本发明涉及一种复层Al-Si合金的制备方法，属于材料加工技术领域。
背景技术：
Al-Si合金因具有轻质、高导热、低热膨胀系数、高强度以及优异的耐磨耐蚀性能，广泛应用于航空、航天、汽车等领域。随着现代工业的发展，Al-Si合金构件结构逐渐向复杂形状转变，对其工艺流程和尺寸精度等提出了新的要求；且随着构件结构复杂程度的增加，构件各部位所要求的性能不尽相同。此外，随着硅含量的增加，合金的强度、耐磨耐蚀性增加，但是延展性和导热性能呈现相反的变化趋势且合金组织逐渐粗化。传统粉末冶金及铸造技术由于工艺复杂，耗时较长，且难以制备复杂形状的构件。工艺的局限性使得粉末冶金及铸造技术难以满足实际需求。
技术实现要素：
本发明提出采用选择性激光熔化技术(Selective Laser Melting,SLM)制备复层Al-Si合金，并通过后续热处理的方法进一步调整复层材料的延伸率和强度。本发明对开发高性能轻质合金具有实用价值，为复杂精细结构件激光快速成形及工艺优化提供新思路。
本发明的目的一方面是满足同一构件不同位置不同性能的需求，另一方面是有效地解决传统铸造工艺无法制备复杂构件和Si相尺寸粗大的问题，提出一种复层材料的新的制备方法。
为实现上述目的，本发明提供了一种复层Al-Si合金的制备方法，用此方法制得的复层Al-Si合金，不可避免的杂质总量≤0.15wt.％，余量为Al和Si。具体的技术方案如下：
采用传统铸造方法按成分熔配母合金锭，采用气雾化方法制备合金粉末，通过选择性激光熔化技术制备复层材料，并通过后续热处理方法进一步调整复层材料的力学性能，从而实现组织均匀化和高性能复层材料的制备，其具体步骤如下：
(1)母合金熔配；按重量比称取Al和Si，然后熔炼均匀，除气除渣后，成型制得熔配的铸锭；
其中，所述步骤(1)的熔炼均匀方法为：控制合金的熔炼温度，将铝和硅搅拌均匀，合金完全熔化后保温至硅完全熔解。所述控制合金的熔炼温度为当Al和Si的质量比为80：20时(Al-20Si铸锭)，熔炼温度为800-850℃；当Al和Si的质量比为88：12(Al-12Si铸锭)时，熔炼温度为700-750℃。
具体步骤可以为：
步骤A.1熔配合金的原材料分别为工业纯Al(99.9％)，纯Si(99.9％)，。按成分配比将称重好的金属料分别放入镁砂坩埚采用感应熔炼。
步骤A.2合金的熔炼温度分别控制在800-850℃(Al-20Si)和700-750℃(Al-12Si)，在熔炼的过程中利用石墨搅拌棒搅拌，使合金元素能够均匀分布，合金完全熔化后保温30min，保证Si元素完全熔解。
步骤A.3合金液经除气、除渣后浇注到金属模具中。
(2)雾化粉末制备；在氮气保护下，将步骤(1)的熔配的铸锭熔化后，利用喷射沉积雾化制成合金粉末；过筛，选取尺寸不大于300M的粉末；
其中，所述步骤(2)中当Al和Si的质量比为80：20时的喷射沉积雾化温度分别为820±10℃(Al-20Si)以及当Al和Si的质量比为88：12时的喷射沉积雾化温度为720±10℃(Al-12Si)。
其中，所述步骤(2)中的喷射沉积雾化时的条件为导液管的材料为氮化硼，内径为3.0～3.5mm，气体压力控制在1.2MPa。
具体步骤可以为：
步骤B.1将熔配的铸锭放入喷射沉积熔化坩埚中，调整坩埚的角度，安装雾化器，对设备抽真空，并冲入0.5atm的氮气进行保护。
步骤B.2升温对合金进行熔化，温度分别控制在820±10℃(Al-20Si)，720±10℃(Al-12Si)，然后将熔化后的合金液转移到具有一定温度的保温坩埚内，熔化的合金液经过导液管流出被高速的气体雾化成细小的液滴，导液管的材料为氮化硼，内径在3.0～3.5mm之间，气体压力控制在1.2MPa。
步骤B.3收集雾化后粉末，经过300M的筛子后，去除大颗粒的粉末。
(3)激光选区熔化复层材料；将步骤(2)中的尺寸不大于300M的粉末，在惰性气体保护下，进行选择性激光熔化制备复层铝硅合金；粒径越小，制备的复层材料表面精度越高，表面越光滑。
所述惰性气体为氩气。具体步骤可以为：
步骤C.1安装基板，将Al-12Si和Al-20Si粉末分别放入相应的选择性激光熔化的漏斗中，调试漏斗的移动装置。
步骤C.2对设备抽真空，并冲入一定量的氩气作为保护气体，减少合金的氧化。
步骤C.3调试激光工艺参数，如激光能量，扫描速度，扫描间距，粉末层厚。根据需要调整铺粉层数，其中Al-12Si、Al-20Si分别铺粉800层。
步骤C.4实验结束，取出样品，对试样进行微观组织观察，如图1所示。并且对试样进行维氏硬度测试，如图2所示。最后对试样进行拉伸测试，拉伸应力-应变曲线如图3所示，拉伸后试样的宏观形貌如图4所示。
(4)热处理：在真空条件下，将步骤(3)中的复层铝硅合金进行热处理；所述热处理的温度663K～683K。
所述步骤(4)中热处理的方法为对步骤(3)中的复层铝硅合金加热至温度为663K～683K后，保温6小时，后炉冷至室温。
具体步骤可以为：
步骤D.1对设备抽真空，减少合金在热处理过程中氧化。
步骤D.2对样品进行加热，温度控制在663K～683K之间，到设定温度后保温6小时。
步骤D.3热处理结束后，关闭加热电源，等待试样冷却至室温后卸真空，取出样品，进行显微组织观察，如图5所示，以及对热处理后的试样进行维氏硬度测试，如图6所示。对热处理后的试样进行拉伸测试，拉伸应力-应变曲线如图7所示，拉伸后试样的宏观形貌如图8所示。
本发明不同于现有的热压烧结和铸造的方法制备复层铝硅合金，首次采用选择性激光熔化技术制备复层铝硅合金，又通过热处理的方法进一步调整合金的强度和延伸率。该发明不仅对开发高性能轻质合金具有实用价值，同时也为复杂精细结构件激光快速成形及工艺优化提供新思路。
附图说明
图1激光选区熔化铝硅复层材料微观组织形貌
图2激光选区熔化铝硅复层材料硬度曲线图
图3激光选区熔化铝硅复层材料拉伸应力-应变曲线
图4激光选区熔化铝硅复层材料拉伸试样宏观形貌
图5 673K热处理6h后铝硅复层材料微观组织形貌
图6 673K热处理6h后铝硅复层材料的硬度曲线图
图7 673K热处理6h后铝硅复层材料的拉伸应力-应变曲线
图8 673K热处理6h后铝硅复层材料拉伸试样宏观形貌
具体实施方式
以下部分是具体实施方式对本发明做进一步说明，但以下实施方式仅仅是对本发明的进一步解释，不代表本发明保护范围仅限于此，凡是以本发明的思路所做的等效替换，均在本发明的保护范围。
实施例1
一、Al-12Si，Al-20Si母合金熔配
步骤1、选用工业级纯合金，具体成分：工业纯Al(99.9％)，纯Si(99.9％)。按成分配比(质量百分比)将称重好的金属料分别放入镁砂坩埚采用感应熔炼。
步骤2、对坩埚进行加热，熔炼温度分别控制在800-850℃(Al-20Si)和700-750℃(Al-12Si)，实时用热电偶测试熔体的温度，在熔炼的过程中利用石墨搅拌棒搅拌，使合金元素能够均匀分布，合金完全熔化后保温30min，保证Si完全熔解。
步骤3、合金液经除气、除渣后浇注到金属模具中。
二、复层材料铝硅合金雾化粉末的制备过程
步骤1、将熔配的铸锭放入喷射沉积熔化坩埚中，调整坩埚的角度，安装雾化器，对设备抽真空，并冲入0.5atm的氮气进行保护。
步骤2、升温对合金进行熔化，温度分别控制在820±10℃(Al-20Si)，720±10℃(Al-12Si)然后将熔化后的合金液转移到具有一定温度的保温坩埚内，熔化的合金液经过导液管流出被高速的气体雾化成细小的液滴，导液管的材料为氮化硼，内径在3.0～3.5mm之间，气体压力控制在1.2MPa。
步骤3、收集雾化后粉末，经过300M的筛子后，去除大颗粒的粉末。
三、选择性激光熔化制备复层铝硅合金材料
步骤1、安装沉积盘，将Al-12Si和Al-20Si粉末分别放入相应的选择性激光熔化的漏斗中，调试漏斗的移动装置。
步骤2、对设备抽真空，并冲入一定量的氩气作为保护气体，减少合金的氧化。
步骤3、调试激光功率，开始实验。调整激光工艺参数，如激光能量，扫描速度，扫描间距，粉末层厚。根据需要选择铺粉层数，其中Al-12Si、Al-20Si分别铺粉800层。
步骤4、实验结束，取出样品。并且对试样进行微观形貌观察和维氏硬度测试以及拉伸测试。
四、复层材料高硅铝合金的热处理
步骤1、对设备抽真空，减少合金在热处理过程中的氧化。
步骤2、对样品进行加热，温度控制在663K～683K之间，到设定温度后保温6小时。
步骤3、热处理结束后，关闭加热电源，等待试样冷却至室温后卸真空，取出样品，进行显微组织观察，维氏硬度测试以及拉伸测试。
综上所述，本发明采用选择性激光熔化技术制备复层铝硅合金。该技术能够明显细化Si相和提高材料性能，并通过后续热处理技术进一步调整了材料的力学性能，能够明显改善合金的机械性能，为复层铝硅合金的制备提供了一种新的方法，提升了其在航空航天、汽车等工业领域的应用前景。