[发明专利]一种粉末表面稀土改性的铝合金复杂构件增材制造方法

说明书

一种粉末表面稀土改性的铝合金复杂构件增材制造方法，它涉及铝合金构件制备发方法。本发明为了解决高性能铝合金复杂构件的制备中出现的问题，本发明将增材制造用的商用铝合金粉末作为气相沉积工艺的基材，粒径尺寸15‑70μm，将稀土合金作为物理气相沉积的靶材，通过物理气相沉积在铝合金粉末表面沉积一层稀土元素涂层。本发明采用带有稀土涂层的铝合金粉末可显著提高构件的耐蚀、热稳定性及力学性能。本发明采用物理气相沉积对商用铝合金粉末进行稀土改性，材料利用率接较高，基本无材料浪费，且制备周期短，能耗低。本发明采用粉末激光增材制造可一次成形复杂结构部件，同时保证成形零件具有较高尺寸精度。本发明应用于材料加工工程领域。

技术领域

本发明涉及一种粉末表面稀土改性的铝合金复杂构件增材制造方法，属于材料加工工程领域。

背景技术

面对环境污染和能源紧缺的难题，先进的柔性加工技术和零部件轻量化设计已成为当前制造领域的热点问题。铝合金材料由于其密度小，比强度高、耐磨耐蚀等一系列优质特性，被广泛应用在交通运输、航空航天、石油化工等领域。但是，该类材料塑性变形能力较差，在室温条件下难以成形复杂形状零件，从而严重限制了其应用范围。随着近年来增材制造产业的发展，使得铝合金复杂结构部件的使用得到了广泛推广。

在众多金属增材制造方法中，比较常用的就是电弧熔丝增材和高能束熔粉增材两大类。对于复杂金属构件来说，使用激光熔粉增材具有零件成形精度高、成形质量好，可一次直接成形等优势，显著缩短复杂零件的生产周期。激光熔粉增材主要分为激光熔化沉积(LMD)、选区激光熔化(SLM)两种工艺。这两种工艺均是以激光为热源，以粉末为原材料，通过熔化粉末层层堆积的方式制备零件。由于铝合金粉末对激光的反射率较高，使用激光增材制造工艺制备铝合金零件就需要较大的能量密度。而较大的热输入往往会导致铝合金构件内部组织粗化，显著降低构件的力学性能。同时，激光增材制造过程中能量束的扫描速度较快，造成金属熔化凝固速率过快，构件内部存在较大的残余应力，对于高强铝合金(2xxx、6xxx、7xxx系)来说，其凝固区间较宽，在较快速率凝固时会产生强烈的热裂倾向，造成构件的力学性能和致密度显著下降，采用LMD、SLM工艺制备复杂结构铝合金零件存在以下一系列问题：

(1)较大的热输入使构件内部组织由等轴晶区和柱状晶区交替组成，柱状晶区为构件的薄弱区，使构件的力学性能降低。

(2)常规商用铝合金粉末的激光吸收率较低，需较大的激光功率+较小的扫描速度才可以成形致密零件，成形效率极低。

(3)对于热裂倾向敏感的铝合金(2xxx、6xxx、7xxx)来说，LMD、SLM、工艺窗口较窄，构件内部极易出现裂纹缺陷。

(4)构件在200-500℃区间会发生再结晶与晶粒长大现象，显著降低构件的强度和疲劳寿命。

铝合金粉末的成分对成形构件的组织性能有显著影响。目前用于增材制造的商用铝合金粉末品种较为单一，其制备工艺主要为还原法、电解法和雾化法。而新成分规格的铝合金粉末由于其用量少而不适合大批量生产，其制备成本相对较高。研究开发性能可靠、成本低廉的铝合金粉末一直是铝合金增材制造中+关注的问题。目前增材制造铝合金粉末研发及构件制备主要集中于在制备粉末前向原材料中添加微量钪元素来消除6061铝合金的热裂缺陷(如专利CN201710774457.1)；向铝粉末中加入合金和稀土粉末球磨混合后通过气雾法制备含稀土元素的铝合金粉末，通过稀土改性来提高铝合金构件的力学性能(CN201711258324.5)；通过向陶瓷颗粒表面沉积进度涂层，通过热等静压，真空热压等工艺，进而可以制备出体积可控的金属基复合材料(如专利201711188662.6)。