[发明专利]选区激光熔化技术用Al-Si-Mg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‑Si‑Mg系铝合金组合物，按质量百分比由：Si 7‑15％、Mg 0.8‑3％、Mn 1.2‑2％、Zr 0.5‑1.5％，余量为铝组成。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，大幅提高合金元素在铝基体中的溶解度，并通过增加铝合金中第二相强化粒子的浓度，大幅度提高铝合金的力学性能。本发明的Al‑Si‑Mg系铝合金成分，经过选区激光熔化技术制备获得铝合金的最大屈服强度σ_0.2可达380MPa，抗拉强度σ_b可达520MPa，并且合金的塑性变形率超过8％。适用于通过选区激光熔化技术制备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，特别涉及一系列具有高拉伸强度、高塑性变形率的选区激光熔化技术用Al-Si-Mg系铝合金组合物。

背景技术

Al-Si合金作为产量及用量最大的铸造铝合金，具有耐磨耐侵蚀性好，热膨胀系数低，比强度高，导热性好等优点，这使得Al-Si合金被广泛应用于活塞、发动机组、缸套、轮毂、轴承、轴瓦、曲轴箱等汽车零部件。Al-Si-Mg合金中，Mg与Si元素在铝合金凝固过程中部分溶解在铝基体中，部分以Mg₂Si相析出，由于作为初生相形成的Mg₂Si尺寸比较粗大，多呈尖角状，割裂基体，降低了材料的力学性能。Al-Si-Mg合金经后期固溶加时效处理后，可使Mg₂Si相在铝合金基体中弥散析出，析出相与基体之间存在一定的应变场，这些应变场成为位错运动的障碍从而起到沉淀强化的作用。但由于传统铸件在固溶处理过程中Mg在Al-Si合金中的固溶度有限，导致后期时效处理过程中Mg₂Si粒子析出浓度受限，从而限制Al-Si-Mg合金力学性能的进一步提升。

快速成型技术是集计算机辅助技术和激光及电子束加工于一体的新型加工技术。它可以针对性地解决铸造工艺中暴露出的一些缺陷，满足铸造过程中加工困难或无法加工的特殊零部件的成型加工需求。选区激光熔化技术为快速成型技术的一种，被称作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：首先激光束与金属粉体相互作用，由于金属粉末吸收激光束的能量，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；当激光束移开后，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，能够大幅提高材料的强度和韧性。除此之外，由于熔池的快速凝固行为，使得Al-Si-Mg系铝合金中合金化原子的固溶度得到大幅提升，从而在铝合金后期的时效热处理过程中能够获得高浓度的Mg₂Si粒子，可有效提高铝合金的强度。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，实现Al-Si-Mg系铝合金性能的进一步提升。现阶段选区激光熔化成型铝合金的强度和塑性虽然远高于铸造铝合金(选区激光熔化成型铝合金的屈服强度约为200～320MPa，抗拉强度约为340～500MPa)，但仍有较大提升空间。

发明内容

本发明目的要解决的技术问题是：克服传统铸造Al-Si-Mg系铝合金中第二相粒子含量受限的缺点，应用选区激光熔化技术实现Al-Si-Mg系铝合金中第二相粒子含量的提升，进而实现力学性能的提升。最终提供一系列具有优异力学性能的Al-Si-Mg系选区激光熔化技术专用铝合金，该合金的力学性能明显优于传统铸造和选区激光熔化成型技术获得的Al-Si-Mg系铝合金的力学性能。

为达到上述目的，本发明实现目的所采用的技术方案如下：