一种激光选区熔化制备的高Fe含量的Al-Mg2Si合金及制备方法
阅读：1036发布：2020-05-26
专利汇可以提供一种激光选区熔化制备的高Fe含量的Al-Mg2Si合金及制备方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 公开了一种激光选区 熔化 制备的高Fe含量的Al-Mg2Si 合金 及制备方法，所述Al-Mg2Si合金由Al-Mg2Si合金原料粉末经激光选区熔化技术成型；所述Al-Mg2Si合金按 质量 百分比计，由以下成分组成：Mg 5～5.5％，Si 2～2.2％，Mn 0.4～0.6％，Fe 1～3％，余量为 铝 ，总质量百分比为100％。本发明巧妙的利用激光选区熔化技术制备高Fe含量Al-Mg2Si合金，利用激光选区熔化技术中的冷却速率可达105～108k/s的特点，使得合金原料粉体熔融后在极快的冷却速度下，使合金非平衡 凝固 ， 合金元素 分布均匀，各元素均无偏析，均匀形成(Al+Mg2Si)超细共晶组织，同时抑制了粗大富Fe金属间化合物的形成，形成了细小的富Fe金属间化合物均匀弥散，从而获得 力 学性能优异的高Fe含量Al-Mg2Si合金。，下面是一种激光选区熔化制备的高Fe含量的Al-Mg2Si合金及制备方法专利的具体信息内容。
1.一种激光选区熔化制备的高Fe含量的Al-Mg2Si合金，其特征在于：所述Al-Mg2Si合金由Al-Mg2Si合金原料粉末经激光选区熔化技术成型；所述Al-Mg2Si合金按质量百分比计，由以下成分组成：Mg 5～5.5％，Si 2～2.2％，Mn 0.4～0.6％，Fe 1～3％，余量为铝，总质量百分比为100％。
2.根据权利要求1所述的一种激光选区熔化制备的高Fe含量的Al-Mg2Si合金，其特征在于：所述Al-Mg2Si合金由Al-Mg2Si合金原料粉末经激光选区熔化技术成型，再经时效热处理而得。
3.制备如权利要求1-2所述的Al-Mg2Si合金的方法，其特征在于：包括如下步骤：将Al-Mg2Si合金原料粉末逐层铺设于激光选区熔化成形装置的基板上，根据三维模型进行层层激光扫描，熔化凝固成形即得Al-Mg2Si合金，所述激光扫描过程中，控制光斑直径为0.09～
0.12mm，激光功率为270～500W，激光扫描速率为500～1200mm/s。
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于：所述激光功率为300～350W，激光扫描速率为700～900mm/s。
5.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于：所述Al-Mg2Si合金原料粉末的粒径为
10～70μm。
6.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于：所述基板先经预热处理，预热的温度为100～150℃。
7.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于：所述Al-Mg2Si合金原料粉末单层铺设厚度为0.04～0.06mm。
8.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于：所述层层激光扫描过程为，进行第n层激光扫描时，扫描的方向相对于第n-1层激光扫描的方向顺时针转动67度。
9.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于：熔化凝固成形后再经热处理，获得Al-Mg2Si合金。
10.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于：所述热处理的温度为160～180℃，时间为1～20h。
一种激光选区熔化制备的高Fe含量的Al-Mg2Si合金及制备
方法
技术领域
[0001] 本发明属于新材料制备技术领域，具体涉及一种激光选区熔化制备的高Fe含量的Al-Mg2Si合金及制备方法。
背景技术
[0002] Mg2Si具有良好的物理力学性能，被广泛用作增强相制备Mg2Si增强铝基复合材料(Al-Mg2Si)或Mg2Si增强镁基复合材料(Mg-Mg2Si)，它们是汽车、航天、生物医药等领域具有吸引力的候选材料。由于Mg2Si相与铝基体相容性较好，界面干净结构牢固，弥散分布在基体上，且有远优于陶瓷颗粒增强铝复合材料的切削加工性和成型性，因此Mg2Si金属间化合物很适合作为铝基合金材料的增强相，而且Al-Mg2Si合金材料制备方法简单，成本低廉。Al-Mg2Si复合材料的比强度高、比模量高、抗磨损性能强、生产成本低，作为轻质合金材料拥有广阔的发展空间。
[0003] Fe是铝合金中最常见的杂质元素，在回收和铸造过程中会积累并且很难消除，随着废旧铝合金的回收与再利用成为社会可持续发展的必然要求，高铁含量铝合金己成了必然的趋势，然而Fe在固态铝中的溶解度极低(共晶温度下约0.05％)，在凝固过程中形成富Fe金属间化合物。Fe原子在合金凝固过程中由于强偏析析出到界面前沿，即使少量Fe也会在合金中形成硬而脆的富Fe相，尤其针片状的β-Al5FeSi对铝合金危害最大。在铝合金中，Fe含量超过0.3％时即产生粗大片状析出相，这种析出相对合金的铸造性能、物理性能和机械性能都会产生不利影响，Fe含量越高危害越大。
[0004] 工业生产中控制铁元素含量最基本的方法是稀释法和重力沉降法，降低铝合金中富Fe相危害的方法主要有加入中和元素、快速凝固和熔体过热法，但这些方法都需要高成本、新技术的支持，在实际应用中难以推广。
发明内容
[0005] 针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种具有优异力学性能的基于激光选区熔化制备的高Fe含量Al-Mg2Si合金及其制备方法，利用激光选区熔化技术中冷却速率高达105～108k/s的特点，使得高Fe含量Al-Mg2Si合金中粗大的富Fe相在大过冷条件下得到有效细化，获得晶粒细小的富Fe金属间化合物，不仅可以消除针状相的有害作用，还可以形成细晶相对基体起到很好的强化作用，发挥其对Al-Mg2Si合金性能的积极作用，另外通过进一步时效热处理，可进一步提升力学性能。
[0006] 为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案，
[0007] 本发明一种激光选区熔化制备的高Fe含量的Al-Mg2Si合金，所述Al-Mg2Si合金由Al-Mg2Si合金原料粉末经激光选区熔化技术成型；所述Al-Mg2Si合金按质量百分比计，由以下成分组成：Mg 5～5.5％，Si 2～2.2％，Mn 0.4～0.6％，Fe 1～3％，余量为铝，总质量百分比为100％。
[0008] 优选的方案，所述Al-Mg2Si合金由Al-Mg2Si合金原料粉末经激光选区熔化技术成型，再经时效热处理而得。
[0009] 本发明一种激光选区熔化制备的高Fe含量的Al-Mg2Si合金的制备方法，包括如下步骤：将Al-Mg2Si合金原料粉末逐层铺设于激光选区熔化成形装置的基板上，根据三维模型进行层层激光扫描，熔化凝固成形即得Al-Mg2Si合金，所述激光扫描过程中，控制光斑直径为0.09～0.12mm，激光功率为270～500W，激光扫描速率为500～1200mm/s。
[0010] 优选的方案，所述激光功率为300～350W，激光扫描速率为700～900mm/s。
[0011] 优选的方案，所述Al-Mg2Si合金原料粉末的粒径为10～70μm。在该粒径范围内，粉体流动性佳，成型效果好，粉体可充分熔化，获得较光滑表面的成型件。
[0013] 在本发明中，基板的材料为铝合金。
[0014] 优选的方案，所述基板先经预热处理，预热的温度为100～150℃。
[0015] 优选的方案，所述Al-Mg2Si合金原料粉末单层铺设厚度为0.04～0.06mm。
[0016] 优选的方案，所述层层激光扫描过程为，进行第n层激光扫描时，扫描的方向相对于第n-1层激光扫描的方向顺时针转动67度。
[0017] 优选的方案，熔化凝固成形后再经热处理，获得Al-Mg2Si合金。
[0018] 作为进一步的优选，所述热处理的温度为160～180℃，时间为1～20h，优选为3.5h。
[0019] 本发明的原理：
[0021] 本发明铝合金成型件含高含量的Fe，属于亚共晶Al-Mg2Si合金范畴，这是本发明巧妙的利用激光选区熔化技术制备高Fe含量Al-Mg2Si合金，利用激光选区熔化技术中的冷却速率可达105～108k/s的特点，使得合金原料粉体熔融后在极快的冷却速度下，使合金非平衡凝固，合金元素分布均匀，各元素均无偏析，均匀形成(Al+Mg2Si)超细共晶组织，同时抑制了粗大富Fe金属间化合物的形成，形成了细小的富Fe金属间化合物均匀弥散，从而获得力学性能优异的高Fe含量Al-Mg2Si合金。
[0022] 本发明的有益效果：
[0023] 1)本发明基于激光选区熔化技术，快速急冷条件下合金非平衡凝固，全部形成(Al+Mg2Si)超细共晶组织，如图1所示，得到致密度大、强度高、延性好的共晶强化铝合金。2)本发明基于激光选区熔化制造方法，提高合金中Fe含量仍获得晶粒细小的富Fe金属间化合物弥散分布在基体中，不仅消除针状相的有害作用，避免成型件裂纹的产生，还可以对基体起到很好的强化作用。3)在发明所得Al-Mg2Si合金成型件致密度高于99％，得到的成型件综合力学性能明显优于传统高Fe含量铸造Al-Mg2Si合金，应用本发明通过激光选区熔化技术获得的高Fe含量优化的Al-Mg2Si合金的硬度达到195HV，最大抗拉强度σb可达570MPa，屈服强度σ0.2可达420MPa，并且合金仍保持约15％的延伸率，本发明提供的方法彻底将富Fe的有害因素转变为有利的增强因素。4)本发明的工艺简单，成本低，易于实现规模化工业生产，本发明为高Fe含量铝合金的回收利用提供了一种新的研究思路和解决方法，可使铝合金零部件的生产及其回收利用不再被限制。附图说明
[0024] 图1为实施例2制备的高Fe含量优化的Al-Mg2Si合金的高倍率SEM图。
[0025] 图2为实施例2制备的高Fe含量优化的Al-Mg2Si合金元素分布情况图。
[0026] 图3为实施例2制备的高Fe含量优化的Al-Mg2Si合金试样拉伸断口形貌。
具体实施方式
[0027] 下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0028] 下面结合具体实施例和附图对本发明进行进一步说明：
[0029] 在以下实施例中，所用Al-Mg2Si合金原料粉末为以纯铝、纯镁、铝硅中间合金、铝锰中间合金和铝铁中间合金为原料，经气雾化、过筛而得的气雾化球形粉末，过筛后所得的Al-Mg2Si气雾化球形粉末粒径范围为10～70μm。
[0030] 对比例1
[0031] 铝合金组合物的成分及百分含量
[0032] A1-91.6％ Mg-5.5％ Si-2.2％ Mn-0.6％Fe-0.1％
[0033] 二、铝合金成型件的制备步骤
[0034] 1)提供过筛的该成分Al-Mg2Si气雾化球形粉末；
[0036] 3)在一个预热到100℃的可拆装的铝合金基板上铺0.05mm步骤1)提供的Al-Mg2Si合金粉；
[0037] 4)激光扫描步骤3)金属粉末层横截面的几何形状，扫描过程中激光光斑为0.1mm，激光功率为310W，激光扫描速率为800mm/s，使之熔化凝固成型，激光扫描成型需要在密闭Ar气氛条件下进行；
[0038] 5)成形缸活塞下降一个粉层厚度，刮刀运行均匀铺上第二层粉末，激光扫描新铺金属粉末层横截面的几何形状，扫描参数同步骤4)，扫描方向与上一层扫描方向顺时针转动67度，熔化凝固成型第二层；
[0039] 6)重复步骤5)多次，直至整个程序运行结束，得到所述铝合金成型件，重复次数由成型件尺寸决定。
[0040] 三、性能测试
[0041] 对本实施例制备得到的铝合金成型件进行测试，得出其致密度为99.2％，其力学性能指标如下硬度达170HV，最大抗拉强度σb为520MPa，屈服强度σ0.2为350MPa，延伸率为18％。
[0042] 对比例2
[0043] 一、铝合金组合物的成分及百分含量
[0044] A1-89.7％ Mg-5.5％ Si-2.2％ Mn-0.6％ Fe-2％
[0045] 二、铝合金成型件的制备步骤
[0046] 1)提供过筛的该成分Al-Mg2Si气雾化球形粉末；
[0047] 2)利用切片软件对零件的CAD模型进行切片处理，获得每一层的二维数据，然后将数据传输到SLM设备；
[0048] 3)在一个预热到100℃的可拆装的铝合金基板上铺0.05mm步骤1)提供的Al-Mg2Si合金粉；
[0049] 4)激光扫描步骤3)金属粉末层横截面的几何形状，扫描过程中激光光斑为0.1mm，激光功率为530W，激光扫描速率为1800mm/s，使之熔化凝固成型，激光扫描成型需要在密闭Ar气氛条件下进行；
[0050] 5)成形缸活塞下降一个粉层厚度，刮刀运行均匀铺上第二层粉末，激光扫描新铺金属粉末层横截面的几何形状，扫描参数同步骤4)，扫描方向与上一层扫描方向顺时针转动67度，熔化凝固成型第二层；
[0051] 6)重复步骤5)多次，直至整个程序运行结束，得到所述铝合金成型件，重复次数由成型件尺寸决定。
[0052] 三、性能测试
[0053] 对本实施例制备得到的铝合金成型件进行测试，得出其致密度为93.5％，其力学性能指标如下硬度达107HV，最大抗拉强度σb为380MPa，屈服强度σ0.2为293MPa，延伸率为3.5％。
[0054] 对比例3
[0055] 一、铝合金组合物的成分及含量
[0056] A1-89.7％ Mg-5.5％ Si-2.2％ Mn-0.6％ Fe-2％
[0057] 二、铝合金成型件的制备步骤
[0058] 1)提供过筛的该成分Al-Mg2Si气雾化球形粉末；
[0059] 2)利用切片软件对零件的CAD模型进行切片处理，获得每一层的二维数据，然后将数据传输到SLM设备；
[0060] 3)在一个预热到100℃的可拆装的铝合金基板上铺0.05mm步骤1)提供的Al-Mg2Si合金粉；
[0061] 4)激光扫描步骤3)金属粉末层横截面的几何形状，扫描过程中激光光斑为0.1mm，激光功率为270W，激光扫描速率为500mm/s，使之熔化凝固成型，激光扫描成型需要在密闭Ar气氛条件下进行；
[0062] 5)成形缸活塞下降一个粉层厚度，刮刀运行均匀铺上第二层粉末，激光扫描新铺金属粉末层横截面的几何形状，扫描参数同步骤4)，扫描方向与上一层扫描方向顺时针转动67度，熔化凝固成型第二层；
[0063] 6)重复步骤5)多次，直至整个程序运行结束，得到所述铝合金成型件，重复次数由成型件尺寸决定。
[0064] 三、性能测试
[0065] 对本实施例制备得到的铝合金成型件进行测试，得出其致密度为95.5％，其力学性能指标如下硬度达125HV，最大抗拉强度σb为416MPa，屈服强度σ0.2为330MPa，延伸率为6％。其硬度、最大抗拉强度、屈服强度和较实施例2均有明显下降，低激光功率很难使合金粉末完全熔化，使液相粘度增大，易形成孔洞等缺陷，成型件致密度不高。
[0066] 实施例1
[0067] 一、铝合金组合物的成分及含量
[0068] A1-89.7％ Mg-5.5％ Si-2.2％ Mn-0.6％ Fe-2％
[0069] 二、铝合金成型件的制备步骤
[0070] 1)提供过筛的该成分Al-Mg2Si气雾化球形粉末；
[0071] 2)利用切片软件对零件的CAD模型进行切片处理，获得每一层的二维数据，然后将数据传输到SLM设备；
[0072] 3)在一个预热到100℃的可拆装的铝合金基板上铺0.05mm步骤1)提供的Al-Mg2Si合金粉；
[0073] 4)激光扫描步骤3)金属粉末层横截面的几何形状，扫描过程中激光光斑为0.1mm，激光功率为310W，激光扫描速率为800mm/s，使之熔化凝固成型，激光扫描成型需要在密闭Ar气氛条件下进行；
[0074] 5)成形缸活塞下降一个粉层厚度，刮刀运行均匀铺上第二层粉末，激光扫描新铺金属粉末层横截面的几何形状，扫描参数同步骤4)，扫描方向与上一层扫描方向顺时针转动67度，熔化凝固成型第二层；
[0075] 6)重复步骤5)多次，直至整个程序运行结束，得到所述铝合金成型件，重复次数由成型件尺寸决定。
[0076] 三、性能测试
[0077] 对本实施例制备得到的铝合金成型件进行测试，得出其致密度为99.1％，其力学性能指标如下硬度达185HV，最大抗拉强度σb为550MPa，屈服强度σ0.2为380MPa，延伸率为16％。其硬度、最大抗拉强度、屈服强度较对比例1均有提升，延伸率下降不明显，说明高含量的Fe加入后该合金成型件的性能得到优化。
[0078] 实施例2
[0079] 一、铝合金组合物的成分及含量
[0080] A1-89.7％ Mg-5.5％ Si-2.2％ Mn-0.6％ Fe-2％
[0081] 二、铝合金成型件的制备步骤
[0082] 1)提供过筛的该成分Al-Mg2Si气雾化球形粉末；
[0083] 2)利用切片软件对零件的CAD模型进行切片处理，获得每一层的二维数据，然后将数据传输到SLM设备；
[0084] 3)在一个预热到100℃的可拆装的铝合金基板上铺0.05mm步骤1)提供的Al-Mg2Si合金粉；
[0085] 4)激光扫描步骤3)金属粉末层横截面的几何形状，扫描过程中激光光斑为0.1mm，激光功率为310W，激光扫描速率为800mm/s，使之熔化凝固成型，激光扫描成型需要在密闭Ar气氛条件下进行；
[0086] 5)成形缸活塞下降一个粉层厚度，刮刀运行均匀铺上第二层粉末，激光扫描新铺金属粉末层横截面的几何形状，扫描参数同步骤4)，扫描方向与上一层扫描方向顺时针转动67度，熔化凝固成型第二层；
[0087] 6)重复步骤5)多次，直至整个程序运行结束，得到所述铝合金成型件，重复次数由成型件尺寸决定。
[0088] 7)将步骤6)中得到的铝合金成型件置于170℃条件下热处理3.5h，即可得到激光选区熔化技术铝合金成型件。
[0089] 三、性能测试
[0090] 对本实施例制备的铝合金成型件的微观组织和元素分布进行检测并观察其断口特征。图1可见：合金的组织结构为超细的层片状共晶组织，其中灰黑色的相为Mg2Si，灰白色的相为Al基体，灰黑色的Mg2Si相和灰白色的Al相组成层片状的超细共晶组织，细小的富Fe金属间化合物均匀弥散分布在基体中，其细小程度在扫描电镜下观察不到。图2中各元素分布均匀，均无偏析现象。图3的拉伸断口看到大量韧窝，该合金断裂为韧性断裂。
[0091] 对本实施例制备得到的铝合金成型件进行测试，得出其致密度为99.1％，其力学性能指标如下硬度195HV，最大抗拉强度σb可达580MPa，屈服强度σ0.2可达420MPa，并且合金仍保持约15.7大量％的延伸率。其硬度、最大抗拉强度、屈服强度优于实施例1，延伸率变化不大。
[0092] 短时间低温热处理该高Fe含量优化的铝合金成型件的Mg2Si增强相析出，细小的富Fe金属间化合物均匀弥散，在析出强化和固溶强化的双重作用下，合金性能得到提升。
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