[發明專利]一種用于增材制造的高強度鋁合金及其粉末的制備方法

有效

• 申請號: 201811264773.5
• 申請日: 2018-10-26
• 公開（公告）號: CN109280820B
• 公開（公告）日: 2021-03-26
• 發明（設計）人: 李沛勇;唐鵬鈞;王興元;楊斌;黃粒;鄭衛東;梁濱;騫西昌;李興無
• 申請（專利權）人: 中國航發北京航空材料研究院
• 主分類號: C22C21/02
• 分類號: C22C21/02;C22C21/10;C22C1/04;B22F9/08;B22F1/00;B22F3/105;B22F10/28;B33Y70/00
• 代理公司: 中國航空專利中心 11008
• 代理人: 陳宏林

本發明提供了一種用于增材制造的高強度鋁合金及其粉末的制備方法，該合金粉末采用氣體霧化工藝進行制備，首先采用中頻感應爐熔制Al?Si?Zn?Cu?Mg?X合金預制錠，然后采用超音速氣體霧化工藝制粉，經過篩分后制備增材制造用不同規格的粉末。采用該高強度鋁合金粉末通過增材制造獲得的試樣組織致密、無裂紋缺陷，其抗拉強度超過500MPa、延伸率超過3％，明顯優于AlSi10Mg、AlSi7Mg、AlSi12的增材制造試樣的強度性能，也優于傳統的2000系、7000系合金的增材制造試樣的性能。該合金粉末可用于增材制造方法制備組織致密、形狀復雜、高強度的鋁合金零件，滿足航空、航天和汽車等領域要求高比強度、形狀復雜的使用場合。

技術領域

本發明是一種用于增材制造的高強度鋁合金及其粉末的制備方法，屬于金屬增材制造用鋁合金粉末技術領域。使用該粉末、采用激光熔化增材制造工藝加工的試樣的抗拉強度超過500MPa、延伸率超過3％且成本較為低廉。

背景技術

近五年來,隨著高功率激光器的應用，金屬增材制造技術獲得了突破性的快速發展。金屬增材制造以高質量的金屬粉末為原材料，采用CAD模型設計和計算機控制、利用高功率激光、通過層層熔化的方式制造零件。通過采用高功率激光和適合的工藝參數，通過增材制造獲得的制件的相對致密度可達到99.5％以上，已經可以滿足航空、航天和汽車領域復雜構件的使用要求。該方法適用于難以采用傳統鑄造或擠壓、鍛造、軋制等熱加工成型、具有點陣結構或復雜形狀的、近凈成形的零件。因具有原材料利用率高、省去了模具制造費用等優勢，金屬增材制造已經顯示出良好的應用前景。

激光選區熔化(Selective Laser Melting,SLM)技術作為一種用途最廣的金屬增材制造技術，其制備的零件的致密度可達到99.5％、甚至99.9％以上。并且，采用該方法加工的零件的表面粗糙度要小于電子束熔化等其他金屬增材制造方法。SLM技術已成功廣泛應用于航空航天和汽車領域鈦合金、鋼、高溫合金、鋁合金零件的制備。對鋁合金而言，其密度小(2.7g/cm³),且是目前一種重要的航空航天材料，采用SLM制造零件可滿足苛刻的減重和剛度設計要求。但由于鋁合金的高反射率、高導熱率等特性，而SLM又屬于一種快速凝固工藝，冷卻速度達到約10⁶K/s。迄今，只有凝固區間窄、焊接性能較好的AlSi10Mg、AlSi7Mg、AlSi12等3種Al-Si系鋁合金粉末可用SLM工藝制備接近完全致密的零件。但這幾種鋁合金屬于中等強度的鑄造鋁合金，制備試樣或制件的強度偏低，通常其抗拉強度不超過460MPa。

傳統的強度較高的2000系和7000系變形鋁合金的強度可達到500～600MPa，但因其凝固區間較寬，焊接性能較差、熱裂傾向性大。目前這些傳統高強度鋁合金的SLM制造試驗結果均不理想，制備的試樣常常出現裂紋缺陷，導致其拉伸性能和疲勞性能明顯低于傳統變形鋁合金的性能，甚至也低于Al-Si系合金的性能。近年來，空客公司制備了AlMg4.5ScZrMn合金(商業代號為)其力學性能與變形鋁合金的相當(見:[1]A.B.Spieringset.al,Microstructure and mechanical properties of as-processedscandiummodified aluminum using selective laser melting.CIRP Annals-Manufacturing Technology 65(2016)213-216；[2]布朗克·倫喬夫斯基(空中客車防衛和太空有限責任公司)，用于粉末冶金技術的含鈧的鋁合金,中國專利：201611272966.6)，但由于該合金中的昂貴元素Sc的含量達到0.6％以上，合金粉末的價格很高，是Al-Si系合金粉末價格的3～4倍，這限制了其廣泛應用。目前，鋁合金增材制造領域急需一種成本較低、其增材制造制件抗拉強度可達到500MPa以上的高強度鋁合金粉末。

發明內容

本發明是針對上述現有技術中存在的問題提供了一種用于增材制造的高強度鋁合金及其粉末的制備方法，其目的是采用激光熔化增材制造的該粉末制件的強度達到500MPa以上、又具有成本較低、成形性能好的優點。