热熔炼，真空感应炉内气压为0.8MPa，熔炼温度为850℃。
(2)雾化制粉：将上述熔炼后的预合金金属转入雾化罐内，利用氦气进行雾化制粉，雾化气压为8MPa。
(3)粉末筛分：对上述预合金金属粉进行过目筛分处理，得到平均粒径为29.5μm的金属粉末，粒径范围为15μm～35.7μm。
(4)保温干燥：将上述筛分后的粉末置入干燥箱内，保温时间12小时，干燥温度为95℃。
AlCl3、CaCl2以及NaCl粉末最后以球磨机械混合的方式加入到以上预合金粉末中，充分球磨混合，其粉末形貌如图1和图2所示，球形度高，吸附卫星粉末少，流动性好，适合3D打印的粉末要求。
以上粉末进行3D打印的激光参数为：打印基板预热温度为200℃；激光扫描功率为250W；激光扫描速度为650mm/s；扫描间距为0.05mm；层间厚度为0.05mm。
经热处理：通入脉冲电流，电流密度为230A/cm2，热处理温度为300℃，加温速度为50℃/min，保温时间为1h；用于3D打印的铝铬合金粉末，粉末球形度好、流动性强，粉末粒径小，其粉末形貌如图1和图2所示。经电化学腐蚀后，其显微组织如图3所示，其现为组织明显，无明显裂纹，几乎无任何孔洞缺陷，致密度高；通过对零部件的力学性能测试可以发现，致密度达到99.5％，抗拉强度达到510MPa，平均硬度在166HV0.2以上，延伸率达到15％；在腐蚀性能测试中，通过测其极化曲线，相比铝硅等系列合金耐腐蚀更强，抗氧化性更优越。
实施例2：
配制本发明所述专用于3D打印高强度铝铬合金成份，以质量百分比计，包括下述组分：Cr：5％、Mg：1.7％、Sc：0.75％、Zr：0.25％、Si：0.24％、Mn：0.28％、Fe：0.24％、Ti：0.17％，AlCl3粉末：0.18％,、CaCl2+NaCl：0.17％余量为Al。
上述铝合金合金粉末制备方法：
(1)原料熔炼：除AlCl3、CaCl2以及NaCl粉末以外，其它元素按比例称取中间化合物金属块原料置入真空感应炉加热熔炼。
(2)雾化制粉：将上述熔炼后的预合金金属转入雾化罐内，利用氦气进行雾化制粉。
(3)粉末筛分：对上述预合金金属粉进行过目筛分处理，得到平均粒径为28.4μm的金属粉末，粒径范围为14μm～36.1μm。
(4)保温干燥：将上述筛分后的粉末置入干燥箱内，保温时间12小时，干燥温度为95℃。
AlCl3、CaCl2以及NaCl粉末最后以混合的方式加入到以上预合金粉末中，充分球磨混合。
以上粉末进行3D打印的激光参数为：打印基板预热温度为200℃；激光扫描功率为250W；激光扫描速度为650mm/s；扫描间距为0.05mm；层间厚度为0.05mm。
经热处理：通入脉冲电流，电流密度为230A/cm2，热处理温度为300℃，加温速度为50℃/min，保温时间为1h；经腐蚀后，其显微组织如图4所示，同样未发现裂纹以及孔洞缺陷，显微组织明显，致密度高；在致密度测试中，致密度达到99.5％，同时，具有高的抗拉强度以及良好的韧性，拉伸强度以及延伸率分别为524MPa和14％，平均硬度为180HV0.2，同时具有优越的抗氧化性以及耐腐蚀性能。
实施例3：
配制本发明所述专用于3D打印高强度铝铬合金成份，以质量百分比计，包括下述组分：Cr：6％、Mg：1.9％、Sc：0.80％、Zr：0.28％、Si：0.27％、Mn：0.3％、Fe：0.27％、Ti：0.19％、AlCl3粉末：0.22％,、CaCl2+NaCl：0.18％，余量为Al。
上述铝合金合金粉末制备方法：
(1)原料熔炼：除AlCl3、CaCl2以及NaCl粉末以外，其它元素按比例称取中间化合物金属块原料置入真空感应炉加热熔炼。
(2)雾化制粉：将上述熔炼后的预合金金属转入雾化罐内，利用氦气进行雾化制粉。
(3)粉末筛分：对上述预合金金属粉进行过目筛分处理，得到平均粒径为30.1μm的金属粉末，粒径范围为16.1μm～34.2μm。
(4)保温干燥：将上述筛分后的粉末置入干燥箱内，保温时间12小时，干燥温度为95℃。
AlCl3、CaCl2以及NaCl粉末最后以混合的方式加入到以上预合金粉末中，充分球磨混合。
以上粉末进行3D打印的激光参数为：打印基板预热温度为200℃；激光扫描功率为250W；激光扫描速度为650mm/s；扫描间距为0.05mm；层间厚度为0.05mm。
经热处理：通入脉冲电流，电流密度为230A/cm2，热处理温度为300℃，加温速度为50℃/min，保温时间为1h，致密度达到99.3％，无裂纹，拉伸强度达到535MPa，以及延伸率为14％，平均硬度为187HV0.2，具有优越的抗氧化性以及耐腐蚀性能。
实施例4：
配制本发明所述专用于3D打印高强度铝铬合金成份，以质量百分比计，包括下述组分：Cr：6.5％、Mg：2.0％、Sc：0.85％、Zr：0.33％、Si：0.3％、Mn：0.3％、Fe：0.3％、Ti：0.2％，AlCl3粉末：0.25％,、CaCl2+NaCl：0.2％余量为Al。
上述铝合金合金粉末制备方法：
(1)原料熔炼：除AlCl3、CaCl2以及NaCl粉末以外，其它元素按比例称取中间化合物金属块原料置入真空感应炉加热熔炼；
(2)雾化制粉：将上述熔炼后的预合金金属转入雾化罐内，利用氦气进行雾化制粉；
(3)粉末筛分：对上述预合金金属粉进行过目筛分处理，得到平均粒径为29.1μm的金属粉末，粒径范围为14.8μm～34.6μm。
(4)保温干燥：将上述筛分后的粉末置入干燥箱内，保温时间12小时，干燥温度为95℃。
AlCl3、CaCl2以及NaCl粉末最后以混合的方式加入到以上预合金粉末中，充分球磨混合。
以上粉末进行3D打印的激光参数为：打印基板预热温度为200℃；激光扫描功率为250W；激光扫描速度为650mm/s；扫描间距为0.05mm；层间厚度为0.05mm。
经热处理：通入脉冲电流，电流密度为230A/cm2，热处理温度为300℃，加温速度为50℃/min，保温时间为1h，致密度达到99.6％，无裂纹，拉伸强度达到540MPa，以及延伸率为15％，平均硬度为188HV0.2，具有优越的抗氧化性以及耐腐蚀性能。
实施例5：
将实施例3中Cr和Mg的含量分别调整为1.5wt％和0.2wt％，其余制备条件均与实施例3相同，测得产物其抗拉强度为350MPa，延伸率7％，有许多裂纹产生，致密度降低，微量元素的作用失去效果，其硬度降低到95HV0.2。
实施例6：
将实施例3中Cr和Mg的含量分别调整为15wt％和4wt％，其余制备条件均与实施例3相同，测得产物其抗拉强度为405MPa，延伸率8％，有裂纹产生，致密度低，其硬度为104HV0.2。
实施例7：
将实施例3中AlCl3和CaCl2+NaCl的含量分别调整为0.01wt％和0.02wt％，其余制备条件均与实施例3相同，测得产物其抗拉强度为514MPa，在显微组织观察中，熔池内部出现黑色氧化物颗粒，并且伴随少量的氢气孔，致密度降低。
实施例8：
选用实施例3中原料配比，将打印参数中激光功率调整为100W，，其余制备条件均与实施例3相同，打印零部件表面附有大量球形粉末，并且粗糙度大；在金相观察中，同样发现大量未融金属粉末颗粒，在熔池中有裂纹出现，力学性能较差。
实施例9：
选用实施例3中原料配比，将打印参数中激光功率调整为500W，其余制备条件均与实施例3相同；在金相显微组织观察中，发现熔池内部出现球形氢气孔以及挥发的元素气孔，并且由于激光功率高，导致黑色氧化物生成；在拉伸试验中，测得零部件抗拉强度为320MPa，延伸率5％，有裂纹产生，致密度低，其硬度为98HV0.2，通过对力学性能的对比，因此根据最优选择打印合适参数。
实施例10：
选用实施例3中原料配比，将热处理温度调为150℃，电流密度由于不可变，依旧保持原先参数，其余制备条件均与实施例3相同，有少量硬质相析出，测得零部件抗拉强度为490MPa，延伸率10％，其硬度为140HV0.2。
实施例11：
选用实施例3中原料配比，将热处理温度调为400℃，电流密度由于不可变，依旧保持原先参数，其余制备条件均与实施例3相同，在显微组织观察中，发现析出相以及晶粒变大，测得零部件抗拉强度为530MPa，延伸率11％，其硬度为164HV0.2，相比最优热处理温度力学性能有所下降，因此采用300℃作为通电后最佳热处理温度。
表1为所有实施例中各项力学性能统计表
Figure BDA0002281329980000101
本发明铝铬合金中Cr元素在3D打印特有的快速冷却条件下，形成超饱和固溶体，增强铝合金基体中Cr元素的固溶含量，以此来增强铝合金的抗拉强度以及耐腐蚀能力，降低在特殊应用坏境下晶界Cr元素的偏析，比如在飞机等发动机高温环境下以及热带海洋环境中零部件的晶间腐蚀，使得传统熔铸工艺无法制备的Al-Cr合金在本发明中成为现实；和Fe以及Mn元素形成金属间化合物，阻碍打印过程中晶粒长大；Ti和Fe元素的加入，其目的在于在3D打印特有的快速冷却的条件下形成长程有序的周期结构，起到增强增韧的作用，同时，Fe元素的加入能够起到固溶强化的作用，降低合金的层错能，形成高密度的层错以及孪晶；在铝铬合金中加入了高含量的Mg和Mn元素，主要目的在于两个方面，第一，是为了形成超饱和固溶，极大提高固溶强度的效果；第二，是为了和Al元素形成金属间化合物来控制再结晶过程，细化晶粒，降低残余应力的产生，在很大程度上降低了合金3D打印过程中裂纹产生的敏感性；由于3D打印特殊加工过程，后一层的打印会对前一层做一次热处理，因此在铝铬合金中加入Sc和Zr元素，主要目的在于，在铝合金中形成超饱和固溶，析出的Al3(Sc,Zr)相具有良好的热稳定性以及晶粒长大抑制作用，因此可以抑制在打印过程中晶粒的长大以及熔池中大柱状晶的产生，起到消除织构以及细化晶粒的作用，极大的抑制了裂纹的产生和传播，起到裂纹抑制剂的作用。
该合金配方不仅考虑到各元素单独的作用，还挖掘到元素之间的协同作用，第一，Fe和Mn元素形成金属间化合物，在打印过程中阻碍了晶粒长大的过程；第二，Si元素的加入可以降低合金的凝固温度范围，因此在凝固最后阶段，可以保证大量液体的存在，更容易填充晶间区间以及提高愈合初期裂纹的能力，同时也起到固溶强化以及析出弥散强化(Mg2Si强化相析出)效果；Si和Mg元素形成共晶以及强化相，同时降低合金凝固温度范围，降低合金在打印过程中凝固后期开裂的敏感性等；AlCl3、CaCl2以及NaCl粉末的作用主要在于解决熔池中氧化物颗粒以及氢气孔的产生，提高合金致密度，减少氧化物产生。以上元素的加入是往材料强度以及降低打印过程中裂纹敏感性和消除熔池内部氧化物颗粒以及氧化物出发，同时也考虑到元素相互之间的强化，而体现出的协同增强作用。
综上所述，通过在铝铬合金中添加合适百分比的Mg、Sc、Zr、Si、Mn、Fe、Ti、AlCl3以及CaCl2+NaCl等微量元素，使得3D打印的铝铬合金开裂的敏感性极大降低，同时，由于3D打印的特殊成型机制，使得铝铬合金中的元素更适用于3D打印专用，打印后的零部件力学性能优越，组织细小均匀、无裂纹、致密度高、各向异性低，最高抗拉强度达到570MPa，最高延伸率达到15％，平均硬度达到188HV0.2，有良好的耐腐蚀性以及抗高温氧化性能。本发明所打印的高强度铝铬合金，可广泛引用于航天、汽车零部件以及环境要求严格的机械零部件的制造。
本发明进一步优选了热处理方式，在热处理过程中通入脉冲电流，可以实现低温度的热处理，电流密度为230A/cm2，热处理温度为300℃，加温速度为50℃/min，保温时间为1h，可以稳定保持原有的打印细晶组织，同时比传统热处理方式表现出更优的效果，析出相增多。3D打印后的零部件经过时效以及淬火后得到最终产品。在本发明中，进行后续热处理的目的在于，选择最优热处理方式，保证Si、Al3Zr/Al3Sc、(Cr,Fe)Al7和(Cr,Mn)Al12等相的析出，形成析出强化和弥散强化的作用，在热处理过程中稳定晶粒尺寸。
本发明颠覆传统思路，利用3D打印的极端快速非平衡凝固的特征创造新材料，可以较容易地制备出Al-Cr合金，其中Cr含量超过2.5～3.5wt％。。激光3D打印的Al-Cr合金中，激光快速凝固可以使Cr完全固溶于Al基体中，极大提高Cr在Al中的固溶度而不析出。通过在铝铬合金中添加合适百分比的Mg、Sc、Zr、Si、Mn、Fe、Ti、AlCl3以及CaCl2+NaCl等微量元素，使得3D打印的铝铬合金开裂的敏感性极大降低，同时，由于3D打印的特殊成型机制，使得铝铬合金中的元素更适用于3D打印专用，打印后的零部件力学性能优越，组织细小均匀、无裂纹、致密度高、各向异性低，最高抗拉强度达到565MPa，最高延伸率达到15％，平均硬度达到187HV0.2，有良好的耐腐蚀性以及抗高温氧化性能。本发明的3D打印Al-Cr合金体系相比现在成熟的3D打印Al-Si合金体系具有更高的力学强度以及优越的耐腐蚀性能，并且所设计的成分专用于3D打印成型，打印出来的铝合金零部件，无裂纹、致密度高，通过最佳的热处理后力学性能优越，耐磨性好、耐腐蚀性强以及抗高温氧化性优越。本发明所打印的高强度铝铬合金，可广泛引用于航天、汽车零部件以及环境要求严格的机械零部件的制造。
本发明提出采用激光3D打印快速凝固制备超饱和固溶的Al-Cr合金，极大提高Cr在Al中的固溶度。本发明的颠覆之处在于：Cr在Al中的理论固溶度低于1.5wt％，因此传统熔炼铸造无法制备高Cr含量(超过2.5wt％)的Al-Cr固溶体合金，而本发明利用3D打印的快速凝固效应，可以较容易地制备出Al-Cr合金，其中Cr含量超过2.5wt％。本发明的3D打印Al-Cr合金体系相比现在成熟的3D打印Al-Si合金体系具有更高的力学强度以及优越的耐腐蚀性能，并且所设计的成分专用于3D打印成型，打印出来的铝合金零部件，无裂纹、致密度高，通过最佳的热处理后力学性能优越，耐磨性好、耐腐蚀性强以及抗高温氧化性优越。
应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种3D打印高强度Al-Cr-Sc合金用金属粉末，其特征在于：
以质量百分比计，所述金属粉末为气雾化预合金粉，包括：Cr：2.5～10％、Mg：0.5～2.5％、Sc：0.1～1.8％、Zr：0.2～0.7％、Si：0.1～0.3％、Mn：0.2～0.45％、Fe：0.1～0.35％、Ti：0.1～0.25％、AlCl3粉末0.05～0.5％、CaCl2+NaCl：0.05～0.3％，余量为Al。
2.一种3D打印高强度铝铬合金用金属粉末的制备方法，其特征在于：
按质量百分比称取Al、AlCr中间合金、Mg、AlSc中间合金、AlZr中间合金、AlSi中间合金、AlMn中间合金、AlFe中间合金、AlTi中间合金加热熔炼；
雾化制粉、筛分，保温干燥；
加入AlCl3、CaCl2以及NaCl粉末，球磨混合即可；
其中，以质量百分比计，所述Cr为2.5～10％，所述Mg为0.5～2.5％，所述Sc为0.1～1.8％，所述Zr为0.2～0.7％，所述Si为0.1～0.3％，所述Mn为0.2～0.45％，所述Fe为0.1～0.35％，所述Ti为0.1～0.25％，所述AlCl3为0.05～0.5％，所述CaCl2和NaCl共0.05～0.3％，余量为所述Al。
3.如权利要求2所述的3D打印高强度铝铬合金用金属粉末的制备方法，其特征在于：所述加热熔融，其为在真空感应炉内进行，气压为0.8MPa，熔炼温度为850℃，所述雾化制粉，其为利用氦气进行雾化制粉，雾化气压为8MPa，所述保温干燥，其为保温时间12小时，干燥温度为95℃。
4.如权利要求2或3所述的3D打印高强度铝铬合金用金属粉末的制备方法，其特征在于：所述铝铬合金中Cr元素在3D打印特有的快速冷却条件下，形成超饱和固溶体，增强铝合金基体中Cr元素的固溶含量，以此来增强铝合金的抗拉强度以及耐腐蚀能力，降低在特殊应用坏境下晶界Cr元素的偏析。使得传统熔铸工艺无法制备的Al-Cr合金在本发明中成为现实。
5.如权利要求2或3所述的3D打印高强度铝铬合金用金属粉末的制备方法，其特征在于：所述铝铬合金中Ti和Fe元素的加入，其目的在于在3D打印特有的快速冷却的条件下形成长程有序的周期结构，起到增强增韧的作用，同时，Fe元素的加入能够起到固溶强化的作用，降低合金的层错能，形成高密度的层错以及孪晶。
6.如权利要求2或3所述的3D打印高强度铝铬合金用金属粉末的制备方法，其特征在于：所述铝铬合金中加入了高含量的Mg和Mn元素，主要目的在于两个方面，第一，是为了形成超饱和固溶，极大提高固溶强度的效果；第二，是为了和Al元素形成金属间化合物来控制再结晶过程，细化晶粒，降低残余应力的产生，在很大程度上降低了合金3D打印过程中裂纹产生的敏感性。
7.如权利要求2或3所述的3D打印高强度铝铬合金用金属粉末的制备方法，其特征在于：所述铝铬合金中加入Sc和Zr元素，主要目的在于，析出的Al3(Sc,Zr)相具有良好的热稳定性以及晶粒长大抑制作用，因此可以抑制在打印过程中晶粒的长大以及熔池中大柱状晶的产生，极大的抑制了裂纹的产生和传播，起到裂纹抑制剂的作用。
8.如权利要求2或3所述的3D打印高强度铝铬合金用金属粉末的制备方法，其特征在于：所述铝铬合金不仅考虑到各元素单独的作用，还考虑到元素之间的协同作用，第一，Fe和Mn元素形成金属间化合物，在打印过程中阻碍了晶粒长大的过程；第二，Si和Mg元素形成共晶以及强化相，同时降低合金凝固温度范围，降低合金在打印过程中凝固后期开裂的敏感性等，AlCl3、CaCl2以及NaCl粉末的作用主要在于解决熔池中氧化物颗粒以及氢气孔的产生，提高合金致密度，减少氧化物。
9.一种权利要求1～3任一所述的3D打印高强度铝铬合金用金属粉末的应用，其特征在于：利用所述金属粉末进行3D打印，在经脉冲电流进行热处理；其中，所述经脉冲电流进行热处理，其为通入脉冲电流，电流密度为230A/cm2，热处理温度为300℃，加温速度为50℃/min，保温时间为1h，在热处理过程中通入脉冲电流，可以实现低温度的热处理，保证Si、Al3Zr/Al3Sc、(Cr,Fe)Al7和(Cr,Mn)Al12等相的析出，形成析出强化和弥散强化的作用，在热处理过程中稳定晶粒尺寸。
10.如权利要求9所述的3D打印高强度铝铬合金用金属粉末的应用，其特征在于：所述进行3D打印的激光参数为：打印基板预热温度为200℃；激光扫描功率为250W；激光扫描速度为650mm/s；扫描间距为0.05mm；层间厚度为0.05mm；
打印零部件致密度达到99.5％，无裂纹，拉伸强度达到530MPa，延伸率达到15％，平均硬度达到157HV0.2，组织细小均匀、无裂纹、致密度高、各向异性低，具有优异的耐腐蚀性能以及抗高温氧化性能，可广泛引用于航天、汽车零部件以及环境要求严格的机械零部件的制造。
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