一种用于金属3D打印的Al-Zn-Mg-Sc系铝合金粉末及其制备方法
技术领域
本发明涉及金属3D打印粉材领域，尤其涉及一种用于金属3D打印的Al-Zn-Mg-Sc系铝合金粉末及其制备方法，适用于打印航空航天领域高强度要求的铝合金粉材。
背景技术
增材制造又称“3D打印”，是以计算机三维设计模型为蓝本，通过软件分层离散和数控成型系统，利用激光束、热熔喷嘴等方式将金属粉末、陶瓷粉末、塑料、细胞组织等特殊材料进行逐层堆积黏结，最终叠加成型，制造出实体产品。
铝合金打印材料已经被应用于火箭发动机喷嘴、飞机复杂结构件、航空发动机复杂构件等武器装备产品研制中获得应用，并且开始由研究开发阶段向工程化应用阶段迈进。金属三维打印材料的应用领域相当广泛，如石化工程、航空航天、汽车制造、注塑模具等。这项技术已被应用于多个行业领域，并且发挥着越来越重要的作用。
但是，现有铝合金打印材料强度较低，以AlSi7Mg、AlSi10Mg为主的打印件力学性能在350MPa左右，不能满足高强度零件的打印要求。同时Al-Zn-Mg-Sc系铝合金3D打印材料还未得到应用。直接采用原材料进行喷粉，可能导致金属溶解不充分、混合不均匀，同时存在气体、夹渣等缺陷。
一种适用于3D打印的球形仿金合金粉末及其制备方法(公开号：CN109158587A)中，所述仿金合金粉末成分由以下质量分数元素组成：Al5.5～7.5％；Ni1～1.5％；Sn0.5～1.5％；In0.05～0.20％；Ce0～0.30％；Cu余量。所述制备方法为：按各元素配比将纯铜块、纯铝块、纯镍块、纯锡锭、纯铟粒和铜-铈中间合金混合熔炼得到预合金铸锭，然后放入到真空气雾化制粉设备中制粉，筛分，得到适用于3D打印的球形仿金合金粉末。该发明通过添加不同元素并采用真空气雾化技术，制备出的仿金合金粉末具有色度接近纯金、球形度好、少(无)空心粉、流动性优异和松装密度高等优点，适用于3D打印成形，但是该合金粉末不能满足高强度零件的打印要求。
一种3D打印用钛及钛合金丝或粉末的制备方法(公开号：CN105033249A)包括选取钛或钛合金坯料，将钛或钛合金坯料粉碎后进行多次熔炼、进行拉伸得到钛或钛合金丝材成品或采用雾化粉末法得到钛或钛合金粉末成品。该发明的一种3D打印用钛及钛合金丝或粉末的制备方法制备的材料具有密度小、导热系数小、比强度高、耐腐蚀、耐高温、无毒性、无磁性高等特点，公开专利文件中并未验证打印件的力学性能，从而不能得知是否能应用于打印航空领域的高强度零件。
现有技术中公开了很多高强度的铝合金材料，但是一般用于制备铝合金型材，因为高性能铝合金有热裂倾向，现有的主流看法都是认为高强度铝合金不能用于3d打印，因此如何制备适用于高强度制件的3D打印铝合金粉末成为了目前亟需解决的难题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：解决上述现有技术存在的问题，而提供一种用于金属3D打印的Al-Zn-Mg-Sc系铝合金粉末及其制备方法，制得满足高强度零件打印要求的金属3D打印铝合金粉末。
本发明采用的技术方案是：
一种用于金属3D打印的Al-Zn-Mg-Sc系铝合金粉末的制备方法包括以下步骤：
(1)配料：称取金属原料进行配料，使金属原料中包括以下含量的化学元素：Zn6.5％～7.5％、Mg 2.5％～3％、Mn 0.3％～0.8％、Zr0.05％～0.25％、Cu 0.3％～0.8％、Sc 0.1％～0.5％、Ti 0.03％～0.06，杂质≤0.3％，余量为Al；
(2)真空熔炼：将配料所得的金属原料进行真空熔炼，0＜真空度＜5Pa，熔炼温度为720～800℃，得到融化的原料；
(3)浇铸：将融化的原料静置后，浇铸到水冷模具中，浇铸温度为720-740℃，得到铸锭；
(4)均质化处理：将铸锭放入退火炉进行均质化处理，升温至350～400℃后保温，出炉冷却，得到均质化处理后的铸锭；
(5)铸锭表面后处理：使均质化处理后的铸锭表面粗糙度＜Ra3.2，得到表面处理后的铸锭；
(6)制粉：对表面处理后的铸锭采用气雾化法制粉或高速离心雾化制粉；
气雾化法制粉包括将表面处理后的铸锭放入气雾化法制粉机，1000～1200℃融化后，输送至导管，气流粉碎，冷却后得到铝合金粉末。
高速离心雾化制粉包括将表面处理后的铸锭融化后，进入加热输送管，加热温度为1000℃～1200℃，将熔液送入到雾化器内，经高速离心雾化，转速为5000r/min～6000r/min，以400k/s-600k/s速度冷却成型，收圆凝固，得到铝合金粉末。
本发明将金属原料真空熔炼后，再快速水冷浇铸，经均质化处理和铸锭表面后处理再进行制粉，制得的铝合金粉末化学成分均匀，能有效细化晶粒，适用于打印高强度零件。
进一步地，步骤(3)中水冷模具中的冷却速率为80-100K/s。
进一步地，步骤(1)中金属原料包括纯铝、铝铜合金、铝钪合金、铝锆合金、铝锰合金、镁锭、铝钛合金和铝锌合金；
步骤(1)中金属原料中包括杂质Fe和Si，Fe≤0.2％、Si≤0.1％；
进一步地，步骤(2)中将纯铝、铝铜合金、铝钪合金、铝锆合金、铝锰合金、镁锭、铝钛合金和铝锌合金依次加入真空熔炼炉中。
进一步地，步骤(3)中静置的时间为10-20min。
进一步地，步骤(4)中保温的时间为10-12小时。
进一步地，步骤(3)中水冷模具的直径为110-130mm。
进一步地，步骤(5)中将均质化处理后的铸锭切去两端，并进行车削处理。
本发明的另一方面涉及一种用于金属3D打印的Al-Zn-Mg-Sc系铝合金粉末，采用上述方法制得，利用铝合金粉末3D打印制件，制件的抗拉强度为500～550Mpa，屈服强度为450～505Mpa，延伸率为9％～12％，粒径为20～63um，粉末≤90S。
本发明具有以下优点：
1、制备的铝合金粉末可用于3D打印高强铝合金的复杂结构件，实现了Al-Zn-Mg-Sc系铝合金3D打印。采用先浇铸成铸锭，再制粉的工艺路径，对比直接采用原材料进行喷粉的工艺，减小了金属溶解不充分、混合不均、存在气体、夹渣等缺陷可能性。真空熔炼浇铸模具为水冷模具，冷却速率为90-110K/s，铸锭结晶速度快，减小过饱和固溶体偏析程度，化学成分更加均匀；同时高温熔液急剧冷却成型能有效细化晶粒，晶粒尺寸基本分布在40-60μm。采用气雾化或者高速离心制粉。减少了大颗粒，气雾化法制的粉末制得率约在40～50％，高速离心法制得的粉材制得率约在50％以上，且两种制粉方法的粉末化学成分均匀，非金属夹杂少、粉末球形度好、氧含量低、流动性好。
2、在铝合金中添加Sc：
1)钪是铝合金中最有效的抑制再结晶元素，钪的添加可以提高铝合金中的再结晶温度；
2)材料基体中存在大量弥散分布的高密度的Al3Sc粒子，Al3Sc粒子在结构和尺寸上与铝合金基体点阵相似，有效的抑制了再结晶，细化了材料晶粒，提升材料塑性；
3)打印成零件后，通过热处理，基体中可以析出大量高度弥散的Al3Sc粒子，可以显著提高打印零件的强度。
3、合金中复合添加Sc、Zr可有效提升Al-Zn-Mg合金的强度，其原因是：Sc、Zr与基体形成共格的第二相粒子，因为第二相粒子强钉轧位错及基体的晶界，阻碍位错的移动及晶界的迁移，导致晶粒再结晶过程受到抑制；Sc、Zr在铸锭凝固界面前沿的液相中富集后会产生很大的成分过冷度，导致大量细小的等轴晶的形核；另外，部分原子还在先结晶出的柱状树枝晶的根部富集，使得枝晶发生紧缩并发展成游离晶体，最终形成新的等轴晶的成核核心，增强细化晶粒效果。
4、Zn、Mg同时加入铝中，形成强化相MgZn2,对合金产生明显的强化作用，MgZn2含量的增加可明显增加抗拉强度、屈服强度。
5、Mn能够阻止铝合金的再结晶过程，提高在结晶温度，并能显著细化再结晶晶粒。MnAl6化合物弥散质点对再结晶晶粒长大起阻碍作用。
6、Cu:铜铝合金组织有一定的固溶强化效果，时效析出的CuAl2相有着明显的时效强化效果。
7、Ti和Al形成TiAl3相，起细化铸态组织的作用。
附图说明
图1为实施例1中均质化处理后的铸锭的200X金相照片；
图2为实施例1中表面处理后铸锭的照片；
图3为实施例1制得的铝合金粉末的200X金相照片；
图4为实施例1制得的铝合金粉末的电镜扫描图；
图5为实施例2制得的铝合金粉末的200X金相照片；
图6为实施例2制得的铝合金粉末的电镜扫描图；
图7为实施例2制得的铝合金粉末利用国内打印机1制得的打印件的100X金相照片；
图8为实施例2制得的铝合金粉末利用国内打印机2制得的打印件的100X金相照片；
图9为实施例2制得的铝合金粉末利用国外打印机1制得的打印件的100X金相照片；
图10为实施例2制得的铝合金粉末利用国外打印机2制得的打印件的100X金相照片；
图11为实施例2制得的铝合金粉末利用国外打印机3制得的打印件的100X金相照片。
具体实施方案
为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案做详细的说明。
实施例1
(1)配料：按照7％Zn、2.75％Mg、0.5％Mn、0.15％Zr、0.5％Cu、0.3％Sc、0.04％Ti、余料为铝的合金比例进行配料，其中含有杂质Fe和Si，Fe≤0.2％、Si≤0.1％；
(2)真空熔炼：采用真空熔炼炉进行熔炼，依次加入纯铝、铝铜合金、铝钪合金、铝锆合金、铝锰合金、镁锭、铝钛合金、铝锌合金。真空熔炼炉抽真空达到3pa时，原料融化，熔炼温度750℃。
(3)浇铸：静置15min后浇铸到直径Ф120模具内，冷却成型后取出，模具为水冷模具，急剧冷却成型，冷却速率为100K/s，浇铸温度730℃。
(4)均质化处理：将铸锭放入退火炉进行均质化处理，升温至350～400℃后保温10-12小时，出炉冷却。
均质化处理后的铸锭进行金相分析，得到的照片如图1所示，铸锭中化学成分均匀。均匀化处理能使铸锭中的不平衡共晶组织在基体中分布趋于均匀，过饱和固溶元素从固溶体中析出，以达到消除铸造应力，提高铸锭塑性，改善加工产品的组织和性能的目的。
(5)铸锭表面后处理：将铸锭切去头尾，使用车床将铸锭车削为直径Ф116mm，铸锭表面粗糙度优于Ra3.2，得到表面后处理后的铸锭照片如图2所示，铸锭表面光滑平整。
(6)制粉：将铸锭放入气雾化法制粉机，1100℃融化后，输送至导管，气流粉碎，冷却后得到铝合金粉末。
步骤(1)-步骤(5)是本发明能制得铝合金粉末并能应用于3D打印高强度零件的基础和关键步骤。
制得的铝合金粉末分别进行金相分析和电镜扫描，如图3-4所示，图中的铝合金粉末分布均匀。制得的铝合金粉末经电镜扫描得到粒度分布、流动性、松装密度如表1所示，晶粒尺寸基本分布在40-60μm，流动性好。经元素分析得到铝合金粉末的化学成分，如表2所示。
表1实施例1制得的铝合金粉末的粒度分布、流动性、松装密度
表2实施例1制得的铝合金粉末的化学成分
实施例2
(1)配料：按照7％Zn、2.75％Mg、0.5％Mn、0.15％Zr、0.5％Cu、0.3％Sc、0.04％Ti、余料为铝的合金比例进行配料，其中含有杂质Fe和Si，Fe≤0.2％、Si≤0.1％；
(2)真空熔炼：采用真空熔炼炉进行熔炼，依次加入纯铝、铝铜合金、铝钪合金、铝锆合金、铝锰合金、镁锭、铝钛合金、铝锌合金。真空熔炼炉抽真空达到3pa时，原料融化，熔炼温度750℃。
(3)浇铸：静置15min后浇铸到直径Ф120模具内，冷却成型后取出，模具为水冷模具，急剧冷却成型，冷却速率为100K/s，浇铸温度730℃。
(4)均质化处理：将铸锭放入退火炉进行均质化处理，升温至350～400℃后保温10-12小时，出炉冷却。
(5)铸锭表面后处理：将铸锭切去头尾，使用车床将铸锭车削为直径Ф116mm，铸锭表面粗糙度优于Ra3.2。
(6)制粉：将表面处理后的铸锭融化后，进入加热输送管，加热温度为1100℃，将熔液送入到雾化器内，经高速离心雾化，转速为5500r/min，以500k/s速度冷却成型，收圆凝固，得到铝合金粉末。
制得的铝合金粉末分别进行金相分析和电镜扫描，如图5-6所示，图中的铝合金粉末分布均匀。制得的铝合金粉末经电镜扫描得到粒度分布、流动性、松装密度如表3所示，晶粒尺寸基本分布在40-60μm，流动性好。经元素分析得到铝合金粉末的化学成分，如表2所示。
表3实施例2制得的铝合金粉末的粒度分布、流动性、松装密度
表4实施例2制得的铝合金粉末的化学成分
所制得的铝合金粉末分别利用两台国内3D打印机和三台国外3D打印进进行打印制件，打印零件分别进行金相分析和按照GB/T228-2010标准对打印零件进行力学性能测试。所得打印件的金相照片如图7-11所示,所制得的打印件的化学结构均匀。所得打印件的力学性能如表5所示，其中国外3D打印机3制得的打印件性能最优，抗拉强度为547Mpa，屈服强度为527Mpa，延伸率为10.5％。
表5不同3D打印机制得的打印件的力学性能
