[發(fā)明專利]一種抑制增材制造鋁合金裂紋形成并促進晶粒細化的方法

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• 申請日: 2021-12-21
• 公開（公告）號: CN114226736A
• 公開（公告）日: 2022-03-25
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 邱春雷;王志超;許瓏繽
• 申請（專利權(quán)）人: 北京航空航天大學(xué)
• 主分類號: B22F9/04
• 分類號: B22F9/04;B22F10/28;B22F10/20;B22F1/17;C22C14/00;B33Y10/00
• 代理公司: 北京天匯航智知識產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 11987
• 代理人: 黃川;史繼穎

本發(fā)明公開了一種抑制增材制造鋁合金裂紋形成并促進晶粒細化的方法，使用一種臥式球磨機進行混粉，將微細鈮顆粒在超短時間內(nèi)均勻組裝到鋁合金粉末表面同時保持合金近球形形貌；利用增材制造將混合粉末進行熔化制樣。本發(fā)明還提出利用一種三維旋轉(zhuǎn)擺動混粉裝置將粒徑相當?shù)暮壓辖鸱勰┡c鋁合金粉末進行混合(無需鋼球和球磨)；然后利用增材制造將混合粉末進行熔化制樣。此外，本發(fā)明還提出預(yù)先制備含鈮的鋁合金粉末或絲材；然后利用增材制造進行熔化制樣。這些方法通過在增材制造凝固過程中優(yōu)先形成一種新型的異質(zhì)形核劑以促進柱狀晶向等軸晶的完全轉(zhuǎn)變和晶粒的極大細化，同時抑制裂紋，提高高強鋁合金的激光增材制造成形性及合金力學(xué)性能。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及鋁合金增材制造領(lǐng)域,更具體地說,涉及一種提升高強鋁合金增材制造成形性及促進晶粒細化的方法。

背景技術(shù)

金屬增材制造因其優(yōu)異的近凈成形能力而廣受關(guān)注。但是,金屬增材制造形成的熔池往往經(jīng)歷極快速的冷卻和陡峭的熱梯度,導(dǎo)致凝固過程中晶粒發(fā)生延晶生長,形成粗大的豎直柱狀晶及顯著的織構(gòu)。同時,在金屬增材制造過程中,由于熱梯度和不均勻熱分布的存在以及極快的冷卻速率,會在樣品或部件中形成很大的內(nèi)應(yīng)力。這兩種因素會導(dǎo)致諸如高溫合金,金屬間化合物,高強高熵合金及高強鋁合金(如7075和6061)等材料在增材制造過程中形成裂紋,展現(xiàn)出極低的成形性。柱狀晶的存在還導(dǎo)致材料出現(xiàn)嚴重的力學(xué)性能各向異性。

通過合金設(shè)計或添加形核顆粒，促進合金在增材制造過程中大量異質(zhì)形核，從而促進柱狀晶向等軸晶轉(zhuǎn)變及晶粒細化是分散內(nèi)應(yīng)力、抑制裂紋、提升材料性能的有效途徑。該途徑在增材制造的鋁合金中尤其有效。人們通過向鋁合金中添加如Zr、Sc、Ti、Ni、Ta等元素，在激光增材制造過程析出較高熔點的Al₃X沉淀相(X＝Zr、Sc、Ti、Ni、Ta)，該沉淀相與基體存在很小的晶格錯配度，且由于高熔點，能夠在凝固和冷卻過程中優(yōu)先從熔體中析出，因此是α-Al晶粒的有效異質(zhì)形核點，極大促進了鋁合金在激光增材制造后晶粒組織從柱狀晶向等軸晶的轉(zhuǎn)變，促進了晶粒的細化，有效抑制了鋁合金中裂紋的形成。值得注意的是，以上元素的添加雖然有效促進了鋁合金晶粒組織從柱狀晶向等軸晶轉(zhuǎn)變，但大多數(shù)沒有形成完全的等軸晶，而是形成了柱狀晶和等軸晶混合的晶粒組織。而且上述元素通常是通過熔化合金化及制備預(yù)合金粉末的方式加入到鋁合金里，制備成本高，研制周期長。也有的是利用傳統(tǒng)球磨方法將這些元素的化合物顆粒加入到鋁合金里再進行增材制造，但利用傳統(tǒng)球磨方法往往造成合金粉末球形度受損，使增材制造制備的樣品內(nèi)部孔洞率較高，不利于性能。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明針對高強鋁合金如6系、7系的鋁合金在激光增材制造過程易形成裂紋和粗大柱狀晶的問題，旨在通過添加一種新型的形核劑以促進柱狀晶向等軸晶的完全轉(zhuǎn)變和晶粒的極大細化，同時抑制裂紋，提高高強鋁合金的激光增材制造成形性及合金力學(xué)性能，為高強鋁合金激光增材制造技術(shù)的推廣應(yīng)用鋪平道路。

本發(fā)明還針對向鋁合金中添加顆粒時缺少高效且能使合金粉末顆粒在混粉時保持近球形的混粉裝置的問題，提出了使用一種臥式球磨機進行混粉，以確保不同粉末顆粒在超短時間內(nèi)混合均勻的同時保持近球形形貌，以更有利于合金選區(qū)激光熔化成形性的提高。

本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：