[发明专利]用于粉末床熔合增材制造工艺的铝合金粉末

说明书

可通过以下方法制造三维铝合金部件：在基体上分布铝合金粉末进料的层并用高能激光或电子束在选定区域中扫描，该选定区域对应于正在形成的铝合金部件的横截面。在制造期间，选定区域可熔化并形成熔化铝合金材料池。此后，可使熔化铝合金材料池冷却并凝固成为熔合铝合金材料固体层。在熔化铝合金材料池凝固期间，可在形成固相铝枝晶之前于液相铝溶液中形成固相颗粒。所得铝合金部件可呈现多晶结构，该多晶结构主要包括多个等轴晶粒，而非柱状晶粒。

引言

已经开发了各种铝合金组合物，用于通过铸造和/或热成形操作制造三维铝合金部件，以赋予所得部件某些期望的化学和机械性能。然而，已经发现，当此类铝合金组合物用作粉末床熔合增材制造工艺中的粉末进料时，所得铝合金部件经常呈现出柱状晶粒结构，因此相对易于沿相邻柱状晶粒之间的晶界开裂。因此，本领域需要一种铝合金组合物，其可用于粉末床熔化增材制造工艺中，以形成主要呈现等轴晶粒结构并因此耐受凝固开裂或不受凝固开裂影响的三维铝合金部件。

发明内容

根据本发明的一个方面，提供了一种用于通过粉末床熔合增材制造工艺制造三维高强度铝合金部件的铝合金粉末。铝合金粉末的每个颗粒可包括铝合金，该铝合金按重量计包括13-25％的硅、0.1-10％的铜和0-2％的镁。当铝合金被加热到高于铝合金液相线温度的第一温度并随后冷却到低于铝合金液相线温度且高于铝合金固相线温度的第二温度时，铝合金可以从液相转变为多相体系。多相体系可包括液相铝溶液以及分散在整个液相铝中的硅颗粒固相。

在一种形式中，铝合金可按重量计包括15-22％的硅、2-5.1％的铜和0.6-0.8％的镁。在另一种形式中，铝合金粉末可按重量计包括19-21％的硅、3.5-4.1％的铜和余量的铝。

铝还可按重量计包括：大于0％的铁且小于9％的铁，以及大于0％的锰且小于5％的锰。在这种情况下，多相体系可包括液相铝溶液、硅颗粒固相以及分散在整个液相铝中的另一含铁金属间化合物颗粒固相。

根据本发明的另一方面，提供了一种用于通过粉末床熔合增材制造工艺制造三维高导热率铝合金部件的铝合金粉末。铝合金粉末的每个颗粒可包括铝合金，该铝合金可按重量计包括：大于95％的铝，以及大于0％且小于5％的至少一种成核剂。该至少一种成核剂可包括在低于530摄氏度的温度下在铝中的固体溶解度为按重量计小于0.5％的元素或化合物。当铝合金被加热到高于铝合金液相线温度的第一温度并随后冷却到低于铝合金液相线温度且高于铝合金固相线温度的第二温度时，铝合金可从液相转变为多相体系。多相体系可包括液相铝溶液以及分散在整个液相铝中的至少一种成核剂的颗粒的固相。在一种形式中，该至少一种成核剂可包括在第二温度下在铝中的固体溶解度为按重量计小于或等于2.0％的元素或化合物。

制造三维铝合金部件的方法可包括以下步骤。在步骤(a)中，可提供铝合金粉末进料。在步骤(b)中，可在基体上分布粉末进料的层。在步骤(c)中，可用高能激光或电子束扫描粉末进料的层的选定区域，以在其中形成熔化铝合金材料池。粉末进料的层的选定区域可对应于正在形成的铝合金部件的横截面。在步骤(d)中，可终止激光或电子束以使熔化铝合金材料池冷却并凝固成为熔合铝合金材料固体层。可依次重复步骤(b)至(d)以形成由多个熔合铝合金材料固体层构成的铝合金部件。在熔化铝合金材料池凝固期间，可在形成固相铝枝晶之前于液相铝溶液中形成固相颗粒。铝合金部件中的每个熔化铝合金材料固体层可包括连续铝基质相，该连续铝基质相呈现多晶结构并且主要包括多个等轴晶粒。

在终止激光或电子束之后，熔化铝合金材料池可以以每秒10⁴开尔文至每秒10⁶开尔文范围内的速率冷却。

在熔化铝合金材料池凝固期间，熔化铝合金材料可从完全液相转变为多相体系。在多相体系中，固相颗粒可以分散在整个液相铝溶液中。

固相颗粒可用作随后形成固相铝枝晶的核。在这种情况下，固相颗粒在液相铝溶液中形成之后，固相铝枝晶可以在固相颗粒上成核并沿多个方向生长。当相邻的铝枝晶彼此撞击并形成晶界时，固相铝枝晶的生长可被阻止。