CN112853168A - 一种AlSi10Mg粉末及激光选区熔化制造工艺 - Google Patents

Abstract

本发明属于增材制造技术领域，具体涉及一种AlSi10Mg粉末及激光选区熔化制造工艺。以原子百分比计，所述AlSi10Mg粉末中包含0.02～0.2at％的Er和0.02％～0.08at％的Zr。该AlSi10Mg粉末，采用SLM技术制备新型AlSi10Mg合金，SLM成形试样相对密度达到99％以上，显微硬度为156±7HV，抗拉强度为461±7MPa，屈服强度为304±4MPa。此外，退火热处理后新型SLM制造AlSi10Mg合金的抗拉强度为411MPa，屈服强度为272MPa，相对于常规AlSi10Mg合金具有更好的热稳定性，在航空航天以及汽车制造等领域有重要的工程应用价值。

Description

一种AlSi10Mg粉末及激光选区熔化制造工艺

技术领域

本发明属于增材制造技术领域，具体涉及一种AlSi10Mg粉末及激光选区熔化制造工艺。

背景技术

增材制造(additive manufacturing，AM，也称3D打印)技术自20世纪80年代倍发明以来，经历了三十余年的研究与发展，由于能从三维计算机辅助设计模型直接制备高性能、高精度的复杂精密零件，相对于传统制造技术，具有周期短、无模具、不受零件结构限制等诸多优势。激光选区熔化(Selective Laser Melting，SLM)技术于1995年由德国Fraunhofer激光技术研究所最先展开研究，以离散-堆积原理为基础，结合机械、计算机、数控、模拟仿真、材料等多个领域学科综合应用而成的一项新兴技术。SLM技术作为近十年发展最快的高精度金属AM技术之一，有着极高的冷却速度(10⁵～10⁸K/s)，晶粒成形时间短，晶粒更为细小，具有尺寸精度高、表面质量好、成形件性能优异等特点。在航空航天、医学研究及医疗器械中已经得到了一定的应用，同时在交通运输、汽车工业、国防安全等国民经济和国家安全核心领域都具有重要的应用前景。

AlSi10Mg合金密度小、比强度高、耐腐蚀性好，在航空航天、汽车轻量化制造中有广阔的工程应用需求。目前SLM制造AlSi10Mg合金相对于其他铝合金，SLM成形性较好，成形工艺较为成熟，增材件的相对密度可达99.0％以上，一般获得的抗拉强度为300～420MPa，屈服强度为150～270MPa，延伸率为1.5～6.0％，与传统铸造AlSi10Mg合金相比，力学性能有着显著提高。然而，航空航天领域对铝合金的要求有更高的强度要求，目前的SLM制造AlSi10Mg合金难以满足对高强铝合金的需求。为进一步提高SLM制造AlSi10Mg合金的力学性能，国内外研究人员进行了较多的探索研究。如通过机械混粉的方式，将陶瓷颗粒与AlSi10Mg粉末混合获得复合粉末，所报道的添加的陶瓷颗粒有：TiB₂颗粒、TiN颗粒、WC颗粒、SiC颗粒等，将复合粉末进行SLM成形后，力学性能有一定程度的提高，抗拉强度可达400MPa，屈服强度在300MPa以上。但该种方法需要对粉末进行二次加工，并且在加工过程中会对粉末的形貌产生一定的影响，从而导致粉末球型度和粒径的破坏，使SLM成形工艺性较为困难，难以制备致密和无裂纹的成形件，对于SLM成形条件极为苛刻。

此外，还有通过添加稀土元素来提高SLM成形铝合金强度的研究报道。最具代表性的就是，添加稀土元素Sc的

合金，经过热处理后，

合金的抗拉强度可达520MPa，屈服强度为480MPa，延伸率为13％。然而，Sc的价格十分昂贵，不适于大规模的生产应用，为此寻求与Sc具有相似的强化效果且价格低廉稀土元素实现SLM制造铝合金的强化具有重要的应用价值。稀土元素Er在铝合金中的强化作用已经在北京工业大学聂祚仁团队开展了多年的研究，证实Er与Sc在铝合金中具有着相似的强化作用。这是由于，Er与Al在铝合金凝固过程中会形成稳定的L1₂结构的Al₃Er相，该相成为非均质形核，租金异质形核，从而细化铝合金的晶粒。此外，Al₃Er粒子还能够钉扎位错和亚晶界，从而提高铝合金的强度与再结晶温度。

发明内容

本发明的目的在于提供一种AlSi10Mg粉末及激光选区熔化制造工艺，可以获得SLM成形质量优异的SLM制造AlSi10Mg铝合金。其通过复合添加元素Er、Zr，借助Er、Zr复合微合金化作用，相互降低活度，增加固溶度，并且形成Al₃(Er,Zr)相，提高铝合金的力学性能，并有效抑制再结晶，提高再结晶温度，进一步增强合金耐腐蚀性、塑形及可焊接性。

具体来说，本发明提供了如下技术方案：

一种AlSi10Mg粉末，以原子百分比计，所述AlSi10Mg粉末中包含0.02～0.2at％的Er和0.02％～0.08at％的Zr。

优选的，上述AlSi10Mg粉末中，以原子百分比计，所述AlSi10Mg粉末中包含0.02～0.06at％的Er和0.02％～0.06at％的Zr。

优选的，上述AlSi10Mg粉末中，以质量％计，所述AlSi10Mg粉末中主要合金元素为：Si 7.50～11.50％，Mg 0.20～0.55％，余量为铝；进一步优选的，以质量％计，所述AlSi10Mg粉末中主要合金元素为：Si 8.50～9.50％，Mg 0.20～0.40％，余量为铝。

优选的，上述AlSi10Mg粉末中，以质量％计，所述AlSi10Mg粉末中其他杂质还包含：Mn≤0.50％，Cu＜0.10％，Fe＜0.15％，进一步优选的，以质量％计，所述AlSi10Mg粉末中其他杂质还包含：Mn 0.25～0.50％，Cu≤0.05％，Fe 0.08～0.15％。

优选的，上述AlSi10Mg粉末中，所述AlSi10Mg粉末的粒径为20～53μm。

优选的，上述AlSi10Mg粉末中，所述AlSi10Mg粉末为Er、Zr原位合金化的粉末。

本发明还提供一种利用上述AlSi10Mg粉末的激光选区熔化制造工艺，包括如下步骤：

(1)在基板上铺设所述AlSi10Mg粉末，得到粉末层；

(2)在惰性气体保护下，利用激光对步骤(1)的粉末层进行扫描，进行激光选区熔化成型；

(3)通过线切割(如电火花线切割、金刚石线切割、激光切割等加工方式)将步骤(2)的成型件从基板上取下。

优选的，上述激光选区熔化制造工艺中，进行铺粉前，将所述AlSi10Mg粉末在80～110℃下真空烘干1～8h。

优选的，上述激光选区熔化制造工艺中，步骤(1)中，所述粉末层的厚度为20～50μm。

优选的，上述激光选区熔化制造工艺中，步骤(2)中，激光扫描的参数包括：激光功率为90～110W，光斑直径为40～60μm，扫描间距为30～50μm，扫描速率为900～1900mm/s。

优选的，上述激光选区熔化制造工艺中，步骤(2)中，体能量密度控制在52～60J/mm³。(激光体能量密度公式为：

式中ρ为激光体能量密度，P为激光功率，h为扫描间距，v为扫描速度，d为层厚度。)

优选的，上述激光选区熔化制造工艺中，步骤(2)中，在惰性气体保护下，氧含量为100～1000ppm。

优选的，上述激光选区熔化制造工艺中，基板预热温度为80～120℃，相邻两层的激光扫描路径为逆时针旋转67.7°。

本发明可以有效强化SLM制造AlSi10Mg合金的原理有以下几方面：

第一，Er、Zr复合添加到AlSi10Mg合金中，两者能够相互降低活度、增加固溶度，有利于Er、Zr在AlSi10Mg中的固溶强化；

第二，Er与Al基体会形成稳定的L1₂结构的Al₃Er相，弥散分布在在基体中，与基体呈共格关系。这些弥散分布的Al₃Er相，可以使得合金力学性能显著提高；

第三，除形成Al₃Er相外，Er、Zr会与Al基体形成三元复合粒子Al₃(Zr_xEr_1-x)，该粒子具有更好的热稳定性，对晶界运动具有钉扎作用，可以有效提高合金再结晶温度，抑制再结晶晶粒长大；

第四，上述的Al₃Er和Al₃(Zr_xEr_1-x)两种相会在SLM成形过程中作为异质形核质点，增加合金在SLM成形过程中合金的形核数量，使合金晶粒尺寸得到细化，从而获得稳定的细晶强化效果；

第五，上述的Al₃Er和Al₃(Zr_xEr_1-x)两种相对位错及晶界的钉扎作用，会提高合金塑形变形所需的开动能，从而提高合金的力学性能。

本发明所取得的有益效果：

本发明提供的新型AlSi10Mg粉末，采用SLM打印机制备试样，成形试样相对密度达到99％以上，显微硬度为156±7HV，抗拉强度为461±7MPa，屈服强度为304±4MPa，延伸率为2.3±0.4％。此外，退火热处理后新型SLM制造AlSi10Mg合金抗拉强度为411MPa，屈服强度为272MPa，相对于常规AlSi10Mg合金具有更好的热稳定性，在航空航天以及汽车制造等领域有重要的工程应用价值。

附图说明

图1为实施例1制备的新型Er、Zr复合微合金化AlSi10Mg合金拉伸试样的三维金相图，其中，(a)三维金相图，(b)X-Y平面，(c)Y-Z面，(d)X-Z面；(b)、(c)和(d)中标尺的大小均为20μm。

图2为实施例1制备的新型Er、Zr复合微合金化AlSi10Mg合金拉伸试样的EBSD反极图，其中，(a)X-Y平面，(b)X-Z面；(a)和(b)中标尺的大小均为20μm。

图3为实施例1制备的AlSi10Mg合金拉伸试样的和常规AlSi10Mg合金拉伸试样垂直于打印方向室温力学性能对比图，其中，AlSi10Mg代表未添加Er、Zr元素的常规AlSi10Mg合金拉伸试样，AlSi10Mg-Er-Zr代表新型Er、Zr复合微合金化AlSi10Mg合金拉伸试样。

具体实施方式

以下结合具体实施例对本发明作进一步详细说明，但不用来限制本发明的范围。

以下实施例中所使用的实验方法如无特殊说明，均为常规方法。以下实施例中所用的实验原料和相关设备等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。

实施例1

本实施例提供了一种新型AlSi10Mg粉末及SLM制造工艺。

所述新型AlSi10Mg粉末的化学成分如下：

Si：9.11wt％，Mg 0.30wt％，Cu≤0.05wt％，Fe：0.11wt％，Mn：0.37wt％，Er：0.04at％，Zr：0.04at％，余量为Al。

通过气雾化制粉原位合金化制备含有上述成分的新型AlSi10Mg粉末，同时，进行SLM制造前先将粉末在真空干燥箱中以80℃烘干8h。

本实施例使用德国EOS公司生产制造的EOS M100型金属3D打印机制备实验样品。将烘干后的新型AlSi10Mg粉末装入粉仓后，调整基板高度，设置工艺参数，其中激光扫描功率为92W；激光扫描的光斑直径为40μm；激光扫描间距为50μm；铺粉层厚度为30μm；激光扫描速度为1600mm/s；在高纯惰性气体氩气保护下，氧含量为1000ppm；基板预热温度为80℃；相邻两层激光扫描路径之间逆时针旋转67°。打印新型Er、Zr复合微合金化AlSi10Mg合金拉伸试样以及5*5*5mm的微观组织分析试块。使用同样的设备，在相同环境下采用相同的工艺打印未添加Er、Zr元素的常规AlSi10Mg合金拉伸试样和5*5*5mm的微观组织分析试块(与实施例1制备的Er、Zr复合微合金化AlSi10Mg合金拉伸试样相比仅在于AlSi10Mg粉末中未添加Er、Zr)。

采用金相法测得新型Er、Zr复合微合金化AlSi10Mg合金拉伸试样的相对密度为99.17％，其三维组织形貌如图1所示，其中X-Z面、Y-Z面呈现了典型的“鱼鳞状”微熔池形貌，而X-Y面显示了“轨道状”微熔池形貌，与未添加Er、Zr元素的常规AlSi10Mg合金拉伸试样的组织形貌一致。通过测量维氏显微硬度可知，SLM成形试样的显微硬度分布均匀，无明显偏差，且新型Er、Zr复合微合金化AlSi10Mg合金拉伸试样的显微硬度为156±7HV，高于未添加Er、Zr的常规AlSi10Mg合金拉伸试样的显微硬度124±4HV。

图2为实施例1制备的新型Er、Zr复合微合金化AlSi10Mg合金拉伸试样的EBSD反极图，其中，(a)X-Y平面，(b)X-Z面。由图2可以看出，新型Er、Zr复合微合金化AlSi10Mg合金拉伸试样中的α-Al基体平均尺寸为0.59μm，平均晶粒尺寸为1.27μm，相较于未添加Er、Zr的常规AlSi10Mg合金拉伸试样分别减小了18.27％、45.96％，由此可知，通过添加Er、Zr元素，与Al基体形成Al₂Er及Al₃(Er,Zr)相，在熔池凝固过程中，该相会优先析出，富集晶界处，作为异质形核质点，增加形核数量，使单位时间内形核数量增加，此外，该相还会阻碍晶粒长大过程中晶界的移动，从而获得了细化晶粒的效果。

依据国家标准GB/T228.1-2010测得新型Er、Zr复合微合金化AlSi10Mg合金拉伸试样抗拉强度、屈服强度、显微硬度以及断后延伸率分别为461±7MPa、304±4MPa、156±7HV、2.3±0.4％，如图3所示。相较于未添加Er、Zr的常规AlSi10Mg合金拉伸试样抗拉强度、屈服强度、显微硬度分别提高了22.6％、26.7％和25.8％。

两者在经过300℃，2小时退火处理后，新型Er、Zr复合微合金化AlSi10Mg合金拉伸试样的抗拉强度从461MPa下降到411MPa，屈服强度从304MPa下降到272MPa，而未添加Er、Zr的常规AlSi10Mg合金拉伸试样的抗拉强度从376MPa下降到292MPa，屈服强度从240MPa下降到184MPa，由结果可见，新型Er、Zr复合微合金化AlSi10Mg合金拉伸试样具有更好的热稳定性。

实施例2

本实施例提供了一种新型AlSi10Mg粉末及SLM制造工艺。

所述新型AlSi10Mg粉末的化学成分如下：

Si：7.75wt％，Mg：0.31wt％，Cu≤0.05wt％，Fe：0.11wt％，Mn：0.33wt％，Er：0.04at％，Zr：0.04at％，余量为Al。

采用同实施例1相同的制备工艺，结果表明，实施例2所提供的粉末经SLM成形后的Er、Zr复合微合金化AlSi10Mg合金拉伸试样相对密度可达99.07％，无宏观裂纹和孔隙，平均显微硬度值为134.6±1HV，抗拉强度为378±3MPa，屈服强度为245±3MPa。相较于未添加Er、Zr的成形试样(与实施例2制备的Er、Zr复合微合金化AlSi10Mg合金拉伸试样相比仅在于AlSi10Mg粉末中未添加Er、Zr)显微硬度提高了8HV，抗拉强度提高了11MPa，屈服强度提高了23Mpa。

虽然，上文中已经用一般性说明、具体实施方式及试验，对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对其作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (10)

1.一种AlSi10Mg粉末，其特征在于，以原子百分比计，所述AlSi10Mg粉末中包含0.02～0.2at％的Er和0.02％～0.08at％的Zr。

2.根据权利要求1所述的一种AlSi10Mg粉末，其特征在于，以原子百分比计，所述AlSi10Mg粉末中包含0.02～0.06at％的Er和0.02％～0.06at％的Zr。

3.根据权利要求1或2所述的一种AlSi10Mg粉末，其特征在于，以质量％计，所述AlSi10Mg粉末中主要合金元素为：Si 7.50～11.50％，Mg 0.20～0.55％，余量为铝；优选的，以质量％计，所述AlSi10Mg粉末中主要合金元素为：Si 8.50～9.50％，Mg 0.20～0.40％，余量为铝。

4.根据权利要求1-3任一项所述的一种AlSi10Mg粉末，其特征在于，以质量％计，所述AlSi10Mg粉末中其他杂质还包含：Mn≤0.50％，Cu＜0.10％，Fe＜0.15％，优选的，以质量％计，所述AlSi10Mg粉末中其他杂质还包含：Mn 0.25～0.50％，Cu≤0.05％，Fe 0.08～0.15％。

5.根据权利要求1-4任一项所述的一种AlSi10Mg粉末，其特征在于，所述AlSi10Mg粉末的粒径为20～53μm，优选的，所述AlSi10Mg粉末为Er、Zr原位合金化的粉末。

6.一种利用权利要求1-5任一项所述的AlSi10Mg粉末的激光选区熔化制造工艺，其特征在于，包括如下步骤：

(1)在基板上铺设所述AlSi10Mg粉末，得到粉末层；

(2)在惰性气体保护下，利用激光对步骤(1)的粉末层进行扫描，进行激光选区熔化成型；

(3)通过线切割将步骤(2)的成型件从基板上取下。

7.根据权利要求6所述的激光选区熔化制造工艺，其特征在于，进行铺粉前，将所述AlSi10Mg粉末在80～110℃下真空烘干1～8h。

8.根据权利要求6或7所述的激光选区熔化制造工艺，其特征在于，步骤(1)中，所述粉末层的厚度为20～50μm。

9.根据权利要求6-8任一项所述的激光选区熔化制造工艺，其特征在于，步骤(2)中，激光扫描的参数包括：激光功率为90～110W，光斑直径为40～60μm，扫描间距为30～50μm，扫描速率为900～1900mm/s。

10.根据权利要求6-9任一项所述的激光选区熔化制造工艺，其特征在于，步骤(2)中，体能量密度控制在52～60J/mm³；

和/或，步骤(2)中，在惰性气体保护下，氧含量为100～1000ppm。

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