[发明专利]一种SLM制备高强度高延伸率Al-Cu-Mg合金的方法

说明书

本发明提供了一种SLM制备高强度高延伸率Al‑Cu‑Mg合金的方法。所述合金成分包括如下质量分数的成分：Cu：4‑6wt％；Mg：0.1‑3wt％；Ti：0.4‑1wt％，Zr：0.8‑2wt％；Mn：0.1‑3wt％；其余为Al，且以质量比计Ti/Zr大于等于0.4小于等于0.6。所述制备方法为：按设计配比配取原料并气雾化工艺制备出适于3D打印所需粒径范围的合金粉末；然后采用3D打印，得到沉积态SLM铝铜合金零件；步骤三对所得样品进行固溶时效热处理，得到高强韧的铝铜合金零件。与现有技术相比，本发明所得成品，其相对密度可达99.85％，维氏硬度可达172Hv，抗拉强度可达487MPa，屈服强度可达366MPa，延伸率超过13％。

技术领域

本发明涉及金属增材制造（AM）技术领域，尤其是涉及一种SLM制备高强度高延伸率Al-Cu-Mg合金的方法。

背景技术

铝合金具有质量轻、强度高、高导热和耐腐蚀等特点，是实现结构轻量化的首选材料，在航空航天、海洋工程和汽车制造等领域具有广泛的应用前景和研究价值。传统铝合金加工制造主要有铸造和锻造等手段，但随着产品形状变得更加复杂，不仅要求制造技术快速高效，且还需随设计变化而变化的快速响应能力，然而传统加工技术难以满足以上要求，因此开发新型铝合金制造技术成为当今研究热点之一。

选区激光熔化（简称SLM）技术是目前金属增材制造最为广泛的高精度成形技术，通过激光热能选择性地熔化金属粉末然后逐层精确成形。选区激光熔化技术理论上能成形任意复杂形状，能解放航天器结构工程师的设计理念，使其在轻量化结构、功能化结构、一体化结构设计等方面拓展设计思路，大胆设计各种新概念结构。基于以上现状，研究者深入研究铝合金选区激光熔化技术可行性。

然而由于材料自身物理特性，当前铝合金SLM成形有较大挑战。一方面由于铝合金本身的高导热率，高反射率和低激光吸收率，在SLM成形过程中激光能量极易沿着基板传递消耗，粉末未被完全熔化/凝固，在固液转变过程中出现明显的收缩变形，成形件中积聚较大热应力，使成形件发生变形甚至开裂。另一方面，SLM成形过程能量快速传递导致熔池温度降低，熔体粘度增大，流动性降低，难以有效润湿基体材料，导致成形产生球化效应及内部孔隙、裂纹等缺陷。同时SLM技术特有的快速熔融冷却和反复重熔，极容易产生较大的残余应力。几方面的原因综合导致SLM成形铝合金的组织性能难以控制，是目前亟待解决的问题。

目前众多研究者对于铝合金选区激光熔化成形进行了大量工作，通过合金成分设计和SLM工艺优化，如参考中国专利CN110961626A公开的一种筛选3D打印铝合金无裂纹配方组分的方法，证实进行合金成分设计能够极大减少铝合金成形过程中缺陷的形成，但是仍有很多牌号难以彻底消除缺陷且缺陷调控不稳定，诸如二系和七系铝合金等；参考中国专利CN108465807B授权公布的一种Al-Mg-Sc合金粉末的3D打印方法及应用该方法制得的铝合金，通过添加Sc稀土元素等微合金化手段，可大幅度降低SLM成形过程中的孔隙率和热裂倾向，但是稀土元素价格昂贵，不利于大规模推广应用。此外，现有的3D打印铝铜合金还存在延伸率偏低的问题。

有鉴于此，特提出本发明。

发明内容

本发明的目的是提供一种SLM制备高强度高延伸率Al-Cu-Mg合金的方法。

本发明是通过粉体设计制备、SLM成形工艺优化以及后处理工艺的一体化研究，实现高性能复杂铝合金零部件选区激光熔化制造。

本发明的目的可以通过以下技术方法来实现：

本发明一种SLM制备高强度高延伸率Al-Cu-Mg合金的方法，包括以下步骤：

按照定制化Al-Cu-Mg合金成分配比，采用真空熔炼气雾化技术制得高品质的Al-Cu-Mg合金粉末，筛分获得适于3D打印所需粒径的Al-Cu-Mg合金粉末；

对选区激光工艺参数进行优化后，由选区激光熔化成形设备进行3D打印，得到高致密无裂纹的沉积态SLM铝铜合金零件；