| 专利类型 | 发明公开 | 法律事件 | 公开; |
| 专利有效性 | 公开 | 当前状态 | 公开 |
| 申请号 | CN202510081980.0 | 申请日 | 2025-01-20 |
| 公开(公告)号 | CN119859770A | 公开(公告)日 | 2025-04-22 |
| 申请人 | 李瑾; | 申请人类型 | 其他 |
| 发明人 | 李瑾; | 第一发明人 | 李瑾 |
| 权利人 | 李瑾 | 权利人类型 | 其他 |
| 当前权利人 | 李瑾 | 当前权利人类型 | 其他 |
| 省份 | 当前专利权人所在省份：陕西省 | 城市 | 当前专利权人所在城市：陕西省西安市 |
| 具体地址 | 当前专利权人所在详细地址：陕西省西安市长安区里杜村101号付1号 | 邮编 | 当前专利权人邮编：710117 |
| 主IPC国际分类 | C22C21/16 | 所有IPC国际分类 | C22C21/16 ; B22F1/05 ; B22F10/28 ; C22C1/047 ; B33Y70/00 ; B33Y10/00 |
| 专利引用数量 | 0 | 专利被引用数量 | 0 |
| 专利权利要求数量 | 10 | 专利文献类型 | A |
| 专利代理机构 | 北京高沃律师事务所 | 专利代理人 | 孙航; |
| 摘要 | 本 发明 提供了一种适于激光 增材制造 的 铝 合金 粉体及其制备方法和应用、激光增材制造 铝合金 及其制备方法，属于金属增材制造技术领域。本发明提供的铝合金粉体在Al‑Cu‑Mg合金的 基础 上引入了Si、Mn、Ti元素，在进行增材制造时，在Si的作用下能够形成低熔点共晶，回填枝晶间隙，从而降低合金开裂的倾向；在Ti的作用下形成亚稳态的D022‑Al3Ti相，可以作为有效的异质形核核心并促进等轴晶的形成，有利于晶粒细化，进一步提高抗裂能 力 ；同时，Mn过饱和固溶在铝基体之中，增加了晶格畸变，提高了加工硬化能力和抗 氧 化能力。这提供了一种铝合金粉体成分适于高性能耐磨激光增材制造铝合金结构件。 | ||
| 权利要求 | 1.一种适于激光增材制造的铝合金粉体，以质量百分比计，所述铝合金粉体的成分包括Cu 3～5％，Si 1～3％，Mg 1～2％，Ti 0.6～0.8％，Mn 1～2％，以及余量的Al。 |
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| 说明书全文 | 一种适于激光增材制造的铝合金粉体及其制备方法和应用、激光增材制造铝合金及其制备方法 技术领域[0001] 本发明属于金属增材制造技术领域，具体涉及一种适于激光增材制造的铝合金粉体及其制备方法和应用、激光增材制造铝合金及其制备方法。 背景技术[0002] 铝合金因其低成本和高强度重量比，已被广泛应用于航空航天和交通运输行业，例如，制造飞机的材料中，铝合金超过了20％。随着对轻量化结构、复杂几何形状、高性能和高效率需求的不断增加，高级结构组件的需求也随之增长。 [0003] 激光增材制造技术提供了一种制造高复杂性部件的新方法，该工艺使用激光束作为热源，通过逐层粉末床熔融来生产金属部件，具有近净成形、高冷却速率和设计灵活等优点。然而，由于铝粉具有高反射率、高导热性、低粉末密度以及较差的流动性，并且易于氧化，因此在激光加工过程中面临诸多挑战。研究表明，铝合金在使用选区激光熔化技术加工时容易出现裂纹和气孔，在传统的高强度铝合金如2000系和7000系材料中，这些问题可能导致成形失败或者性能下降。 发明内容[0004] 本发明的目的在于提供一种适于激光增材制造的铝合金粉体及其制备方法和应用、激光增材制造铝合金及其制备方法。本发明提供的铝合金粉体在采用激光增材制造时没有气泡和裂纹，拓宽了铝合金的应用。 [0005] 为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案： [0006] 本发明提供了一种适于激光增材制造的铝合金粉体，以质量百分比计，所述铝合金粉体的成分包括Cu 3～5％，Si 1～3％，Mg 1～2％，Ti 0.6～0.8％，Mn 1～2％，以及余量的Al。 [0007] 优选地，以质量百分比计，所述铝合金粉体的成分包括Cu 3.5～4.5％，Si1.5～2.5％，Mg 1.2～1.8％，Ti 0.65～0.75％，Mn 1.2～1.8％，以及余量的Al。 [0008] 优选地，所述铝合金粉体的粒径为10～100μm。 [0009] 本发明还提供了上述技术方案所述铝合金粉体的制备方法，所述铝合金粉体采用气雾化法制备。 [0010] 本发明还提供了上述技术方案所述铝合金粉体在激光增材制造中的应用。 [0011] 本发明还提供了一种激光增材制造铝合金的制备方法，使用上述技术方案所述铝合金粉体，采用选区激光熔化工艺进行增材制造。 [0012] 优选地，所述选区激光熔化工艺的参数包括：激光功率300～350W，扫描速度1000～1500mm/s，扫描线间距80～120μm。 [0014] 优选地，所述增材制造时的层厚为20～40μm。 [0015] 本发明还提供了上述技术方案所述制备方法制备的激光增材制造铝合金，所述激光增材制造铝合金的相组成包括铝基体和金属间化合物。 [0016] 本发明提供了一种适于激光增材制造的铝合金粉体，以质量百分比计，所述铝合金粉体的成分包括Cu 3～5％，Si 1～3％，Mg 1～2％，Ti 0.6～0.8％，Mn 1～2％，以及余量的Al。本发明在Al‑Cu‑Mg合金的基础上引入了Si、Mn、Ti元素，在进行增材制造时，在Si的作用下能够形成低熔点共晶，回填枝晶间隙，从而降低合金开裂的倾向；在Ti的作用下形成亚稳态的D022‑Al3Ti相，可以作为有效的异质形核核心并促进等轴晶的形成，有利于晶粒细化，进一步提高抗裂能力；同时，Mn过饱和固溶在铝基体之中，增加了晶格畸变，提高了加工硬化能力和抗氧化能力，使铝合金粉体适于激光增材制造。实施例的结果显示，本发明提供的适于激光增材制造的铝合金粉体，经过选区激光熔化工艺加工成形，没有裂纹、气孔等缺陷。附图说明 [0017] 图1为本发明实施例1中铝合金粉体的SEM图； [0018] 图2为本发明应用例1制备的激光增材制造铝合金的宏观照片； [0019] 图3为本发明应用例1制备的激光增材制造铝合金的微观组织结构，其中(a)为放大100倍的金相显微结构，(b)为放大500倍的TEM显微结构，(c)为放大2500倍的SEM图，(d)为放大2500倍的SEM图； [0020] 图4为本发明应用例1制备的激光增材制造铝合金的摩擦系数变化曲线图，(a)为载荷2.1N的摩擦系数变化曲线图，(b)为载荷10N的摩擦系数变化曲线图，(c)为载荷24N的摩擦系数变化曲线图，(d)为不同载荷条件下摩擦系数变化趋势； [0021] 图5为本发明应用例1和对比例1～3制备的激光增材制造铝合金的磨损率图。 具体实施方式[0022] 本发明提供了一种适于激光增材制造的铝合金粉体，以质量百分比计，所述铝合金粉体的成分包括Cu 3～5％，Si 1～3％，Mg 1～2％，Ti 0.6～0.8％，Mn 1～2％，以及余量的Al。 [0023] 以质量百分比计，本发明提供的铝合金粉体包括Cu 3～5％，优选为3.5～4.5％；作为本发明的一种实施方式，所述Cu的质量百分比可以是3.2％、3.6％、3.7％、4.2％、 4.6％或者4.8％。本发明将Cu的质量百分比限定在上述范围内，Cu可以与其它合金元素组合形成纳米析出相，可以提高铝合金的强度。 [0024] 以质量百分比计，本发明提供的铝合金粉体包括Si 1～3％，优选为1.5～2.5％；作为本发明的一种实施方式，所述Si的质量百分比可以是1.2％、1.6％、1.7％、2.2％、 2.6％或者2.8％。本发明将Si的质量百分比限定在上述范围内，在进行增材制造时，在Si的作用下能够形成低熔点共晶，回填枝晶间隙，可以降低铝合金开裂的风险；而且Si可以与其它合金元素形成金属间化合物，有利于提高铝合金的耐磨性能。 [0025] 以质量百分比计，本发明提供的铝合金粉体包括Mg 1～2％，优选为1.2～1.8％；作为本发明的一种实施方式，所述Mg的质量百分比可以是1.1％、1.3％、1.4％、1.5％、 1.6％、1.7％或者1.9％。本发明将Mg的质量百分比限定在上述范围内，可以与其它合金元素组合形成纳米析出相，可以提高铝合金的强度。 [0026] 以质量百分比计，本发明提供的铝合金粉体包括Ti 0.6～0.8％，优选为0.65～0.75％；作为本发明的一种实施方式，所述Ti的质量百分比可以是0.62％、0.66％、0.69％、 0.71％、0.73％或者0.77％。本发明将Ti的质量百分比限定在上述范围内，在进行增材制造时，在Ti的作用下形成亚稳态的D022‑Al3Ti相，可以作为有效的异质形核核心并促进等轴晶的形成，有利于晶粒细化，提高铝合金的抗裂能力；而且Ti可以与其它合金元素形成金属间化合物，有利于提高铝合金的耐磨性能。 [0027] 以质量百分比计，本发明提供的铝合金粉体包括Mn 1～2％，优选为1.2～1.8％；作为本发明的一种实施方式，所述Mn的质量百分比可以是1.1％、1.3％、1.4％、1.5％、 1.6％、1.7％或者1.9％。本发明将Mn的质量百分比限定在上述范围内，在进行增材制造时，Mn过饱和固溶在铝基体中，增加了晶格畸变，提高了加工硬化能力和抗氧化能力，有利于提高铝合金的耐磨性能。 [0028] 以质量百分比计，本发明提供的铝合金粉体包括余量的Al。 [0029] 在本发明中，所述铝合金粉体的粒径优选为10～100μm，更优选为15～55μm。作为本发明的一种实施方式，所述铝合金粉体可以是不同粒径的组合，其中粒径小于15μm的质量占比10％，粒径在15‑55μm之间的质量占比80％，粒径大于55μm的质量占比10％。本发明将铝合金粉末的粒径限定在上述范围内，可以兼顾成形性能和经济性。 [0030] 本发明通过在Al‑Cu‑Mg合金中加入Si、Mn、Ti元素，在进行增材制造时，在Si的作用下能够形成低熔点共晶，回填枝晶间隙，从而降低合金开裂的倾向；在Ti的作用下形成亚稳态的D022‑Al3Ti相，可以作为有效的异质形核核心并促进等轴晶的形成，有利于晶粒细化；同时，Mn过饱和固溶在铝基体中，增加了晶格畸变，提高了加工硬化能力和抗氧化能力，这提供了一种铝合金粉体成分适于高性能耐磨激光增材制造铝合金结构件。 [0031] 本发明还提供了上述技术方案所述铝合金粉体的制备方法。 [0032] 在本发明中，所述铝合金粉体采用气雾化法制备；本发明对所述气雾化法的具体参数没有特别的限定，采用本领域技术人员熟知的气雾化法制备铝合金粉体的参数即可。 [0033] 本发明还提供了上述技术方案所述铝合金粉体在激光增材制造中的应用。 [0034] 本发明还提供了一种激光增材制造铝合金的制备方法，使用上述技术方案所述铝合金粉体，采用选区激光熔化工艺进行增材制造。 [0035] 在本发明中，所述选区激光熔化工艺的激光功率优选为300～350W，更优选为320～330W；作为本发明的一种实施方式，所述选区激光熔化工艺的激光功率可以为305W、315W、325W、335W、340W或345W。激光功率影响烧结的温度，激光功率在上述范围内有利于铝合金粉体快速熔化。 [0036] 在本发明中，所述选区激光熔化工艺的扫描速度优选为1000～1500mm/s，更优选为1200～1300mm/s；作为本发明的一种实施方式，所述选区激光熔化工艺的扫描速度可以是1050mm/s、1150mm/s、1250mm/s、1350mm/s或者1450mm/s。扫描速度在上述范围内，可以兼顾材料质量和加工效率。 [0037] 在本发明中，所述选区激光熔化工艺的扫描线间距优选为80～120μm，更优选为90～110μm。作为本发明的一种实施方式，所述选区激光熔化工艺的扫描线间距可以是85μm、95μm、100μm、105μm或者115μm。扫描线间距在上述范围内，可以兼顾材料质量和加工效率。 [0038] 在本发明中，所述增材制造时基板的预热温度优选为70～100℃，更优选为80～90℃；作为本发明的一种实施方式，所述基板的预热温度可以是75℃、80℃、85℃、90℃或者95℃。通过对基板进行预热，可以降低激光扫描时的温度梯度，有利于降低材料裂纹的风险。 [0039] 在本发明中，所述增材制造时的层厚优选为20～40μm，更优选为25～35μm；作为本发明的一种实施方式，所述增材制造时的层厚可以是22μm、24μm、27μm、32μm或者38μm。层厚在上述范围内，有利于提高材料的致密度和成形质量。 [0040] 本发明对所述增材制造的其它操作没有特别的要求，采用本领域常规的操作方式即可。 [0041] 本发明还提供了上述技术方案所述制备方法制备得到的激光增材制造铝合金。 [0042] 在本发明中，所述激光增材制造铝合金的相组成包括铝基体和金属间化合物，所述金属间化合物优选包括AlMnSi、AlMgSi和AlTi。金属间化合物是在增材制造过程中原位形成的，具有复合增强效应，显著提高了铝合金的耐磨性能；还可以根据需要调整元素用量和打印参数，得到不同组合的金属间化合物，丰富了铝合金的产品组成。 [0043] 作为本发明的一种实施方式，所述激光增材制造铝合金的致密度优选高于99％，致密度高说明合金的气孔较少，有利于提高合金的力学性能和抗裂能力。作为本发明的一种实施方式，所述致密度采用阿基米德法测试。 [0044] 下面将结合本发明中的实施例，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。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。 [0045] 实施例1 [0046] 一种适于激光增材制造的铝合金粉体，具体成分如下(wt.％)：Cu 4.4％；Mg 1.8％；Si 2.4％；Mn 1.5％；Ti 0.7％；Fe≤0.2％；Zn≤0.1％；其余为Al。 [0047] 所述铝合金粉体采用气雾化法制备，经振动筛分得到粒径在15～53μm占比为80％、粉末形貌主要呈现均匀球形的铝合金粉体，用于增材制造。 [0048] 使用扫描电镜观察得到的铝合金粉体，得到SEM图，如图1所示。从图1可以看出，铝合金粉体的形貌主要为球形。 [0049] 应用例1 [0050] 将实施例1得到的铝合金粉体采用选区激光熔化工艺(LPBF)加工成形，LPBF的参数为：激光功率：320W；扫描速度：1200mm/s；扫描线间距：100μm；层厚：30μm；LPBF成形前，将铝合金粉末在真空干燥箱中，120℃温度下干燥4h。 [0051] 加工成形的铝合金记为Al‑Cu‑Mg‑Si‑Mn‑Ti铝合金，实物照片如图2所示。 [0052] 加工成形的铝合金根据阿基米德法测试致密度为99.5％。 [0053] 使用金相显微镜、透射电子显微镜和扫描电子显微镜观察实施例1加工成形的Al‑Cu‑Mg‑Si‑Mn‑Ti铝合金的微观组织，得到图像如图3所示，其中，(a)为金相显微照片，(b)为TEM图，(c)和(d)为SEM图。从(a)可以看出，条带状结构沿打印方向排列，无裂纹、气孔等缺陷；从(b)可以看出，Al‑Cu‑Mg‑Si‑Mn‑Ti铝合金的微观组织中等轴晶和柱状晶分布均匀(箭头指示)；从(c)、(d)可以看出，Al‑Cu‑Mg‑Si‑Mn‑Ti铝合金的微观组织中存在细小、均匀分布的析出相(箭头指示)，析出相即为金属间化合物，主要为Al2Cu(Mg)，Mg2Si；纳米析出相主要为D022‑Al3Ti。 [0054] 对比例1 [0055] 一种铝合金粉体，具体成分如下(wt.％)：Cu 4.3％；Mg 3.16％；Si 1.96％；Fe≤0.2％；Zn≤0.1％；其余为Al。 [0056] 所述铝合金粉体采用气雾化法制备，经振动筛分得到粒径范围在24～65μm、粉末形貌主要呈现均匀球形的铝合金粉体，用于增材制造。 [0057] 将得到的铝合金粉体采用选区激光熔化工艺(LPBF)加工成形，LPBF的参数为：激光功率：340W；扫描速度：1000mm/s；扫描线间距：100μm；层厚：30μm；LPBF成形前，将铝合金粉末在真空干燥箱中，120℃温度下干燥4h。 [0058] 加工成形的铝合金记为Al‑Cu‑Mg‑Si铝合金。加工成形的铝合金的致密度为99.0％。 [0059] 对比例2 [0060] 一种铝合金粉体，具体成分如下(wt.％)：Cu 4.2％；Mg 3.04％；Si 2.10％；Ti 0.67％；Fe≤0.2％；Zn≤0.1％；其余为Al。 [0061] 所述铝合金粉体采用气雾化法制备，经振动筛分得到粒径范围在24～65μm、粉末形貌主要呈现均匀球形的铝合金粉体，用于增材制造。 [0062] 将得到的铝合金粉体采用选区激光熔化工艺(LPBF)加工成形，LPBF的参数为：激光功率：280W；扫描速度：1000mm/s；扫描线间距：100μm；层厚：30μm；LPBF成形前，将铝合金粉末在真空干燥箱中，120℃温度下干燥4h。 [0063] 加工成形的铝合金记为Al‑Cu‑Mg‑Si‑Ti铝合金。加工成形的铝合金的致密度为99.3％。 [0064] 对比例3 [0065] 将对比例2加工成形的铝合金进一步进行时效处理，温度为190℃，时间为5h。 [0066] 加工成形的铝合金记为AgedAl‑Cu‑Mg‑Si‑Ti铝合金。加工成形的铝合金的致密度为99.3％。 [0067] 测试例1 [0068] 使用球‑盘摩擦测试仪进行摩擦系数测量。 [0071] 测试标准：测试参照ASTM G99标准(用于评估材料的摩擦和磨损性能)。 [0072] 滑动速度为10mm/s，摩擦测试载荷设置为2.1N、10N和24N三种工况，每组测试持续30分钟，重复测试3次。 [0073] 数据采集：实时记录摩擦系数随时间的变化曲线。 [0074] 应用例1加工成形的铝合金的摩擦系数变化曲线如图4所示，从图4可以看出，摩擦系数随载荷的增加逐渐降低，证明本发明加工成形的铝合金在高载荷下具有优异的减摩和耐磨性能。 [0075] 测试完成后，对曲线进行数据平滑处理以提取稳态摩擦系数。磨损率(W)根据以下公式计算： [0076] [0077] 其中： [0078] ΔV：材料磨损体积，单位为mm3； [0079] F：施加载荷，单位为N； [0080] d：滑动距离，单位为m。 [0081] 磨损体积通过激光扫描法或轮廓仪测量磨痕截面后计算得到(ISO 20808)。 [0082] 应用例1和对比例1～3加工成形的铝合金的摩损率情况记录在表1。 [0083] 表1应用例和对比例加工成形的铝合金的摩损率记录表 [0084] [0085] [0086] 根据表1的数据，绘制柱状图，如图5所示。根据图5和表1的数据可以看出，本发明通过在Al‑Cu‑Mg合金的中添加Si、Ti和Mn显著提高了铝合金的耐磨性能。 [0087] 从以上实施例和对比例可以看出，本发明提供铝合金粉体在激光增材制造加工成形时，没有裂纹和气孔；在激光增材制造时，可以形成金属间化合物，显著提高了铝合金的耐磨性能。 [0088] 以上所述仅是本发明的优选实施方式，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。 |
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