一种激光增材制造用铝合金材料
技术领域：
本发明涉及金属增材制造领域，特别涉及一种激光增材制造用铝合金材料。
背景技术：
增材制造是目前材料制备技术研究的一大热点，其中选取激光熔化技术(SLM)由于无需模具，可实现零件的直接近净成形，得到了人们的广泛关注。目前，已在在航天航空、医疗器械、汽车等领域得到了应用。铝合金由于具有优异的比强度、导热导电、抗腐蚀等性能，在SLM技术领域已开展了大量的研究与应用。其中AlSi12、AlSi10Mg等铝合金体系的增材制造零件技术相对比较成熟，但Al-Si系合金的力学性能不高。复合添加Sc、Zr可极大提高Al-Mg合金性能，GE公司开发了Al-Mg-Sc-Zr新型高强铝合金，并注册了合金牌号，国内专利CN 109909492 A、CN 109175350 A、CN 109487126 A等专利公开了与美国类似的Al-Mg-Sc-Zr合金，不同之处在于还复合添加了Cu、Mn等合金元素，获得了增材制造用高强高韧铝合金粉末；但由于Sc的加入，材料成本非常高，应用推广受限。而Al-Cu系、Al-Zn系高强铝合金大多属于非共晶合金成分，从相图(附图1)来看，凝固区间跨度大，凝固过程中易产生热裂纹，尤其是在激光增材制造领域，极高冷却速度导致的非平衡凝固条件下，热裂纹几乎难以避免，制约了高强铝合金在增材制造领域的应用。
Ni元素是一种过渡元素，是提高铝合金高温力学性能最重要的元素之一，是应用于结构材料铝铜合金中的重要元素。Al-Ni体系富铝端的主要析出相为Al3Ni。Al3Ni粒子晶格常数为4.104×10-10m，且与基体共格，因而能限制位错运动，阻碍晶粒长大，细化晶粒并强化合金，Al-Ni共晶结构的铝合金显示出优异的流动性和细晶强化的作用。同时Ni还能与Fe元素形成Al9FeNi等沉淀相，有效地除去铝合金中的部分Fe杂质，这些富镍相的弥散性、热稳定性、分布及形貌良好，能使铝合金的高温力学性能得到显著提高，还具有良好的耐磨性、耐腐蚀性能，适用于更恶劣更严格的环境中。目前也有学者认为：大于0.7％的过量添加会使Ni成为粗大的夹杂物；对耐应力腐蚀裂纹性、拉伸特性和加工性能也产生不利影响(专利CN102482737A)，传统铸造Al-Ni合金组织粗大，性能差，几乎没有应用，也少有工业应用的Al-Ni系铝合金牌号。Al-Ni共晶成分点镍含量为5.72(wt)％，见附图2，Al-Ni共晶成分点即是液固分界点，凝固区间极小，热裂倾向极小。加上增材制造的冷却速度快，可达到106K/s，缺乏粗大相的生长环境，有利于形成纳米级的Al3Ni粒子，并且与基体共格，详见附图3。采用增材制造技术制造Al-Ni合金，不仅可以利用共晶成分特点避免热裂纹的产生，同时还可以使合金具有优异的细晶强化效果，获得较高的强度。
发明内容：
本发明为发挥Al-Ni共晶合金的优势，拓展其在增材制造领域的应用，丰富铝合金增材制造材料体系。本发明提出增大Ni用量；通过其与适量添加的Cu、Mg、Mn、Zr等合金元素之间的协同作用，利用微合金化，以及多重稳定性纳米粒子析出、晶粒细化等强化机理提高合金的强度、改善合金的塑性，热稳定性、分布及形貌良好，能使铝合金的高温力学性能得到显著提高(包括拉伸特性)，还具有良好的耐磨性、耐腐蚀性能，适用于更恶劣更严格的环境中。本发明不仅可以避免因铝合金材料本身而导致产生的热裂纹，而且还可以利用增材制造快速冷却的技术特点，获得纳米尺度的共格Al3Ni粒子，获得一种高强的增材制造铝合金，拓宽了增材制造用铝合金体系。
本发明的目的在于提供一种激光增材制造用铝合金，所述铝合金中主要合金元素的质量分数为：Ni：3.0～8.0％，Cu：0％-2.0％，Mg：0％-3.0％，Mn：0-1.0％，Zr：0-0.5％，Fe：0-0.1％，Si：0-0.1％，其余为铝。
优选的，所述铝合金，包括如下质量分数的成分：Ni：4.5～6.5％，Cu：1.0％-1.5％，Mg：0.5％-2.5％，Mn：0.1％-0.3％，Zr：0.1％-0.3％，Fe：0.05-0.1％，Si：0.05-0.1％，其余为铝。
进一步优选的，所述铝合金，包括如下质量分数的成分：Ni：5.0～6.0％，Cu：0-0.1％，Mg：0-0.1％，Mn：0-0.1％，Zr：0-0.1％，Fe：0-0.05％，Si：0-0.05％，其余为铝。
更进一步优选的，所述铝合金，包括如下质量分数的成分：Ni：5.5～8.0％，Cu：0.5％-1.5％，Mg：0.5％-0.8％，Mn：0.1％-1.0％，Zr：0.1％-0.3％，Fe：0.05-0.1％，Si：0.05-0.1％，其余为铝。
本发明还涉及一种用于增材制造的高强铝合金粉末的制备方法，具体步骤如下：
1、真空熔炼
(1)按照铝合金成分配比，称取纯铝(纯度≥99.9％wt)，纯镁(纯度≥99.9％wt)，其他元素均采用铝中间合金，中间合金杂质含量小于0.1％，将称好的铝放入真空中频感应炉的坩埚内。
(2)抽真空到10-2Pa以内，启动加热，加热到300-350℃后开始充入氩气或氮气(气体纯度≥99.995％)到微正压(0.05-0.3MPa)；当纯铝完全熔化后，温度为720-850℃时，逐步加入铝中间合金，按熔点高低顺序依次加入合金元素；
(3)待合金完全熔化后，加入六氯乙烷除气、搅拌，在磁场作用下合金熔液充分混合均匀，保温静置40-50min，静置后进行浇铸，获得气雾化用铝合金铸锭。
2、超音速惰性气体真空雾化
(1)将铝合金铸锭放入中频炉坩埚内，启动真空泵；
(2)当炉内压力≤10-2Pa时，启动电源开始加热；
(3)继续加大中频炉功率，升温速率控制在10-20℃/s；当温度达到350-400℃时关闭真空泵，送入高纯惰性气体，为氩气、氮气的一种；
(4)熔炼炉内气体压力维持在0.05-0.2MPa，继续升温到780-830℃，并保持50-90min；
(5)启动雾化气体循环系统，做好雾化准备工作；
优选的，雾化介质为氩气和氦气的混合气体，混合比例为1∶0.1-0.5。
优选的，雾化介质纯度≥99.995％，露点低于-60℃。
(6)按照操作规程开启雾化系统进行制粉，雾化压力控制在4-10MPa范围内，雾化气体流速1-3倍音速。
(7)雾化制粉完成待粉末冷却后，用超声震动进行筛分分级，第一筛网为200-350目，第二筛网为1000-1500目。
(8)筛分后的粉末粒径为15-74μm的粉末的收得率≥50％，粉末空心率≤0.2％，氧含量≤300ppm。
(9)过筛后的铝合金粉末用真空袋封装备用。
3、选区激光熔化增材制造
(1)通过软件绘制所需零部件的三维图形；
(2)选取15-53μm的铝合金粉，在真空干燥箱中进行干燥除气除水，具体工艺为80-120℃，保温4-6h；
(3)真空干燥后的粉末放入SLM打印机供粉缸中，开启SLM打印机，开始打印操作；
优选的，激光功率为300-450W，扫描速度为800-1700mm/s，扫描间距为0.10-0.20mm，层厚为0.03-0.05mm，基板温度为50-150℃；
优选的，扫描策略为相邻层之间旋转角度为0°、45°、67°、90°的一种，进一步优选为45°或67°；
优选的，扫描策略为棋盘扫描或线扫描的一种或混合使用；
优选的，棋盘扫描的棋格为正方形或长方形，棋格面积为4-25mm2。
(4)用线切割把打印后的样件与基板分离，并将残留粉末清理干净。
(5)对打印后的样件进行热处理。
优选的，固溶温度为550-600℃，升温速率5-10℃/min，保温时间2-12h，真空或氩气保护。
优选的，介质为水，水温20-30℃、转移时间为≤10s。
优选的，时效温度为220-350℃，保温时间为4-16h，空冷。
作为进一步的优选；激光功率为380W，扫描速度为1500mm/s，扫描间距为0.17mm，层厚为0.045mm，基板温度为150℃。
本发明的铝合金粉末优选应用于选区激光熔化增材制造领域，优选用于电子束粉床增材制造、电子束喷粉式增材制造等领域；
本发明的铝合金粉末除用于增材制造，还可用做粉末冶金、注射成形、热等静压、焊接修复等的粉末材料。
本发明首次开发出了不含稀土的、低镁高镍的增材制造用铝合金粉。本发明所得产品力学性能优良且具有良好的耐腐蚀性能。
本发明的高强铝合金粉末通过SLM成形后的样品致密度可达到99％以上，打印态的样件抗拉强度≥350MPa，屈服强度≥300MPa，延伸率为≥8％；经过热处理后，样件的抗拉强度≥420MPa，屈服强度为≥350MPa，延伸率≥6％。经热处理后，300℃条件下材料的抗拉性能≥360MPa，屈服强度≥320MPa。
附图说明
附图1为Al-Cu合金相图；
附图2为Al-Ni合金相图；
附图3为与基体铝共格的Al3Ni纳米粒子的表征图。
具体实施方式：
实施例1
本实施例提供一种选取激光打印专用铝合金，其含有以下质量百分含量的组分：Ni：6.0％，Cu：≤0.15％，Mg：≤0.15％，Mn：≤0.05％，Zr：≤0.05％，Fe：≤0.05％，Si：≤0.05％，其余为铝。
其制备方法为：
1、真空熔炼
(1)按照铝合金成分配比，称取纯铝(纯度≥99.9％wt)，纯镁(纯度≥99.9％wt)，其他元素均采用铝中间合金，中间合金杂质含量小于0.1％，将称好的铝放入真空中频感应炉的坩埚内，
(2)抽真空到10-2Pa以内，启动加热，加热到320℃后开始充入氩气或氮气(气体纯度≥99.995％)到微正压(0.2MPa)；当纯铝完全熔化后，温度为760℃时，逐步加入铝中间合金，按熔点高低顺序依次加入合金元素；
(3)待合金完全熔化后，加入六氯乙烷除气、搅拌，在磁场作用下合金熔液充分混合均匀，保温静置40min，静置后进行浇铸，获得气雾化用铝合金铸锭。
2、超音速惰性气体真空雾化
(1)将铝合金铸锭放入中频炉坩埚内，启动真空泵；
(2)当炉内压力≤10-2Pa时，启动电源开始加热；
(3)继续加大中频炉功率，升温速率20℃/s；当温度达到350℃时关闭真空泵，送入高纯惰性气体，为氩气、氮气的一种；
(4)熔炼炉内气体压力维持在0.2MPa，继续升温到800℃，并保持60min；
(5)启动雾化气体循环系统，做好雾化准备工作；
优选的，雾化介质为氩气；
优选的，雾化介质纯度≥99.995％，露点低于-60℃；
(6)按照操作规程开启雾化系统进行制粉，雾化压力控制在6-8MPa，雾化气体流速2-3倍音速；
(7)雾化制粉完成待粉末冷却后，用超声震动进行筛分分级，第一筛网为200目，第二筛网为1340目；
(8)筛分后的粉末粒径15-74μm的收得率≥50％，粉末空心率≤0.2％，氧含量≤300ppm；
(9)过筛后的铝合金粉末用真空袋封装备用。
3、选区激光熔化增材制造
(1)通过软件绘制所需零部件的三维图形；
(2)选取15-74μm的铝合金粉，在真空干燥箱中进行干燥除气除水，具体工艺为100℃，保温5h；
(3)真空干燥后的粉末放入SLM打印机供粉缸中，开启SLM打印机，开始打印操作；
其中，激光功率为380W，扫描速度为1500mm/s，扫描间距为0.17mm，层厚为0.045mm，基板温度为150℃；
其中，采用相邻层之间旋转角度为67°，条带扫描，条带宽度为10mm；
(4)用线切割把打印后的样件与基板分离，并将残留粉末清理干净；
(5)对打印后的样件进行热处理；
优选的，固溶温度为580℃，升温速率5℃/min，保温时间6h，真空或氩气保护；
优选的，介质为水，水温25℃、转移时间为≤10s；
优选的，时效温度为260℃，保温时间为8h，空冷；
通过测试，本实施例的粉末细粉(15-74μm)收得率为56.3％，球形度98.8％，通过SLM成形后的样品致密度为99.2％，打印态的样件抗拉强度为386MPa，屈服强度309MPa，延伸率为9.5％；经过热处理后，样件的抗拉强度为468MPa，屈服强度为415MPa，延伸率为7.8％。经热处理后，300℃条件下材料的抗拉性能374MPa，屈服强度326MPa。
实施例2：
本实施例提供一种选取激光打印专用铝合金，其含有以下质量百分含量的组分：Ni：5.4％，Cu：1.2％，Mg：0.6％，Mn：0.2％，Zr：0.1％，Fe：0.05％，Si：0.05％，其余为铝。其它实施条件同实施例1。
通过测试，本实施例的粉末细粉收得率为54.1％，球形度98.3％，通过SLM成形后的样品致密度为99.4％，打印态的样件抗拉强度为394MPa，屈服强度346MPa，延伸率为8.7％；经过热处理后，样件的抗拉强度为519MPa，屈服强度为447MPa，延伸率为6.9％。经热处理后，300℃条件下材料的抗拉性能413MPa，屈服强度346MPa。
实施例3：
本实施例提供一种选取激光打印专用铝合金，其含有以下质量百分含量的组分：Ni：4.8％，Cu：1.8％，Mg：2.2％，Mn：0.3％，Zr：0.15％，Fe：0.05％，Si：0.05％，其余为铝。其它实施条件同实施例1。
通过测试，本实施例的粉末细粉收得率为57.6％，球形度98.4％，通过SLM成形后的样品致密度为99.6％，打印态的样件抗拉强度为387MPa，屈服强度334MPa，延伸率为9.3％；经过热处理后，样件的抗拉强度为535MPa，屈服强度为468MPa，延伸率为7.1％。经热处理后，300℃条件下材料的抗拉性能431MPa，屈服强度357MPa。
对比例1：
本对比例含有以下质量百分含量的组分：Ni：1.0％，Cu：5.0％，Mg：2.2％，Mn：0.3％，Zr：0.15％，Fe：0.05％，Si：0.05％，其余为铝。其它实施条件同实施例1。
通过测试，本实施例的粉末细粉收得率为50.6％，球形度96.4％，通过SLM成形后的样品致密度为98.3％，打印态的样件抗拉强度为278MPa，屈服强度235MPa，延伸率为4.3％，打印态材料微裂纹较多；经过热处理后，样件的抗拉强度为255MPa，屈服强度为168MPa，延伸率为3.1％，由于打印裂纹存在，导致材料性能在热处理后不增反降。经热处理后，300℃条件下材料的抗拉性能223MPa，屈服强度157MPa。
对比例2：
采用实施例2的材料成分，改变打印工艺参数，激光功率为260W，扫描速度为1000mm/s，其它同实施例2。
通过测试，打印态的样件抗拉强度为276MPa，屈服强度202MPa，延伸率为7.3％；经过热处理后，样件的抗拉强度为325MPa，屈服强度为273MPa，延伸率为6.3％。经热处理后，300℃条件下材料的抗拉性能266MPa，屈服强度215MPa。
对比例3：
采用实施例2的材料成分，改变打印工艺参数，激光功率为350W，扫描速度为2000mm/s，其它同实施例2。
通过测试，打印态的样件抗拉强度为339MPa，屈服强度247MPa，延伸率为7.7％；经过热处理后，样件的抗拉强度为435MPa，屈服强度为343MPa，延伸率为6.6％。经热处理后，300℃条件下材料的抗拉性能327MPa，屈服强度264MPa。
对比例4：
以实施例2的成分，采用传统铸造的方式制造样品。样件的抗拉强度为144MPa，屈服强度106MPa，延伸率为17.7％；经过热处理后，样件的抗拉强度为332MPa，屈服强度为234MPa，延伸率为16.9％。经热处理后，300℃条件下材料的抗拉性能231MPa，屈服强度164MPa。与增材制造相比，铝镍合金性能相差较大。
