一种增材制造轻质耐热铝合金及其制备方法

本发明涉及增材制造金属合金材料，特别涉及一种增材制造轻质耐热铝合金及其制备方法。

背景技术：

1、铝合金及其复合材料(铝基材料)具有低密度，高比强度等一系列优点，被广泛应用在航空航天、交通运输以及军工领域，高强耐热铝合金及其复合材料在实际应用中的需求快速增长。航空航天一直致力于实现机身和推进系统的减重设计，这通常依靠轻质材料及拓扑优化结构设计实现。而增材制造对航空航天领域热端部件的轻量化设计与制造具有重要意义。目前，铝合金在高温力学性能方面难以满足实际工况的服役要求，尤其对应用环境恶劣的航空航天制件。因此，亟需开发增材制造用的新型轻质耐高温铝合金。

2、现有技术中，专利申请cn117600493a就涉及到了一种增材制造耐热铝合金的制备方法，其包括如下步骤： s1：以alsi10mg合金粉末为基础材料；改性粉末材料为al-ce中间合金粉末、al-sc中间合金粉末、al-zr中间合金粉末、al-fe中间合金粉末、al-v中间合金粉末、al-ag中间合金粉末、al-cu中间合金粉末、al-si中间合金粉末、al-mn中间合金粉末、al-mg中间合金粉末、al-ti中间合金粉末、al-ni中间合金粉末、al-cr中间合金粉末、al-zn中间合金粉末、al-ti-c中间合金粉末中的一种或多种；所述基础材料与所述改性粉末材料粒径一致；s2：选取的不同合金成分、不同质量的一种或多种的所述改性粉末材料与所述alsi10mg合金粉末进行均匀混合，混合时间不少于5个小时； s3：通过改变激光功率、激光扫描速度和激光扫描间距制备致密的耐热铝合金。

技术实现思路

1、为了进一步提升增材制造耐热铝合金的综合性能，本发明设计了一种含al3zr，tib2和al3ni共晶的优质增材制造用轻质耐热铝合金。

2、本发明一种增材制造轻质耐热铝合金，以质量分数百分比计，包括下述组分：ni0.5～10%，mg 3～8%，zr 0.4～1.8%，ti 0.5～10%，b 0.2～4.5%，余量为al和不可避免的杂质元素（fe，si）等，其中杂质元素的质量百分比小于等于0.1%；

3、且上述增材制造轻质耐热铝合金中，ti和b的质量比为2～2.22；

4、所述增材制造轻质耐热铝合金中含有al3zr，tib2和al3ni共晶。

5、优化后的增材制造轻质耐热铝合金成分，以质量百分比计为：ni为1～8%，mg为3～8%，zr为0.5～1.4%，ti为0.5～8%，b为0.2～3.2%，余量为al和不可避免的杂质元素（fe，si）等。

6、进一步优选后，增材制造轻质耐热铝合金成分以质量百分比计为：ni为2～5%，mg为3～8%，zr为0.5～1.4%，ti为0.5～6%，b为0.2～2.8%，余量为al和不可避免的杂质元素（fe，si）等。

7、在本发明中，为了确保室温下、高温下（如200℃～300℃）产品具有较为优异的延伸性能以及卓越的力学强度，可选择的方案包括：所述轻质耐热铝合金成分以质量百分比计为：ni为3～8%，mg为5.5～6.5%，zr为1.1～1.3%，ti为3～6%，b为1.2～2.8%，余量为al和不可避免的杂质元素（fe，si）等。这当然包括ni为3.5～7.5%，mg为5.5～6.5%，zr为1.1～1.3%，ti为3～5%，b为1.3～2.3%这一系列方案。

8、在本发明中，为了确保室温下、高温下（如200℃～300℃）产品具有良好的力学强度以及优异的延伸性能，其方案方案包括：所述轻质耐热铝合金成分以质量百分比计为：ni为1～2%，mg为5.5～6.5%，zr为0.4～1.3%，ti为3～6%，b为1.2～2.8%，余量为al和不可避免的杂质元素（fe，si）等。这当然包括ni为1～1.5%，mg为5.5～6.5%，zr为0.4～1.2%，ti为3～5%，b为1.3～2.3%这一系列方案。

9、本发明还提供了一种增材制造轻质耐热铝合金的制备方法，其包括以下步骤：

10、以铝合金粉末为原料，通过增材制造，得到耐热铝合金；增材制造时，控制激光功率为200～350w,扫描速率为350～1320mm/s，扫描间距为30～200μm，扫描层厚为20～70μm；

11、所述铝合金粉末以质量分数百分比计，包括下述组分：ni 0.5～10%，mg 3～8%，zr0.4～1.8%，ti 0.5～10%，b 0.2～4.5%，余量为al和不可避免的杂质元素（fe，si）等，其中杂质元素的质量百分比小于等于0.1%；

12、且上述轻质耐热铝合金中，ti和b的质量比为2～2.22；

13、所述铝合金粉末的粒径为10～100μm。

14、本发明还提供了一种增材制造轻质耐热铝合金的制备方法，所述铝合金粉末通过下述工艺制备：

15、按设计组分配取各原料，先在700-720℃加热至铝锭熔化，扒除表面氧化渣后，升温至750～780℃，加入al-ni，al-tib2中间合金，降温至730～750℃，再加入al-zr和al-mg中间合金，用铝箔包裹精炼剂，通过钟罩将其压入铝熔体中，精炼温度保持在720-750℃，精炼结束后静置10-30min，扒渣后浇注获得铸锭；将铸锭熔化并气雾化制粉，得到10～100μm铝合金粉末。

16、进一步优选为：升温至750～760℃时加入al-ni，al-tib2中间合金，降温至730～740℃，再加入al-zr和al-mg中间合金，精炼温度控制在730～740℃，精炼结束后静置15～25min。

17、本发明还提供了一种上述轻质耐热铝合金的制备方法，其包括以下步骤：气雾化制粉温度为800～950℃，粉末粒径为10～100μm，粉末粒径进一步优选为10～70μm。

18、本发明还提供了一种上述轻质耐热铝合金的制备方法，其包括以下步骤：将合金粉末进行增材制造，制备上述轻质耐热铝合金。

19、上述增材制造过程中使用的基板为al-ni合金，基板预热温度为55～220 ℃，激光工艺参数为：激光功率为200～350w，扫描速率为350～1320 mm/s，扫描间距为30～200μm，扫描层厚为20～70μm。

20、进一步优选工艺参数为：基板预热温度为70～160 ℃，激光工艺参数为：激光功率为235～330w，扫描速率为600～1200 mm/s，扫描间距为70～150μm，扫描层厚为30～70μm。

21、进一步优选工艺参数为：基板预热温度为70～130 ℃，激光工艺参数为：激光功率为235～330w，扫描速率为800～1200mm/s，扫描间距为70～120μm，扫描层厚为30～70μm。这当然包括，基板预热温度为70～90℃，激光工艺参数为：激光功率为280～330w,扫描速率为900～1200mm/s，扫描间距为70～120μm，扫描层厚为30～60μm这一方案。

22、本发明的上述方案具有如下优点：

23、本发明的轻质耐热铝合金在al-mg系合金的基础上添加适量zr，ti，b，ni元素。其中适量zr元素的添加可以生成低粗化率的纳米级析出相al3zr，特定质量百分比的ti，b添加可以生成高温稳定的纳米/亚微米级tib2陶瓷颗粒，而ni的添加可以形成高体积分数（10～30%）的耐热al3ni共晶。耐高温的al3zr，tib2和al3ni共晶可以协同作用，共同钉扎晶界，使得合金获得良好的耐高温性能，得以满足航空航天，军工等领域对耐热制件的需求。

24、本发明的耐热铝合金采用的添加元素成本较低，可以大幅降低生产成本，可以满足工业化生产应用的需求。且通过多级耐高温粒子设计达到提升合金耐高温性能的目的。

25、本发明的制备方法采用增材制造，利用增材制造的高冷却速度，细化al3ni共晶组织，且可以直接成形制件。

26、本发明所得打印态al-mg轻质铝合金具有良好的强塑性，通过添加固溶度小且固态扩散系数低的zr元素生成耐高温的沉淀析出相，高熔点的tib2陶瓷颗粒以及高体积的耐高温共晶相al3ni钉扎晶界，起到提升耐高温性能的作用。