阅读说明：本技术 一种3d打印用铝合金粉末材料及其制备方法与应用 (Aluminum alloy powder material for 3D printing and preparation method and application thereof ) 是由 祝弘滨 刘昱 孙帮成 龚明 于 2020-07-31 设计创作，主要内容包括：本发明属于3D打印用铝合金粉末材料技术领域,具体涉及一种3D打印用铝合金粉末材料及其制备方法与应用。本发明提供一种3D打印用铝合金粉末材料,其合金元素包括Mg、Sc、Zr、Mn、Fe、Ni、Si、Zn、Cr；其中Si+Mn总含量为铝合金粉末材料总质量的0.9～1.5wt％,且Si/Mn的质量比为1～2或≥5。本发明发现通过上述控制,所得铝合金粉末材料经SLM方法3D打印以及适当热处理后的拉伸强度可提升至570MPa以上,同时塑性可提升至17％以上,经多次测试,不存在打印后应力集中导致的开裂问题,解决了现有铝合金3D打印件拉伸强度与塑性难以兼顾的问题。(The invention belongs to the technical field of aluminum alloy powder materials for 3D printing, and particularly relates to an aluminum alloy powder material for 3D printing and a preparation method and application thereof. The invention provides an aluminum alloy powder material for 3D printing, wherein alloy elements of the aluminum alloy powder material comprise Mg, Sc, Zr, Mn, Fe, Ni, Si, Zn and Cr; wherein the total content of Si and Mn is 0.9-1.5 wt% of the total mass of the aluminum alloy powder material, and the mass ratio of Si/Mn is 1-2 or more than or equal to 5. According to the invention, through the control, the tensile strength of the obtained aluminum alloy powder material after 3D printing and proper heat treatment by the SLM method can be improved to more than 570MPa, meanwhile, the plasticity can be improved to more than 17%, and through multiple tests, the problem of cracking caused by stress concentration after printing does not exist, and the problem that the tensile strength and the plasticity of the existing aluminum alloy 3D printed part are difficult to take into account is solved.)

一种3D打印用铝合金粉末材料及其制备方法与应用

技术领域

本发明属于3D打印用铝合金粉末材料技术领域，具体涉及一种3D打印用铝合金粉末材料及其制备方法与应用。

背景技术

在3D打印技术中，目前常用的铝合金粉末主要是AlSi₁₂合金和AlSi₁₀Mg合金，但是这两类合金打印后强度均较低，不超过350MPa，且延伸率不超过6％。

国外空客公司专为3D打印技术开发了高强度Scalmalloy铝合金粉末，拉伸强度和延伸率分别能达到520MPa和13％，但在实际打印生产中发现，采用该材料得到的打印件强度和延伸率仍然有待提高，且打印样件中存在部分微裂纹，导致疲劳性能不足，使用过程中容易失效，且抗应力腐蚀能力也较差。

CN109487126A公开了一种可用于3D打印铝合金粉末，其具有组织细密、力学性能好、抗应力腐蚀性强的优点，但其拉伸强度和延伸率无法兼顾，在最大拉伸强度为580MPa时，其延伸率降为7％，这种强度和塑性的不匹配容易导致样件在打印过程中产生应力集中，从而导致打印件在打印后发生开裂的问题。

可见，为了获得更好的3D打印效果，需要同时提升3D打印件的拉伸强度与塑性两方面，但目前现有技术还未有解决这一问题的有效手段。

发明内容

本发明的第一目的是提供一种3D打印用铝合金粉末材料，其合金元素包括Mg、Sc、Zr、Mn、Fe、Ni、Si、Zn、Cr；其中控制Si+Mn总含量为铝合金粉末材料总质量的0.9～1.5％，且Si/Mn的质量比为1～2或≥5。

本发明发现，通过控制上述条件可使经SLM方法得到的3D打印件的拉伸强度得到提高的同时，解决Si、Mn竞争强化和重叠强化的问题，从而提高打印件的塑性(延伸率)；经测试，所得铝合金粉末材料经SLM方法3D打印以及常规热处理后，其拉伸强度可提升至570MPa以上，同时塑性可提升至17％以上；并且经多次测试，不存在打印后应力集中导致的开裂问题，彻底解决了现有3D打印件拉伸强度与塑性(延伸率)难以兼顾的问题。

优选地，通过控制Si含量在0.4-1wt.％范围内，首先能够使Si与Mg形成的化合物粒子尺寸和分布得到控制，使该粒子尺寸不超过50nm，且在晶界处呈现出非连续分布的状态，从而能够起到钉扎晶界，阻碍晶粒长大，提高了晶界处抵抗变形能力，同步提高强度和延伸率的作用；其次，通过控制能够提高粉末熔化后熔体的流动性，阻碍激光打印过程中微裂纹的产生，将微裂纹数量降低至0.3～0.7×10^-4μm/μm²，进而提高打印件的致密程度至99.8％以上，显著提升打印件的抗疲劳性。

优选地，通过控制Mn含量在0.05-0.6％范围内，一方面能够确保Mn元素形成Al₆Mn等纳米颗粒，起到强化作用；另一方面能够确保Al₆Mn含量及尺寸在一个合理的范围内，从而不与Si和Mg形成的化合物粒子产生重叠强化效应，导致延伸率的降低，确保了强度和延伸率同步提升的效果。进一步优选Mn含量在0.15-0.5％。

优选地，通过控制Mg含量在4.7-10％范围内，实现在降低材料密度的同时起到固溶强化的作用，从而获得提升打印件强度的目的。进一步优选Mg含量在6.5-8.5％范围内。

作为本发明的

具体实施方式

之一，控制Si+Mg总含量保持在5～10wt.％，且Si/Mg的质量比≤0.58，使得在Si与Mg在合金化过程中完全反应形成化合物粒子，该化合物粒子尺寸不超过500nm，能够很好的钉扎晶界，阻止晶粒长大，从而同时提高强度和延伸率。

优选地，控制Sc含量在0.3-0.6％范围内，既能够使其在打印和热处理过程中析出Al₃Sc纳米粒子起到强化作用，同时又降低铝合金粉末成本。进一步优选Sc含量在0.45-0.65％范围内。

作为本发明的具体实施方式之一，控制Zr含量在0.1-0.4％范围内且Sc/Zr的质量比在1.5-2.5范围内，更有助于在打印件中形成更多的Al₃(Sc,Zr)复相化合物，从而提升打印件的强度和高温性能。进一步优选Zr含量在0.22-0.33％范围内。

优选地，控制Fe，Ni含量分别在0.05-0.2％范围内，以提升打印件高温性能。

优选地，控制Zn，Cr含量分别在0.05-0.15％范围内，以提升打印件抗腐蚀性能。

作为本发明的具体实施方式之一，所述铝合金粉末材料包括如下质量分数的成分：Mg：4.7～10wt％；Sc：0.10～1wt％；Zr：0.1～0.5wt％；Mn：0.05～0.6wt％；Fe：0.05～0.2wt％；Ni：0.05～0.2wt％；Si：0.4～1％；Zn：0.05～0.15wt％；Cr：0.05～0.15wt％；其它微量元素不超过0.2％，余量为Al。

优选地，其它微量元素包括Er，Ti，Ce，Sr中的一种或多种，用以提升铝合金粉末对激光的吸收率和导热性，改进粉末的工艺性，并进一步细化晶粒，提升打印件性能。

作为本发明的具体实施方式之一，所述铝合金粉末材料包括如下质量分数的成分：Mg：6.5-8.5wt％；Sc：0.45-0.65wt％；Zr：0.22-0.33wt％；Mn：0.15-0.5wt％；Fe：0.04-0.06wt％；Ni：0.06-0.08wt％；Si：0.55-0.8wt.％；Zn：0.07-0.09wt％；Cr：0.05-0.08wt％；其它微量元素包括Er和Ce，总含量为0.05-0.06wt％，余量为Al。

本发明的第二目的是提供一种铝合金粉末材料的制备方法，包括：将各元素按比例混合后采用一步法进行真空感应熔炼-惰性气体雾化制粉，再对所得粉末进行振动筛分或气流分级处理。

区别于现有技术的先熔炼制锭，再雾化制粉的制备方式，本发明采用一步法实现制粉所得的铝合金粉末具有元素烧损更少，粉末球形度更高，成分更均匀，杂质含量更低，粒度分布更均匀的特点；经检测，通过一步法制粉可将粉末中元素烧损控制在5％以内，氧含量控制在300ppm以下；且制备流程可控，满足3D打印工艺要求，适合工业化批量生产。

所述真空感应熔炼的条件：真空度≤10^-2Pa，熔炼温度为750-820℃；

优选地，控制升温速率为10-25℃/min，且熔炼温度下保温20-30min并持续进行电磁搅拌。如此可使粉末成分更均匀、杂质含量更低。

优选地，所述惰性气体雾化中，雾化压力为2.5-4.5MPa。

作为本发明的具体实施方式之一，所述真空度≤10^-2Pa，熔炼温度为750-820℃；雾化压力为2.5-4.5MPa；此时所得粉末氧含量控制在300ppm以下，且粉末中空心粉含量更低，可将空心粉率降低至1％以下。

所述惰性气体雾化中，雾化喷嘴选用收放型环缝喷嘴；雾化锥角为45-60°。通过精确控制制粉工艺参数，可将粉末球形度控制在0.88以上，提升了粉末的流动性，进而提升了其工艺性。经验证，采用霍尔流动计检测，采用所述方法获得的铝合金粉末的霍尔流动性提升至80-120s/50g，而现有业内铝合金粉末的流动性过低，几乎无法检出。

同时，还可将空心粉率降低至1％以下，氧含量控制在300ppm以下，从而减少打印件中的孔隙、夹杂等缺陷，使打印件致密度提升至99.8％以上，进而提升打印件的力学性能和疲劳性能。

优选地，所述惰性气体雾化中，所用惰性气体为氩气和/或氮气。

作为本发明的具体实施方式之一，所述真空感应熔炼的条件：真空度为(0.4-0.5)×10^-2Pa，熔炼温度为780-820℃；真空感应熔炼过程中控制升温速率为10-15℃/min；待熔炼完成并搅拌均匀后，测定雾化罐内氧含量低于500ppm开始雾化，将熔炼合金液经中间包和漏嘴进入雾化罐中进行雾化，雾化气体为高纯氩气，雾化喷嘴选用收放型环缝喷嘴，雾化压力为3.5-4.2MPa，雾化锥角为50°-60°。经测试，采用上述优选方案，可使铝合金粉末的氧含量降至200ppm以下，空心粉率降至0.55％以下，球形度在0.88-0.95之间，霍尔流动性达到105-120s/50g。

本发明第三目的是提供一种SLM粉末床3D打印成形件，其使用上述铝合金粉末制得。其具有优异的拉伸强度和延伸率，同时微裂纹数量更少，致密度更高。

附图说明

图1为实施例1的高强铝合金粉末的形貌和截面图。

具体实施方式

以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

实施例1

一种SLM打印专用铝合金粉末，含有以下质量百分含量的组分：Mg：7.5wt％；Sc：0.55wt％；Zr：0.27wt％；Mn：0.4wt％；Fe：0.06wt％；Ni：0.06wt％；Si：0.65wt.％；Zn：0.07wt％；Cr：0.08wt％；其它微量元素包括Er和Ce，总含量为0.05wt％，余量为Al。

Si+Mn总含量1.05wt.％；

Si/Mn的质量比为1.625；

Si+Mg总含量8.15wt.％；

Si/Mg的质量比0.087；

Sc/Zr的质量比2.037；

其制备步骤如下：

将以上各组分按设定的质量比提取原料，原料以纯合金或中间合金的形式提取，将说提取的原料直接按一定顺序放入真空熔炼坩埚中，采用真空感应熔炼-惰性气体雾化制粉，再对所得粉末进行振动筛分或气流分级处理。

真空感应熔炼的条件：真空度为0.5×10^-2Pa，熔炼温度为780℃；真空感应熔炼过程中控制升温速率为15℃/min，且780℃熔炼温度下保温30min并持续进行电磁搅拌。

待熔炼完成并搅拌均匀后，测定雾化罐内氧含量低于500ppm开始雾化，将熔炼合金液经中间包和漏嘴进入雾化罐中进行雾化,，雾化气体为高纯氩气，雾化喷嘴选用收放型环缝喷嘴，雾化压力为4.2MPa，雾化锥角为55°。

将制备出的粉末进行筛分，筛分出15～53μm粒度范围的粉末。

图1为实施例1的高强铝合金粉末的形貌和截面图。

一种SLM粉末床3D打印件，其制备方法如下：

将以上筛分后的铝合金粉末置于真空干燥箱中，90℃下进行8小时干燥处理，干燥处理后进行SLM粉末床3D打印。

SLM打印工艺为激光功率：350W；扫描速度：1050mm/s；扫描间距：0.08mm；扫描层厚：0.05mm。

经SLM粉末床3D打印且常规热处理工艺后，得到成形件。

实施例2

一种SLM打印专用铝合金粉末，含有以下质量百分含量的组分：Mg：6.5wt％；Sc：0.65wt％；Zr：0.33wt％；Mn：0.15wt％；Fe：0.05wt％；Ni：0.07wt％；Si：0.8％；Zn：0.08wt％；Cr：0.06wt％；其它微量元素包括Er和Ti，总含量为0.06wt％，余量为Al。

Si+Mn总含量0.95wt.％；

Si/Mn的质量比为5.33；

Si+Mg总含量7.3wt.％；

Si/Mg的质量比0.123；

Sc/Zr的质量比1.97；

其制备步骤如下：

将以上各组分按设定的质量比提取原料，原料以纯合金或中间合金的形式提取，将说提取的原料直接按一定顺序放入真空熔炼坩埚中，采用真空感应熔炼-惰性气体雾化制粉，再对所得粉末进行振动筛分或气流分级处理。

真空感应熔炼的条件：真空度为0.4×10^-2Pa，熔炼温度为800℃；真空感应熔炼过程中控制升温速率为15℃/min，且800℃熔炼温度下保温25min并持续进行电磁搅拌。

待熔炼完成并搅拌均匀后，测定雾化罐内氧含量低于500ppm开始雾化，将熔炼合金液经中间包和漏嘴进入雾化罐中进行雾化，雾化气体为高纯氩气，雾化喷嘴选用收放型环缝喷嘴，雾化压力为3.8MPa，雾化锥角为50°。

将制备出的粉末进行筛分，筛分出15～53μm粒度范围的粉末。

一种SLM粉末床3D打印件，其制备方法如下：

将以上筛分后的铝合金粉末置于真空干燥箱中，90℃下进行8小时干燥处理，干燥处理后进行SLM粉末床3D打印。

SLM打印工艺为激光功率：370W；扫描速度：1000mm/s；扫描间距：0.08mm；扫描层厚：0.04mm。

经SLM粉末床3D打印且常规热处理工艺后，得到成形件。

实施例3

一种SLM打印专用铝合金粉末，含有以下质量百分含量的组分：Mg：8.5wt％；Sc：0.45wt％；Zr：0.22wt％；Mn：0.5wt％；Fe：0.04wt％；Ni：0.08wt％；Si：0.55wt.％；Zn：0.09wt％；Cr：0.05wt％；其它微量元素包括Sr，Ti和Ce，总含量为0.06wt％，余量为Al。

Si+Mn总含量1.05wt.％；

Si/Mn的质量比为1.1；

Si+Mg总含量9.05wt.％；

Si/Mg的质量比0.065；

Sc/Zr的质量比2.045；

其制备步骤如下：

将以上各组分按设定的质量比提取原料，原料以纯合金或中间合金的形式提取，将说提取的原料直接按一定顺序放入真空熔炼坩埚中，采用真空感应熔炼-惰性气体雾化制粉，再对所得粉末进行振动筛分或气流分级处理。

真空感应熔炼的条件：真空度为0.4×10^-2Pa，熔炼温度为820℃；真空感应熔炼过程中控制升温速率为10℃/min，且820℃熔炼温度下保温20min并持续进行电磁搅拌。

待熔炼完成并搅拌均匀后，测定雾化罐内氧含量低于500ppm开始雾化，将熔炼合金液经中间包和漏嘴进入雾化罐中进行雾化,，雾化气体为高纯氩气，雾化喷嘴选用收放型环缝喷嘴，雾化压力为3.5MPa，雾化锥角为60°。

将制备出的粉末进行筛分，筛分出15～53μm粒度范围的粉末。

一种SLM粉末床3D打印件，其制备方法如下：

将以上筛分后的铝合金粉末置于真空干燥箱中，90℃下进行8小时干燥处理，干燥处理后进行SLM粉末床3D打印。

SLM打印工艺为激光功率：360W；扫描速度：1020mm/s；扫描间距：0.08mm；扫描层厚：0.05mm。

经SLM粉末床3D打印且常规热处理工艺后，得到成形件。

效果验证

对比例1：CN109487126A中实施例6。

表1各实施例的粉末物理性能

铝合金粉末	氧含量ppm	空心粉率％	球形度	霍尔流动性
					实施例1	156	0.23	0.89	115s/50g
实施例2	134	0.43	0.88	118s/50g
					实施例3	189	0.51	0.90	105s/50g
对比例1	750	1.32	0.85	无法测出

表2各实施例的粉末经SLM打印的样件微观组织特征参数和力学性能

虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施方案对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，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。