[0001] 本发明涉及一种增材制造用高性能铝合金及其制备方法，属于铝合金及增材制造领域。

[0002] 铝合金具有优异的力学性能，比强度高，广泛应用于航空航天结构件。增材制造技术设计自由度高，在铝合金复杂形状构件制备方面具有独特的优势。增材制造冷却速率和温度梯度高，基于铸造‑变形加工过程设计的传统高强铝合金易产生增材制造开裂，成形难度大，难以获得理想的显微组织和力学性能。

[0003] 因此，需要开发适用于增材制造制备工艺的高性能铝合金。LI等[LI,et al.Laserpowderbedfusion ofnano‑titaniamodified2219 aluminiumalloywith superior mechanical properties atboth room and elevatedtemperatures:The significant impact ofsolute[J].Additive Manufacturing,2022,60:103296]公开了一种TiO2改性2219铝合金，通过激光粉末床熔融(LPBF)制备的合金几乎完全致密，其屈服强度为173MPa，抗拉强度为366MPa，伸长率为11.1％。CHEN等[CHEN et al.Microstructure characterization and mechanical properties ofcrack‑free Al‑Cu‑Mg‑Yalloy fabricated by laser powder bed fusion,Additive Manufacturing,2022,58:103006]在2024铝合金粉末中添加1.5wt％Y制备2024/Y混合粉末，通过LPBF制备了一种无裂纹的新型高强Al‑Cu‑Mg‑Y合金。其打印态试样的屈服强度为206MPa，抗拉强度为259MPa，伸长率为3％。ZHANG等[ZHANGH,et al.Effect ofZirconium addition on crack,microstructure and mechanical behavior ofselective laser melted Al‑Cu‑Mg alloy[J].Scripta Materialia,2017,134:6‑10]公开了一种Zr(2wt％)改性Al‑Cu‑Mg合金，采用LPBF制备的Al‑Cu‑Mg‑Zr合金的伸长率比Al‑Cu‑Mg合金降低了55％。ZHANG等[ZHANG J,et al.A novel crack‑free Ti‑modified Al‑Cu‑Mg alloy designed for selective laser melting[J].Additive Manufacturing,2021,38:101829]公开了一种用于LPBF的新型无裂纹Ti(1.5wt％)改性Al‑Cu‑Mg合金，打印态合金的屈服强度为293MPa，抗拉强度为426MPa，伸长率为9.1％。

[0004] 本发明提出一种增材制造用高性能铝合金的成分设计思路，通过Y元素和过渡族金属元素联用，提高2000或7000系铝合金的增材制造成形性能，解决了增材制造开裂问题，拓宽成形工艺窗口，设计出了一种适用于增材制造的高性能铝合金。

[0005] 为了解决铝合金增材制造成形性及工艺性差的问题，本发明提供一种增材制造用高性能铝合金及其制备方法。本发明提供的增材制造用高性能铝合金，可适应增材制造工艺的高温度梯度和冷却速率，不会在成形过程中发生开裂，所制备的产品具有优异的力学性能。

[0006] 为了实现上述发明目的，本发明提供一种增材制造用高性能铝合金，所述高性能铝合金是在2000或7000系铝合金中，同时引入稀土Y和过渡族金属元素；

[0007] 过渡族金属元素选自Sc、Zr、Ti元素中的至少一种。

[0008] 本发明提供一种增材制造用高性能铝合金的制备方法，所述高性能铝合金是以铝合金粉末为原料，采用增材制造得到打印态无裂纹的铝合金。

[0009] 本发明一种增材制造用高性能铝合金及其制备方法，所述的铝合金粉末以质量百分比计，其成分优选为：

[0010] Cu：4.0～4.9％；Y：1.0～3.0％；Mg：0.4～1.8％；Si：0.4～1.2；Mn：0.4～1.0％；Fe：<0.5％；过渡族金属元素：0.6～1.5％；余量为Al。

[0011] 所述铝合金粉末采用气雾化法制备。

[0012] 作为优选，Y与过渡族金属元素的质量比为1.2～1.4:0.8～0.6。

[0013] 本发明一种增材制造用高性能铝合金的制备方法，所述铝合金粉末置于真空干燥箱中进行干燥处理，保温温度为80～120℃，处理时间为2～12h。

[0014] 本发明一种增材制造用高性能铝合金及其制备方法，增材制造技术选自激光粉末床熔融，电子束熔化或同轴送粉激光成形技术中的一种，优选为激光粉末床熔融。

[0015] 本发明一种增材制造用高性能铝合金的制备方法，增材制造之前对基板进行预热，预热温度为80～200℃；

[0016] 激光增材制造的激光功率为200～400W，扫描速度为300～1500mm/s，搭接间距为80～150μm，层厚为30～50μm，层间旋转角度为65～70°；

[0017] 所述增材制造过程采用保护气氛，控制成形仓内氧含量小于0.1wt.％；

[0018] 所述保护气体应为氮气、氩气、氦气中的一种，或氮、氩、氦混合气体，纯度超过99.99wt％，其中氧含量小于0.0001wt％。

[0019] 本发明一种增材制造用高性能铝合金及其制备方法，所制备的打印态产品为Al‑4.2Cu‑0.5Mg‑1.1Si‑0.7Mn‑1.3Y‑0.7Zr(质量百分比，wt.％)合金时，其屈服强度大于等于
318MPa，抗拉强度大于等于418MPa，伸长率大于13.8％，无裂纹缺陷。

[0020] 本发明的优势和积极效果

[0021] 本发明提出一种增材制造用高性能铝合金的成分设计思路，得到可用于增材制造的高强铝合金。通过Y元素和过渡族金属元素联用，改善铝合金凝固行为，细化晶粒，降低开裂敏感性，消除了增材制造裂纹，从而实现了铝合金增材制造成形性能的显著提升。

[0022] (1)本发明提出一种增材制造用高性能铝合金的成分设计思路，在2000或7000系铝合金中添加Y元素和Sc、Zr、Ti等过渡族金属元素，协同改善铝合金的凝固行为，大幅降低增材制造开裂敏感性，显著提升增材制造成形性能，使其更适用于增材制造，可制备完全无裂纹高强铝合金。

[0023] (2)本发明提出一种增材制造用高性能铝合金的成分设计思路，在Y和过渡族金属元素的协同作用下引入强化相，显著强化铝合金，进一步提高合金的抗开裂能力，降低铝合金的增材制造开裂敏感性。

[0024] (3)本发明提出一种增材制造用高性能铝合金的成分设计思路，可以在多个合金体系，采用多种增材制造技术，在较大的参数范围内均可获得无裂纹的高性能铝合金。

[0025] (4)本发明首次实现了高性能2A14铝合金的增材制造，可在较宽的工艺参数范围内制备出无裂纹样品，所制备的样品打印态力学性能优异。附图说明

[0026] 图1是实施例一中2A14YZr铝合金粉末的扫描电镜图像；

[0027] 图2是实施例一中LPBF制备的2A14YZr铝合金的金相照片；

[0028] 图3是实施例一中LPBF制备的2A14YZr铝合金的室温拉伸测试得到的应力‑应变曲线；

[0029] 图4是实施例二中LPBF制备的2A14YZr铝合金纵截面的OM图像；

[0030] 图5是实施例二中LPBF制备的2A14YZr铝合金纵截面的SEM图像；

[0031] 图6是实施例二中LPBF制备的2A14YZr铝合金试样的室温拉伸测试得到的应力‑应变曲线；

[0032] 图7是对比例一中LPBF制备的2A14铝合金纵截面的OM图像；

[0033] 图8是对比例二中LPBF制备的2A14Y铝合金纵截面的OM图像。

[0034] 实施例一：

[0035] 选用2A14铝合金作为合金基体，采用氩气雾化法制备Y、Zr改性2A14(2A14YZr)铝合金粉末，具体成分如下(wt.％)：

[0036] Cu 4.2％；Y 1.3％；Zr 0.7％；Mg 0.5％；Si 1.1％；Mn 0.7％；Fe 0.2％；余量为Al；经过振动筛分得到用于激光粉末床熔融(LPBF)成形的合金粉末粒度为10～53μm；图1为所用增材制造用2A14YZr铝合金粉末的扫描电镜图像，绝大多数粉末形貌均呈现均匀的球形。

[0037] 以2A14YZr铝合金粉末为原料，采用LPBF增材制造成形。设定LPBF工艺参数为：激光功率280W，扫描速度300mm/s，搭接间距100μm，层厚30μm，层间旋转角度67°，控制成形室氧含量低于800ppm，打印基板预热至120℃。LPBF成形前，将铝合金粉末在真空干燥箱中采用100℃干燥8h。采用上述工艺参数制备得到2A14YZr铝合金。

[0038] 图2所示为LPBF制备的2A14YZr铝合金的金相照片，2A14YZr合金未出现任何裂纹缺陷，表明所设计铝合金适用于增材制造。

[0039] 将所制备合金样品在室温下进行拉伸测试，得到的应力‑应变曲线如图3所示。由图3可以看出，本发明LPBF制备的2A14YZr铝合金，屈服强度为318MPa，抗拉强度可达418MPa，伸长率为13.8％。

[0040] 结果表明，所设计的2A14YZr铝合金表现出较好的增材制造成形性能，采用LPBF制备的样品力学性能优良，适用于增材制造。

[0041] 实施例二：

[0042] 以实施例一中2A14YZr铝合金粉末为原料，采用LPBF增材制造成形。设定LPBF工艺参数为：激光功率240～360W，扫描速度500～1300mm/s，搭接间距100μm，层厚30μm，层间旋转角度67°，控制成形室氧含量低于800ppm，打印基板预热至150℃。LPBF成形前，将铝合金粉末在真空干燥箱中采用100℃干燥8h。采用上述工艺参数制备得到2A14YZr铝合金。

[0043] 所得到的一批打印态2A14YZr铝合金的金相照片如图4所示，均未发生开裂。

[0044] 在激光功率为360W，扫描速度为700mm/s条件下制备得到的2A14YZr铝合金缺陷最少，相对密度达到99.54％，其纵截面的SEM图像如图5所示。从图中可以看出，合金未出现任何裂纹缺陷，仅存在少量的孔隙。将激光功率为360W，扫描速度为700mm/s条件下所制备合金样品在室温下进行拉伸测试，得到的应力‑应变曲线如图6所示。由图6可以看出，本发明LPBF制备的2A14YZr铝合金，屈服强度为345MPa，抗拉强度可达421MPa，伸长率为15.1％。

[0045] 结果表明，所设计的2A14YZr铝合金可在较大的参数范围内制备得到无裂纹样品，打印态样品综合力学优良，适用于增材制造。

[0046] 实施例三：

[0047] 选用2A14铝合金作为合金基体，采用氩气雾化法制备Y、Zr改性2A14铝合金粉末，具体成分如下(wt.％)：

[0048] Cu 4.2％；Y 1.0％；Zr 1.0％；Mg 0.5％；Si 1.1％；Mn 0.7％；Fe 0.2％；余量为Al；经过振动筛分得到用于激光粉末床熔融(LPBF)成形的合金粉末粒度为10～53μm。

[0049] 以Y、Zr改性2A14铝合金粉末为原料，采用LPBF增材制造成形。设定LPBF工艺参数为：激光功率360W，扫描速度900mm/s，搭接间距100μm，层厚30μm，层间旋转角度67°，控制成形室氧含量低于800ppm，打印基板预热至150℃。LPBF成形前，将铝合金粉末在真空干燥箱中采用100℃干燥8h。采用上述工艺参数制备得到Y、Zr改性2A14铝合金。

[0050] 打印态样品未出现任何裂纹缺陷，结果表明，所设计的Y、Zr改性2A14铝合金表现出较好的增材制造成形性能，采用LPBF制备的样品力学性能优良，适用于增材制造。

[0051] 对比例一：

[0052] 选用2A14铝合金，采用氩气雾化法制备2A14铝合金粉末，具体成分如下(wt.％)：

[0053] Cu 4.2％；Mg 0.5％；Si 1.1％；Mn 0.7％；Fe 0.2％；余量为Al；经过振动筛分得到用于激光粉末床熔融成形的合金粉末粒度为10～53μm。

[0054] 以2A14铝合金粉末为原料，采用LPBF增材制造成形。设定LPBF工艺参数为：激光功率240～360W，扫描速度500～1300mm/s，搭接间距100μm，层厚30μm，层间旋转角度67°，控制成形室氧含量低于800ppm，打印基板预热至150℃。LPBF成形前，将铝合金粉末在真空干燥箱中采用120℃干燥4h。采用上述工艺参数制备得到2A14铝合金。

[0055] 图7所示为LPBF制备的2A14铝合金纵截面(XZ)OM图像，可见所有样品中均出现了严重的开裂现象，所制备的2A14铝合金力学性能差，无法获得强度和伸长率数据。结果表明，基于铸造‑变形加工过程设计的2A14铝合金开裂敏感性高，增材制造成形性能差，不适用于增材制造。

[0056] 对比例二：

[0057] 选用2A14铝合金作为合金基体，采用氩气雾化法制备Y改性2A14(2A14Y)铝合金粉末，具体成分如下(wt％)：

[0058] Cu 4.2％；Y 1.3％；Mg 0.5％；Si 1.1％；Mn 0.7％；Fe 0.2％；余量为Al；经过振动筛分得到用于激光粉末床熔融成形的合金粉末粒度为3～85μm，基本满足LPBF用合金粉末的要求。

[0059] 以2A14Y铝合金粉末为原料，采用LPBF增材制造成形。设定LPBF工艺参数为：激光功率240～360W，扫描速度500～1300mm/s，搭接间距100μm，层厚30μm，层间旋转角度67°，控制成形室氧含量低于800ppm，打印基板预热至150℃。LPBF成形前，将铝合金粉末在真空干燥箱中采用120℃干燥4h。采用上述工艺参数制备得到2A14Y铝合金。

[0060] 图8所示为LPBF制备的2A14Y铝合金纵截面(XZ)OM图像，可见所有样品中均出现了裂纹。部分样品开裂严重，通过调控工艺参数可以降低裂纹密度，但是无法制备无裂纹样品。结果表明，Y改性有利于改善2A14Y铝合金的增材制造成形性能，但是，所设计的2A14Y铝合金表现出较差的增材制造成形性，不适用于增材制造。

[0061] 以上所述仅是本发明的优选实施方式，是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。