阅读说明：本技术 一种利用3d打印制备含钪铝合金零件的方法及其产品 (Method for preparing scandium-containing aluminum alloy part by using 3D printing and product thereof ) 是由 文世峰 刘洋 周燕 史玉升 陈道兵 洪青锋 李霏 王楠 于 2019-12-10 设计创作，主要内容包括：本发明属于合金成型制造领域,并具体公开了一种利用3D打印制备含钪铝合金零件的方法及其产品。该方法包括如下步骤：采用选择性激光熔化工艺制备含钪铝合金的待处理零件；在惰性气氛下将其加热至400℃～800℃并保温3h～5h,然后转移至水中进行淬火；将淬火后的零件在80℃～150℃下保温预设时间,冷却至室温以此获得含钪铝合金零件。本发明能够使得待处理零件中弥漫分布着大量细小的Al<Sub>3</Sub>Sc、Al<Sub>3</Sub>Zr粒子,其与合金的基体存在共格关系,有较小的错配度和较高的热稳定性,并且可以强烈钉扎位错和晶体,阻碍位错运动和晶界迁移,使合金中固溶体在晶内析出,晶界为断续状分布的晶体析出相,显著提高含钪铝合金零件的强度。(The invention belongs to the field of alloy forming and manufacturing, and particularly discloses a method for preparing a scandium-containing aluminum alloy part by using 3D printing and a product thereof. The method comprises the following steps: preparing a part to be treated containing scandium-aluminum alloy by adopting a selective laser melting process; heating the mixture to 400-800 ℃ under inert atmosphere, preserving heat for 3-5 h, and transferring the mixture to waterQuenching is carried out; and (3) preserving the heat of the quenched part at 80-150 ℃ for a preset time, and cooling to room temperature to obtain the scandium-containing aluminum alloy part. The invention can cause the part to be treated to be diffused and distributed with a large amount of fine Al 3 Sc、Al 3 The Zr particles have a coherent relationship with the matrix of the alloy, have small mismatching degree and high thermal stability, can strongly pin dislocation and crystal, block dislocation movement and grain boundary migration, enable solid solution in the alloy to be precipitated in the crystal, enable the grain boundary to be a crystal precipitation phase distributed in an intermittent manner, and remarkably improve the strength of the scandium-containing aluminum alloy part.)

一种利用3D打印制备含钪铝合金零件的方法及其产品

技术领域

本发明属于合金成型制造领域，更具体地，涉及一种利用3D打印制备含钪铝合金零件的方法及其产品。

背景技术

钪(Sc)是周期表中第21号元素，稀土金属之一，金属钪的熔点为1541℃，密度2.989g/cm³，化学性质非常活泼。钪以合金元素的形式加入铝合金中，可表现出诸多优异性能，如熔体净化作用、改善铸态组织的作用以及抑制再结晶作用等。微量钪元素加入到铝合金中表现出强烈的性能强化作用，能够全面提高铝合金强度、韧性、塑性、高温性能、耐腐蚀及焊接性能。

粉末冶金技术可以制备普通铸锭法难以制备的高合金化合金，尤其是Zr、Sc等元素含量高的合金，这些合金的强度极高，可以作为航空航天器的重要关键结构材料。目前，采用铸锭法(Ingot metallurgy，IM法)己经可以批量生产600MPa级的超高强铝合金，但采用普通铸造方法无法生产高复杂度的零件，并且进行后期处理耗时耗力。选择性激光熔化工艺(SLM工艺)具有以逐层方式制造复杂结构的优点，解决了含钪铝合金合金的可加工性差的问题。但是，目前3D打印含钪铝合金的研究仍处于起步阶段，制备过程中的工艺参数对强度、韧性、塑性、高温性能、耐腐蚀和几何特征均有很大影响。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种利用3D打印技术制备含钪铝合金零件的方法及其产品，其中该方法利用选择性激光熔化工艺制备含钪铝合金的待处理零件，然后对其后续处理的工艺参数进行优化，从而有效提含钪铝合金零件的抗拉强度、屈服强度、延伸率和硬度，具有易于实施、灵活性好、适用性强的优点。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提出了一种利用3D打印制备含钪铝合金零件的方法，该方法包括如下步骤：

(a)采用选择性激光熔化工艺制备含钪铝合金的待处理零件；

(b)在惰性气氛下将所述含钪铝合金的待处理零件加热至400℃～800℃并保温3h～5h，然后转移至水中进行淬火；

(c)将淬火后的零件在80℃～150℃下保温预设时间，然后冷却至室温，以此获得所述含钪铝合金零件。

作为进一步优选地，所述含钪铝合金的待处理零件以质量分数计，包括以下组分，Mg：4％～6.5％，Ag：0.3～1.5％，Mn：0.1～1.0％，Zr：0.02～0.3％，Zn：0.2％～1.2％，Ti：0.01％～0.12％，Sc：0.05～0.6％，余量为Al。

作为进一步优选地，在步骤(a)中，所述选择性激光熔化工艺的参数为：激光功率为150W～250W，扫描速度为800mm/s～1400mm/s，层厚为30μm～40μm，扫描间距为80μm～120μm。

作为进一步优选地，在步骤(b)中，转移时间为10s～20s。

作为进一步优选地，在步骤(b)中，淬火时间为5min～10min。

作为进一步优选地，在步骤(c)中，保温时间为4h～8h。

按照本发明的另一方面，提供了一种利用上述方法制备的含钪铝合金零件。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：

1.本发明通过选择性激光熔化工艺制备含钪铝合金的待处理零件，然后在400℃～800℃下保温3h～5h，能够使得待处理零件中弥漫分布着大量细小的Al₃Sc、Al₃Zr粒子，其与合金的基体存在共格关系，有较小的错配度和较高的热稳定性，并且可以强烈钉扎位错和晶体，阻碍位错运动和晶界迁移，使合金中固溶体在晶内析出，晶界为断续状分布的晶体析出相，显著提高含钪铝合金零件的强度；

2.尤其是，本发明通过对含钪铝合金的待处理零件的组分进行优化，能够提高铝合金的强度，其中Sc元素能细化铝合金晶粒，有强烈的沉淀强化及抑制再结晶效果，从而有效提高铝合金的力学性能，通过添加Sc元素能提高铝合金的耐剥落腐蚀、耐晶间腐蚀性能，以及降低应力腐蚀开裂倾向，添加Zr可以使含钪铝合金存在大量较稳定的Al₃Sc、Al₃Zr颗粒，抑制热影响区的再结晶，减弱热影响区的软化；

3.此外，本发明对加热过程中的升温速率、淬火时间等条件进行优化，能够细化晶粒，使晶界析出相呈不连续分布，从而提高合金的拉伸塑性和抗腐蚀性能。

附图说明

图1是本发明优选实施例提供的利用3D打印技术制备含钪铝合金的工艺流程图；

图2是本发明优选实施例提供的利用3D技术制备含钪铝合金过程中热处理温度随时间的变化曲线图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图1～2所示，本发明实施例提供了一种利用3D打印制备含钪铝合金零件的方法，该方法包括如下步骤：

(a)采用选择性激光熔化工艺制备含钪铝合金的待处理零件；

(b)将含钪铝合金放于高温箱式炉内，在惰性气氛下以480℃/h的升温速率将高温箱式炉升温至400℃～800℃并保温3h～5h，然后在10s～20s内转移至水中淬火5min～10min；

(c)将淬火后的零件转移至80℃～150℃的高温箱式炉内，保温4h～8h，然后冷却至室温，以此获得含钪铝合金零件。

进一步，含钪铝合金的待处理零件以质量分数计，包括以下组分，Mg：4％～6.5％，Ag：0.3～1.5％，Mn：0.1～1.0％，Zr：0.02～0.3％，Zn：0.2％～1.2％，Ti：0.01％～0.12％，Sc：0.05～0.6％，余量为Al。其中Sc元素能细化铝合金晶粒，有强烈的沉淀强化及抑制再结晶效果，从而有效提高铝合金的力学性能，通过添加Sc元素能提高铝合金的耐剥落腐蚀、耐晶间腐蚀性能，以及降低应力腐蚀开裂倾向，添加Zr可以使含钪铝合金存在大量较稳定的Al₃Sc、Al₃Zr颗粒，抑制热影响区的再结晶，减弱热影响区的软化；Sc、Z r能够高弥散度粒子钉扎位错，阻碍亚晶合并，导致得到非再结晶组织所引起的细晶强化、亚结构强化以及弥散相粒子本身的直接强化作用。

进一步，在步骤(a)中，选择性激光熔化工艺的参数为：激光功率为150W～250W，扫描速度为800mm/s～1400mm/s，层厚为30μm～40μm，扫描间距为80μm～120μm。

按照本发明的另一方面，提供了一种利用上述方法制备的含钪铝合金零件。

下面根据具体实施例对本发明作进一步说明。

实施例1

(a)采用选择性激光熔化工艺制备含钪铝合金的待处理零件，其包括以下组分，Mg：4％，Ag：0.8％，Mn：0.5％，Zr：0.1％，Zn：1.0％，Ti：0.05％，Sc：0.2％，余量为Al；

(b)将含钪铝合金放于高温箱式炉内，在惰性气氛下以480℃/h的升温速率将高温箱式炉升温至400℃并保温4h，然后在10s～20s内转移至水中淬火5min；

(c)将淬火后的零件在100℃的条件下保温4h，然后冷却至室温，以此获得含钪铝合金零件。

实施例2

(a)采用选择性激光熔化工艺制备含钪铝合金的待处理零件，其包括以下组分，Mg：4.5％，Ag：0.3％，Mn：0.1％，Zr：0.3％，Zn：0.4％，Ti：0.01％，Sc：0.15％，余量为Al；

(b)将含钪铝合金放于高温箱式炉内，在惰性气氛下以480℃/h的升温速率将高温箱式炉升温至800℃并保温3h，然后在10s～20s内转移至水中淬火10min；

(c)将淬火后的零件在80℃的条件下保温5h，然后冷却至室温，以此获得含钪铝合金零件。

实施例3

(a)采用选择性激光熔化工艺制备含钪铝合金的待处理零件，其包括以下组分，Mg：5.0％，Ag：1.5％，Mn：0.6％，Zr：0.2％，Zn：0.7％，Ti：0.08％，Sc：0.05％，余量为Al；

(b)将含钪铝合金放于高温箱式炉内，在惰性气氛下以480℃/h的升温速率将高温箱式炉升温至600℃并保温5h，然后在10s～20s内转移至水中淬火8min；

(c)将淬火后的零件在150℃的条件下保温8h，然后冷却至室温，以此获得含钪铝合金零件。

实施例4

(a)采用选择性激光熔化工艺制备含钪铝合金的待处理零件，其包括以下组分，Mg：5.5％，Ag：1.2％，Mn：1.0％，Zr：0.25％，Zn：1.2％，Ti：0.1％，Sc：0.4％，余量为Al；

(b)将含钪铝合金放于高温箱式炉内，在惰性气氛下以480℃/h的升温速率将高温箱式炉升温至700℃并保温3h，然后在10s～20s内转移至水中淬火6min；

(c)将淬火后的零件在120℃的条件下保温6h，然后冷却至室温，以此获得含钪铝合金零件。

实施例5

(a)采用选择性激光熔化工艺制备含钪铝合金的待处理零件，其包括以下组分，Mg：6.0％，Ag：1.1％，Mn：0.3％，Zr：0.02％，Zn：0.2％，Ti：0.12％，Sc：0.6％，余量为Al；

(b)将含钪铝合金放于高温箱式炉内，在惰性气氛下以480℃/h的升温速率将高温箱式炉升温至500℃并保温4.5h，然后在10s～20s内转移至水中淬火7min；

(c)将淬火后的零件在130℃的条件下保温7h，然后冷却至室温，以此获得含钪铝合金零件。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。