一种增材制造用铝铒合金粉末及其制备方法与流程

本发明属于铝合金冶炼领域，涉及铝合金粉末的成分设计与制备，具体涉及一种增材制造用高强铝铒合金粉末及其制备方法。

背景技术：

1、铝合金具有密度低、比强度高、耐腐蚀性能好等优点，是一种理想的结构或功能材料，广泛应用于航空航天、汽车和船舶工业等领域。但传统的铝合金加工方法(如铸造、锻造和粉末冶金等)在加工几何形状复杂的产品和零件时存在局限性。增材制造作为一种分层制造技术，具有较高的设计、成形自由度和较低的成本，为突破上述困境提供了新的途径。然而，增材制造属于非平衡凝固过程，冷却速度快(103-106k/s)、温度梯度大(～10-6k/m)，凝固过程中极易产生冶金缺陷，如热裂、球化和孔洞，只有极少数合金体系适合打印同时具有低密度、特定微结构和高力学性能的部件。目前适用于增材制造的铝合金体系主要为al-si共晶体系，其凝固温度范围小，不易开裂，具有良好的加工成形性，但强度和延伸率过低，力学性能缺乏竞争力。如选区激光熔化(slm)成形的alsi10mg，屈服强度为300mpa，抗拉强度为490mpa，延伸率仅为4％。而传统高强变形铝合金体系，如2xxx,、6xxx及7xxx铝合金，由于合金元素含量高、凝固温度区间宽、无初生异质形核相，因此打印过程中粗大柱状晶生长会导致严重的周期性沿晶热裂纹，并不适合增材制造工艺。

2、因此，亟需开发适用于增材制造非平衡快速凝固过程的易成形高强高塑铝合金体系。

技术实现思路

1、本发明提供了一种铝铒合金及其及其制备方法，其制成的增材制造部件具有较低的热裂敏感性，以及较高的屈服强度和良好的塑性。

2、本发明的一方面，提供一种铝合金，其包含：

3、4-20wt％的铒(er)；

4、2-10wt％的镁(mg)；

5、小于等于1wt％的锰(mn)；

6、任选地，0-1wt％的钪(sc)；

7、任选地，0-1wt％的锆(zr)。

8、在一实施方案中，所述铝合金包含5.0-10.8wt％的er，例如可以为5.0-10.8wt％、10.8-14.6wt％、10.8-15.6wt％，进一步可以为5.0wt％、5.2wt％、5.0wt％、5.5wt％、7wt％、10.8wt％、14.6wt％或15.6wt％。

9、在一实施方案中，所述铝合金包含3.0-8.5wt％的mg，例如可以为3.0-3.3wt％、3.3-4.5wt％、4.5-7.8wt％、7.8-8.5wt％，进一步可以为3.0wt％、3.3wt％、4.5wt％、7.8wt％或8.5wt％。

10、在一实施方案中，所述铝合金包含0.3-0.6wt％的mn，例如可以为0.5wt％、0.6wt％。

11、在一实施方案中，所述铝合金包含0-0.7wt％的zr，进一步可以为0wt％、0.1wt％、0.4wt％或0.7wt％。

12、在一实施方案中，所述铝合金包含0-0.5wt％的sc，进一步可以为0wt％、0.1wt％或0.5wt％。

13、在一实施方案中，所述铝合金包含：

14、10.8wt％的er、4.5wt％的mg、0.6wt％的mn、0.7wt％的zr；或，

15、10.8wt％的er、4.5wt％的mg、0.6wt％的mn、0.5wt％的sc、0.4wt％的zr；或，

16、10.8wt％的er、3.0wt％的mg、0.6wt％的mn、0.7wt％的zr；或，

17、10.8wt％的er、3.0wt％的mg、0.6wt％的mn、0.5wt％的sc、0.4wt％的zr；或，

18、10.8wt％的er、8.5wt％的mg、0.6wt％的mn、0.7wt％的zr；或，

19、10.8wt％的er、8.5wt％的mg、0.6wt％的mn、0.5wt％的sc、0.4wt％的zr；或，

20、15.6wt％的er、4.5wt％的mg、0.6wt％的mn、0.7wt％的zr；或，

21、15.6wt％的er、4.5wt％的mg、0.6wt％的mn、0.5wt％的sc、0.4wt％的zr；或，

22、15.6wt％的er、3.3wt％的mg、0.6wt％的mn、0.7wt％的zr；或，

23、15.6wt％的er、3.3wt％的mg、0.6wt％的mn、0.5wt％的sc、0.4wt％的zr；或，

24、15.6wt％的er、7.8wt％的mg、0.6wt％的mn、0.7wt％的zr；或，

25、14.6wt％的er、7.8wt％的mg、0.6wt％的mn、0.5wt％的sc、0.4wt％的zr；或，

26、5.0wt％的er、4.5wt％的mg、0.6wt％的mn、0.3wt％的zr；或，

27、5.5wt％的er、4.5wt％的mg、0.6wt％的mn、0.5wt％的sc、0.4wt％的zr；或，

28、5.0wt％的er、3.0wt％的mg、0.6wt％的mn、0.7wt％的zr；或，

29、5.0wt％的er、3.0wt％的mg、0.6wt％的mn、0.5wt％的sc、0.40wt％的zr；或，

30、5.2wt％的er、8.5wt％的mg、0.6wt％的mn、0.7wt％的zr；或，

31、5.2wt％的er、8.5wt％的mg、0.6wt％的mn、0.50wt％的sc、0.4wt％的zr；或，

32、10.8wt％的er、4.5wt％的mg、0.6wt％的mn；或，

33、5.5wt％的er、4.5wt％的mg、0.6wt％的mn、0.1wt％的zr；或，

34、7.0wt％的er、4.5wt％的mg、0.5wt％的mn、0.3wt％的zr、0.1wt％sc。

35、在一实施方案中，所述铝合金还包含作为余量的铝(al)和不可避免的杂质。

36、在一实施方案中，所述铝合金的制成形式选自以下组：粉末、切片、带材、线材、片材、板材和箔材。

37、在一实施方案中，将所述合金制造为粉末形式，可在增材制造方法中使用所述粉末形式。

38、在一实施方案中，所述合金中呈现柱状晶和等轴晶共存的双晶粒形貌。

39、进一步地，所述合金富含细晶粒组织。本发明al-er合金的等轴细晶区占比明显多于al-ni体系合金，表现出更优异的凝固特性。

40、在一实施方案中，所述合金的晶粒尺寸在500nm和约2μm之间。

41、在一实施方案中，所述合金具有晶粒尺寸在500nm和约2μm之间的细晶粒组织。

42、在一实施方案中，所述合金具有晶粒尺寸约500nm的等轴晶以及直径2μm的柱状晶。

43、在一实施方案中，所述柱状晶内包含连续的al3er胞状共晶网络结构。

44、在一实施方案中，所述网络结构中，网络单元尺寸为300-400nm。该共晶相(及其组成的网络结构)具有塑性变形能力，有益于提升材料塑性。

45、在一实施方案中，所述al3er胞状共晶网络结构中含有孪晶结构，所述孪晶结构为纳米孪晶。

46、本发明的另一方面，提供一种前述铝合金的制备方法，其包括：

47、通过快速凝固工艺制备所述铝合金；所述快速凝固工艺优选自气体雾化、喷射沉积、平流铸造、熔体纺丝、熔体提取和波束上釉中的一种或多种。

48、在一实施方式中，所述雾化制粉包括但不限于：气体雾化、旋转电极雾化、超声雾化。

49、在一实施方式中，所述增材制造包括但不限于：激光选区熔融增材制造、激光定向能量沉积增材制造、电子束选区熔融增材制造、电子束定向能量沉积增材制造。

50、在一实施方式中，前述铝合金的制备方法包括：熔炼制得铝铒合金预制锭，通过气雾化制粉法获得铝铒合金粉末。

51、在一实施方式中，所述铝铒合金预制锭的制备包括如下步骤：

52、s1、根据合金化学成分重量占比，分别称取纯al、纯mg、al-er中间合金块、al-mn中间合金块作为原料，任选地，所述原料还包括al-sc中间合金块和/或al-zr中间合金块；

53、s2、将纯al、al-er中间合金块混合，加热熔化搅拌后得到熔体a；

54、s3、将al-mn中间合金块加入熔体a中，加热熔化搅得到熔体b；

55、铝铒合金中含sc时，熔体a中还加入al-sc中间合金块；铝铒合金中含zr时，熔体a中还加入al-zr中间合金块；

56、s4、将纯mg压入熔体b中，得到熔体c；

57、s5、步骤s4得到的熔体中加入精炼剂、覆盖剂并真空除气得到熔体d；

58、s6、将熔体d除渣后浇筑在预热模具中得到金属锭。

59、在一实施方案中，所述步骤s2中的加热温度为780-800℃，搅拌时间为1-3min。

60、在一实施方案中，所述步骤s3中的加热温度为780-800℃，搅拌时间为1-3min。

61、在一实施方案中，所述步骤s4中的加热温度为700-740℃，搅拌时间为1-3min。

62、在一实施方案中，所述步骤s5中真空炉温度为740℃，除气时间为5-10min；

63、在一实施方案中，所述步骤s6中模具预热温度为200-250℃。

64、在一实施方案中，气雾化成形包括如下步骤：

65、a1、真空环境下将铝铒合金预制锭加热熔化；

66、a2、熔融的熔体在重力作用下流动，流出的熔体在雾化氮气冲击下被破碎成不同尺寸的液滴，液滴在下落的过程中凝固成粉末，收集得到高强铝铒合金粉末。

67、作为一个实施方案，步骤a1中所述加热为电磁感应加热，加热温度为750-800℃，保温0.5-0.8h。

68、作为一个实施方案，步骤a1具体为：

69、a、将铝铒合金预制锭置于熔炼腔内的石墨坩埚，关闭腔体炉门，通过真空系统降低熔炼腔体内的真空度，然后向腔体内通入氮气进一步置换腔体内的空气，降低腔体内的氧气含量；

70、b、通过电磁感应加热腔体，使铸锭完全熔化。

71、作为一个实施方案，步骤a2中，收集粉末后还包括将收集的粉末进行真空包装的步骤。

72、在一些具体实施例中，采用气雾化制粉法制备用于增材制造的铝铒合金粉末，其步骤如下：

73、(1)原料准备：

74、按照权利要求1所述用于增材制造的al-er-mg-mn-sc-zr合金粉末的化学元素组成及其质量百分比配方进行配料；采用纯al作为al源材料，采用al-20er中间合金作为er源材料，采用纯mg作为mg源材料，采用al-10mn中间合金作为mn源材料，采用al-10sc中间合金作为sc源材料；采用al-10zr中间合金作为zr源材料；分别称取纯al、纯mg、al-20er中间合金块、al-10mn中间合金块、al-10sc中间合金、al-10zr中间合金块作为原料，并按照mg、sc、zr的收得率为95％的标准，额外称取纯mg、al-10zr中间合金块作为烧损而补充原料部分；

75、(2)al-er-mg-mn-sc-zr合金预制锭的熔炼：

76、a.将纯al、纯mg、al-20er中间合金块混合放入石墨坩埚，在电阻炉中加热至780-800℃熔化后，用石墨搅拌棒搅拌3min；

77、b.将al-10mn中间合金块、al-10zr中间合金块加入熔体，用石墨搅拌棒搅拌3分钟；

78、铝铒合金中含sc时，熔体中还加入al-10sc中间合金块；

79、c.将纯mg加入熔体，用石墨杆将其压入熔体底部溶解；

80、d.加入精炼剂进行精炼，随后扒去表面渣，撒上覆盖剂，真空除气5-10分钟；

81、e.扒去表面渣，浇铸于250℃预热的圆柱形模具中，得到圆柱锭；

82、f.采用机械加工方法去除铸锭表面氧化皮。

83、(3)al-er-mg-mn-sc-zr合金粉末的气雾化成形：

84、a.将al-er-mg-mn-sc-zr预制锭置于熔炼腔内的石墨坩埚，关闭腔体炉门，通过真空系统降低熔炼腔体内的真空度，然后向腔体内通入氮气进一步置换腔体内的空气，降低腔体内的氧气含量；

85、b.通过电磁感应加热腔体，目标温度为750-800℃，保温0.5h，使铸锭完全熔化；

86、c.熔融的熔体在重力作用下沿着喷嘴流动，并在快速移动的雾化氮气的冲击下被破碎成不同尺寸的液滴，液滴在下落的过程中凝固成粉末，在腔体的底部收集下落的粉末；

87、d.将收集的粉末进行真空包装，防止粉末被氧化。

88、本发明的另一方面，提供一种所述合金的气体雾化粉末制成的增材制造部件。

89、在一实施方案中，所述部件的屈服强度大于440mpa，进一步大于500mpa或550mpa，甚至大于600mpa。

90、在一实施方案中，所述部件的抗拉强度大于550mpa，进一步大于600或650mpa，甚至大于700mpa。

91、在一实施方案中，所述部件的延伸率大于4％，甚至大于6％、8％或10％，甚至大于12％。

92、在一实施方案中，所述部件在250-350℃保温5-40min后，屈服强度大于580mpa，抗拉强度大于630mpa，延伸率大于8％。

93、本发明的另一方面，提供一种制造部件的方法，其包括：

94、制造前述铝合金的粉末形式；

95、在进行增材制造工艺中使用该粉末形式以制造该部件。

96、与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果:

97、(1)本发明高强铝铒合金粉末具有优异的打印成形性。以al-er共晶体系为基础，凝固区间小，热裂倾向低；此外，与其他共晶铝合金体系不同，凝固过程中能额外形成al3er初生相，其与铝基体共格，因此起到细晶作用，进一步改善了al-er体系的凝固行为和抗热裂敏感性。通过对比微观组织可以发现，本发明各实施例al-er合金的等轴细晶区占比要明显多于al-ni体系合金，表现出更优异的凝固特性。

98、(2)由本发明铝饵合金粉末选区激光打印成形的块体材料具有突出的力学性能。成形态屈服强度可大于530mpa，抗拉强度可大于550mpa，延伸率可大于10％；经过简单热处理后，屈服强度可大于620mpa，抗拉强度可大于640mpa，延伸率可大于8％。打印态屈服强度超过目前所有增材制造超高强铝合金的水平。

99、(3)本发明铝饵合金粉末选区激光打印成形的块体材料内部的al3er共晶相组成连续胞状网络结构，强化作用显著。

100、(4)本发明铝饵合金粉末选区激光打印成形的块体材料内部的al3er共晶相中含有大量纳米孪晶，表明该共晶相(及其组成的胞状网络结构)具有塑性变形能力，保障了材料的强塑性匹配，纳米孪晶的出现还将提升共晶网络结构的强度，进而提高材料整体强度水平。同时，al3er共晶相与铝基体共格，有利于两者之间的协调变形。

101、(5)本发明的高强铝铒合金粉末制备方法及工艺操作简单成熟，低成本高效率，可以实现大规模工业生产。

102、(6)本发明高强铝铒合金粉末对激光选区熔融等增材制造工艺的适用性强，可以实现大规模工业生产。