[发明专利]选区激光熔化技术用Al-Mg-Sc-Zr系铝合金组合物及成型件制备方法

说明书

本发明公开了一种选区激光熔化技术用Al‑Mg‑Sc‑Zr系铝合金组合物及成型件制备方法。所述组合物的成分及含量，按质量百分比为：Mg 6‑15％、Sc 0.5‑4％、Zr 0.7‑3％、Mn 0.5‑2％，余量为铝。通过母合金熔炼，金属粉末制备，铝合金成型件的制备及热处理工艺步骤制得铝合金成型件。本发明通过选区激光熔化制造技术，大幅提升Mg、Sc和Zr合金元素在铝基体中的溶解度，增加铝合金中固溶强化元素和弥散强化粒子的浓度，提高铝合金的力学性能。经过选区激光熔化技术制备获得铝合金的最高致密度为99.8％，最大抗拉强度σ_b达550MPa，屈服强度σ_0.2达520MPa，并且仍保持约12％的塑性变形率。可适用于力学性能要求较高的复杂结构件。

技术领域

本发明涉及新材料技术领域，特别涉及一种选区激光熔化技术用Al-Mg-Sc-Zr系铝合金组合物及其成型件的制备方法。

背景技术

Al-Mg系铝合金合金由于具有轻质高强和良好的加工性而广泛应用于汽车、建筑及航空航天等诸多领域。随着高科技的不断发展，传统铝合金材料已不能满足部分高科技领域工程设计和先进加工工艺在材料力学性能和加工性能上的要求。为了进一步提高Al-Mg系合金的力学性能和改善加工性能，稀土微合金化方法的应用受到广泛关注。

Sc对铝合金的细化晶粒效果要优于传统铝合金晶粒细化剂，并且Sc可以与Al发生反应生成Al₃Sc粒子，起到钉扎位错，阻碍位错运动，提高合金的再结晶温度和增加铝合金的强度的作用。Sc元素价格昂贵，用价格较低的Zr部分替代Sc后也可达到晶粒细化和增加铝合金强度的效果。复合添加Sc和Zr时，随着Sc和Zr添加量的增加，合金的强度逐渐上升，延伸率下降较慢。因此，Sc与Zr复合微合金化制备低成本高性能铝合金是具有应用前景的研究方向。Al-Mg-Sc-Zr合金固溶加时效热处理后，Sc和Zr与Al基体产生共格的次生Al₃(Sc，Zr)粒子，通过钉扎位错和晶界方式阻碍晶界迁移和亚晶粒长大，从而抑制合金再结晶并通过阻碍位错运动起到强化合金的效果；而Mg主要起到固溶强化的效果。但是在传统铸造工艺中，Sc和Zr在Al中的固溶度极小，使得经后期固溶及时效处理后，次生Al₃(Sc，Zr)强化粒子在铝合金中的析出量受限，同时Mg在铝合金的固溶量也受限，无法实现Al-Mg-Sc-Zr系铝合金强度的持续增加。

选区激光熔化技术为快速成型技术的一种，是未来快速成型领域的主要发展趋势，在金属成型中的应用将为制造业带来突破性的飞跃。选区激光熔化成型过程分为快速升温和急速降温两个阶段：首先激光与金属粉体相互作用，由于金属粉末吸收激光的能量，温度骤然上升并超过了金属的熔点形成熔池，此时，熔融金属处于液相平衡，金属原子可以自由移动，合金元素均匀分布；当激光移开后，由于热源的消失，熔池温度以10³-10⁶K/s的速度下降。在此过程中，金属原子和合金元素的扩散移动受限，抑制了晶粒的长大和合金元素的偏析，凝固后的金属组织晶粒细小，合金元素分布均匀，能够大幅提高铝合金的塑性。同时，应用这一技术可有效增加合金中合金化元素的固溶度。对于Al-Mg-Sc-Zr系铝合金，则可基于选区激光熔化技术熔体急冷的特性，通过增加合金中Mg、Sc和Zr元素的含量，实现铝基体中Mg、Sc和Zr固溶度的提升，进而通过后期的时效处理，得到更多Al₃(Sc，Zr)强化粒子，实现Al-Mg-Sc-Zr系铝合金强度的进一步提升。然而，现在选区激光熔化技术应用的铝合金成分仍以传统铸造合金成分为主，无法体现选区激光熔化技术的熔体急冷的工艺特性，从成分角度实现Al-Mg-Sc-Zr系铝合金性能的进一步提升。

此外，在选区激光熔化过程中，Al-Mg-Sc-Zr系铝合的流动性较差，得到成型件的致密度往往低于99％，无法达到以Al-Si10-Mg铸造铝合金为典型代表的近乎100％的致密度，从而影响到Al-Mg-Sc-Zr系铝合的强度、塑性和疲劳性能。因此，有必要通过合金成分及制造工艺的调整，增加选区激光熔化成型Al-Mg-Sc-Zr系铝合的致密度和力学性能。

发明内容