[發明專利]一種選擇性激光熔化制備納米級球狀Si相Al-Si合金的方法

在審

• 申請號: 201410649843.4
• 申請日: 2014-11-14
• 公開（公告）號: CN104368815A
• 公開（公告）日: 2015-02-25
• 發明（設計）人: 王小軍;王修春;張晶;伊希斌;魏軍
• 申請（專利權）人: 山東省科學院新材料研究所
• 主分類號: B22F3/105
• 分類號: B22F3/105
• 代理公司: 濟南圣達知識產權代理有限公司 37221
• 代理人: 崔苗苗

技術領域

本發明涉及一種利用選擇性激光熔化技術制備納米級球狀Si相Al-Si合金的方法，屬于金屬材料技術領域。

背景技術

Al-Si合金是產量及用量最大的鑄造鋁合金，具有耐磨耐侵蝕性好，熱膨脹系數低，比強度高，導熱性好等優點，這使得Al-Si合金被廣泛應用在汽車活塞、發動機組、缸套、輪轂、軸承、軸瓦、曲軸箱等汽車零部件上。Al-Si合金的力學性能主要是由共晶Si在Al基體中的形貌和分布決定的，鑄造Al-Si合金組織中通常會存在大量針狀或板片狀共晶Si，甚至會出現粗大的塊狀初晶Si，這樣的組織會嚴重地割裂Al基體，降低Al-Si合金的機械性能，尤其是韌性降低顯著，切削加工性能惡化。因此，國內外學者紛紛開始研究共晶Si和初晶Si的細化方法，以提高Al-Si合金的力學性能。Al-Si合金通常可以利用變質處理來抑制Si相的生長，變質處理后Al-Si合金組織中Si晶粒變細小，可使Al-Si合金的強度和韌性顯著提高。1920年，A·Pacz首先發現了Na能夠使鑄造Al-Si合金中的共晶Si相發生變質而達到細化的效果，此后，Gweyer、Edwards也進行了研究，確認當Na元素存在于Al-Si合金熔體中時，Na原子以薄膜狀存在，由于Na不溶于Al基體中，所以Na會以薄膜狀吸附在Si晶體表面，降低Si晶胚在液相中的移動能力，而吸附于Al晶粒表面的Na原子較少，這樣就使得Si相生長速度低于Al相，促使Al相形核結晶速度領先于初生Si相，優先生長的Al相會很快將尚未長大的Si晶體包圍，從而限制了Si晶體的長大，起到細化晶粒的作用。后來，研究人員還嘗試了添加其它元素，如Sr、Ba、Ca、Sb、Y、P、Re等來抑制Al-Si合金中Si相的長大，達到細化晶粒的效果。盡管通過添加堿金屬元素及稀土元素對鑄造Al-Si合金進行變質處理能夠在一定程度上抑制Al-Si合金中Si相的長大，起到細化晶粒、提高力學性能的效果，但是變質處理過程中加入的堿金屬元素和稀土元素也會給Al-Si合金的生產制造帶來很大的弊端，如：加入Na、Sr等元素會降低Al-Si合金熔體的流動性，影響其鑄造性能；堿金屬和稀土元素的加入也提高了Al-Si合金的生產成本，引起偏析等缺陷，并且容易造成環境污染。因此，Al-Si合金的變質處理在提高材料力學性能的同時也大大制約了鑄造Al-Si合金的大規模生產應用。Al-Si合金還不同于其他合金(如Fe、Ni、W等合金)，其熔煉、澆注過程中極易與氧氣發生反應生成Al₂O₃夾雜物，導致凝固過程中產生夾雜、氣孔、偏析等缺陷，從而影響其鑄件的致密度。

此外，傳統的鑄造等成型工藝從鑄錠到機加工再到最后的實際零部件，需要多道工序完成，且材料利用率較低，某些復雜零部件的材料利用率僅10％左右，并且鑄造過程中對模具的要求極高，對于一些復雜程度高的小型零部件甚至無法用鑄造方法來成型。因此，開發一種高效的制備復雜形狀高性能Al-Si合金的方法無疑是至關重要的。

發明內容

本發明是針對傳統方法制備Al-Si合金存在的問題，提供了一種利用選擇性激光熔化(Selective?Laser?Melting，SLM)技術制備納米級球狀Si相Al-Si合金的方法。

本發明采取的技術方案是：

一種選擇性激光熔化制備納米級球狀Si相Al-Si合金的方法，包括步驟如下：

(1)利用計算機設計所需成型零部件的CAD三維模型，并將其轉換成可分切的數據格式STL文件，在三維模型的底部建立具有一定高度的支撐體，將三維模型連同支撐體分切成具有一定厚度的若干層，并對其進行工藝參數設定，將數據及參數導入SLM設備；

(2)在SLM設備中，將密封裝置抽真空后充入惰性氣體進行氣氛保護，將基板固定在可升降的工作臺上，送粉系統在基板上均勻鋪一層Al-Si合金粉末，鋪粉厚度20～100μm；

(3)根據導入參數激光選擇性地掃描相應切層，工藝參數為：激光器功率80～200W，激光停留時間20～120μs，激光掃描速度200～2000mm/s，激光掃描間距0.05～0.2mm；

(4)將基板下降一個層的厚度，在基板上鋪一層新的Al-Si合金粉末；

(5)重復步驟(3)和(4)直至各層完成；

(6)收集成型零部件以外的松散金屬粉末，處理后備用，將成型好的零部件從基板上取下。

上述方法中，為了保證成型后的零部件易于從基板上取下及每一層成型后獲得最佳的致密化，步驟(1)所述的支撐體高度2～5mm，每個分切層的厚度優選20～100μm。