[发明专利]一种AlSi10Mg粉末及激光选区熔化制造工艺

说明书

本发明属于增材制造技术领域，具体涉及一种AlSi10Mg粉末及激光选区熔化制造工艺。以原子百分比计，所述AlSi10Mg粉末中包含0.02～0.2at％的Er和0.02％～0.08at％的Zr。该AlSi10Mg粉末，采用SLM技术制备新型AlSi10Mg合金，SLM成形试样相对密度达到99％以上，显微硬度为156±7HV，抗拉强度为461±7MPa，屈服强度为304±4MPa。此外，退火热处理后新型SLM制造AlSi10Mg合金的抗拉强度为411MPa，屈服强度为272MPa，相对于常规AlSi10Mg合金具有更好的热稳定性，在航空航天以及汽车制造等领域有重要的工程应用价值。

技术领域

本发明属于增材制造技术领域，具体涉及一种AlSi10Mg粉末及激光选区熔化制造工艺。

背景技术

增材制造(additive manufacturing，AM，也称3D打印)技术自20世纪80年代倍发明以来，经历了三十余年的研究与发展，由于能从三维计算机辅助设计模型直接制备高性能、高精度的复杂精密零件，相对于传统制造技术，具有周期短、无模具、不受零件结构限制等诸多优势。激光选区熔化(Selective Laser Melting，SLM)技术于1995年由德国Fraunhofer激光技术研究所最先展开研究，以离散-堆积原理为基础，结合机械、计算机、数控、模拟仿真、材料等多个领域学科综合应用而成的一项新兴技术。SLM技术作为近十年发展最快的高精度金属AM技术之一，有着极高的冷却速度(10⁵～10⁸K/s)，晶粒成形时间短，晶粒更为细小，具有尺寸精度高、表面质量好、成形件性能优异等特点。在航空航天、医学研究及医疗器械中已经得到了一定的应用，同时在交通运输、汽车工业、国防安全等国民经济和国家安全核心领域都具有重要的应用前景。

AlSi10Mg合金密度小、比强度高、耐腐蚀性好，在航空航天、汽车轻量化制造中有广阔的工程应用需求。目前SLM制造AlSi10Mg合金相对于其他铝合金，SLM成形性较好，成形工艺较为成熟，增材件的相对密度可达99.0％以上，一般获得的抗拉强度为300～420MPa，屈服强度为150～270MPa，延伸率为1.5～6.0％，与传统铸造AlSi10Mg合金相比，力学性能有着显著提高。然而，航空航天领域对铝合金的要求有更高的强度要求，目前的SLM制造AlSi10Mg合金难以满足对高强铝合金的需求。为进一步提高SLM制造AlSi10Mg合金的力学性能，国内外研究人员进行了较多的探索研究。如通过机械混粉的方式，将陶瓷颗粒与AlSi10Mg粉末混合获得复合粉末，所报道的添加的陶瓷颗粒有：TiB₂颗粒、TiN颗粒、WC颗粒、SiC颗粒等，将复合粉末进行SLM成形后，力学性能有一定程度的提高，抗拉强度可达400MPa，屈服强度在300MPa以上。但该种方法需要对粉末进行二次加工，并且在加工过程中会对粉末的形貌产生一定的影响，从而导致粉末球型度和粒径的破坏，使SLM成形工艺性较为困难，难以制备致密和无裂纹的成形件，对于SLM成形条件极为苛刻。

此外，还有通过添加稀土元素来提高SLM成形铝合金强度的研究报道。最具代表性的就是，添加稀土元素Sc的合金，经过热处理后，合金的抗拉强度可达520MPa，屈服强度为480MPa，延伸率为13％。然而，Sc的价格十分昂贵，不适于大规模的生产应用，为此寻求与Sc具有相似的强化效果且价格低廉稀土元素实现SLM制造铝合金的强化具有重要的应用价值。稀土元素Er在铝合金中的强化作用已经在北京工业大学聂祚仁团队开展了多年的研究，证实Er与Sc在铝合金中具有着相似的强化作用。这是由于，Er与Al在铝合金凝固过程中会形成稳定的L1₂结构的Al₃Er相，该相成为非均质形核，租金异质形核，从而细化铝合金的晶粒。此外，Al₃Er粒子还能够钉扎位错和亚晶界，从而提高铝合金的强度与再结晶温度。

发明内容