激光增材制造用5xxx/7xxx系交叉铝合金粉末及制备方法和应用

本发明属于铝合金增材制造，具体涉及的是一种激光增材制造用5xxx/7xxx系交叉铝合金粉末及制备方法和应用。

背景技术：

1、目前，增材制造是材料制备技术研究的焦点之一。在众多增材制造技术中，选区激光熔化技术因其无需使用模具、能够实现零件直接近乎净成形的特点而备受关注。铝合金具有密度小、导电导热、塑性成形性好、耐腐蚀性好、比强度高等优点，在slm技术领域已开展了大量研究，被广泛应用于交通运输、船舶、机械制造及航空航天等诸多领域。现有商用铝合金往往针对特定工业分类进行开发，性能分布单一，虽然在个别领域表现优异，但往往综合性能不足，无法满足现代制造业对高性能铝合金日益复杂的性能要求。目前常用的铝合金如5xxx系铝合金和7xxx系铝合金，7xxx系铝合金的强度较高，但耐蚀性能较差，相比之下5xxx系铝合金属于不可热处理强化合金，主要依靠mg元素的固溶强化来提高力学性能，虽然耐蚀性能更加优越，但其力学性能相比可时效强化型7xxx系合金仍明显较低。同时，激光增材制造所需的合金粉末往往对粉末粒度分布要求较高，目前大部分厂家采用预合金化的方式制备激光增材制造用合金粉末，制粉效率较低，成本昂贵，极大地限制了新型铝合金的开发。

2、公开号为cn113817937a的专利文献，公开了一种5xxx系铝合金的制造方法，该方法通过合理优化铝合金中fe元素的含量配比，即可制得抗拉强度215mpa的5xxx系铝合金板材。该制备方法所生产的5xxx系铝合金虽具有优良的耐蚀性能，但拉伸强度与延伸率较差，制约了5xxx系铝合金的应用。

3、因此，为克服单一性能分布对现有商用3d打印铝合金粉末的制约，亟需提供一种兼备5xxx系铝合金和7xxx系铝合金特点的新型铝合金粉末，开发成本低廉，制备工艺简单，并扩展现有铝合金粉末的性能组合，显著提高现有商用5xxx系铝合金的力学性能，填补商用铝合金的性能空白。

技术实现思路

1、本发明的主要目的在于克服现有技术中的不足，本发明提供一种激光增材制造用新型5xxx/7xxx系交叉铝合金粉末及其制备方法和应用，制备的高强耐蚀的铝合金开发成本较低，制备方法工艺简单、周期短、灵活性高，能够使铝合金的力学性能和耐腐蚀性能得到显著提高，拓宽现有的增材制造所用铝合金体系。

2、本发明的设计构思为：为了扩展现有铝合金的性能组合，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，通过交叉合金化（crossoveralloying）的设计策略，将7xxx系的主合金化元素zn引入5xxx系合金中，开发新型almgzncusczr合金。almgzncusczr合金的主要析出相为t-mg32(al，zn)49相，t-mg32(al，zn)49相是体心立方晶格，其晶格常数为1.416nm，每一个晶胞含有162个原子，其主要成分为al元素、mg元素和zn元素。t-mg32(al，zn)49相表现出优异的热稳定性和析出强化作用，比5xxx系铝合金的β-al3mg2相有更优异的强化效果，且t-mg32(al，zn)49相与与基体的电位差要低于7xxx系铝合金主要强化相（η-mg2zn相）与基体的电位差，所以该合金发生腐蚀的倾向相比7xxx系铝合金更小，同时t-mg32(al，zn)49相的析出会抑制β-al3mg2析出相的形成，进而改变合金的腐蚀方式，有效提高铝合金的力学性能和耐蚀性能。现在此基础上适量添加sc、zr等合金元素，形成al3(sc，zr)复合粒子作为形核剂细化晶粒，改善热裂纹和成形性。利用t-mg32(al，zn)49相和al3(sc，zr)相的协同作用，以及多重稳定性第二相析出、晶粒细化等强化机理使得晶内细小的析出相弥散分布，晶界析出相断续分布，实现了位错强化与析出强化高度配合，提高合金的强度和热稳定性。

3、本发明通过以下技术方案予以实现：

4、激光增材制造用5xxx/7xxx系交叉铝合金粉末由重量份为60~80份的5024铝合金粉末（可slm成形的5xxx系铝合金粉末，已商业化）与重量份为20~40份的7050铝合金粉末（不能slm成形的7xxx系铝合金粉末，已商业化）混合而成，其化学组成及其质量百分比为：mg：3.5wt%~4.6wt%，zn：1.3wt%~1.5wt%，sc：0.1wt%~0.4wt%，zr：0.4wt%~0.5wt%，cu：0.4wt%~0.5wt%，其余为al。该激光增材制造用新型5xxx/7xxx系交叉almgzncusczr合金粉末，具有更为优异的力学性能和耐腐蚀性能，拉伸强度为523mpa，延伸率6.4%以上；在3.5%的nacl溶液环境中，腐蚀电流为8.2×10-10ma/cm2，点蚀电位为-0.506v。

5、如上所述的激光增材制造用5xxx/7xxx系交叉铝合金粉末的制备方法，包括以下步骤：首先，按照激光增材制造用5xxx/7xxx系交叉铝合金成分设计，准确称取原料5024与7075的金属粉末（上述两种粉末目前已经商业化，无需自己雾化制粉）；然后，采用原位合金化方法将原料金属粉末机械混合10h~15h，制得激光增材制造用5xxx/7xxx系交叉铝合金粉末，将5xxx/7xxx系交叉铝合金粉末用真空袋封装备用。

6、进一步地，所述原料金属粉末的微观晶胞结构为面心立方晶体结构（fcc相），采用fcc相的铝合金原料金属粉末，有利于通过选择性烧结制备得到5xxx/7xxx系交叉铝合金粉末。

7、进一步地，制得的所述5xxx/7xxx系交叉铝合金粉末为球形粉末，球形度高，同时共生卫星球粉数量少，粉体的粒径为15μm~35μm，采用上述粒径范围的合金粉体，有利于提高5xxx/7xxx系交叉铝合金粉末在后续选择性激光烧结工序中的流动性和成形性。

8、如上所述的激光增材制造用5xxx/7xxx系交叉铝合金粉末用于选区激光熔化增材制造、粉末冶金、注射成型、热等静压或者焊接修复。

9、进一步地，所述选区激光熔化增材制造包括以下步骤：

10、s1、通过软件绘制所需零部件的三维图形；

11、s2、选取粒径为15μm~35μm的5xxx/7xxx系交叉铝合金粉末在真空干燥箱中进行干燥除气除水，真空干燥温度为90℃~110℃，真空干燥时间为4h~6h；

12、s3、真空干燥后的5xxx/7xxx系交叉铝合金粉末放入slm打印机的供粉缸中，开启slm打印机，开始3d打印操作，3d打印的工艺参数为：激光功率为250w~350w，激光扫描速度为800mm/s~1200mm/s，激光光斑直径为60μm~80μm，扫描间距为0.02mm~0.05mm，铺粉厚度为0.03mm~0.05mm，基板温度为120℃~140℃；对原位合金化的5xxx/7xxx系交叉铝合金粉末进行逐层扫描烧结，当激光扫描完成一层后，降低打印工作平面，在其顶面平铺下一层5xxx/7xxx系交叉铝合金粉末，然后激光扫描新的一层，如此重复，制得3d打印试样；采用上述选择性3d打印激光烧结的工艺参数，能够制备得到力学性能和耐腐蚀性优异的铝合金零部件；

13、s4、用线切割将3d打印试样与基板分离，并将残留粉末清理干净，制得铝合金零部件。

14、进一步地，在所述步骤s3中，3d打印过程中相邻层之间相对旋转的角度为0°、45°、67°或者90°；3d打印的扫描策略为棋盘扫描或线扫描的一种或二者混合使用，棋盘扫描的棋格为正方形或长方形，棋格面积为4mm2~25mm2。

15、进一步地，对步骤s4制备的铝合金零部件进行热处理，热处理工艺为：首先，对3d打印试样进行时效处理，时效温度为400℃~450℃，升温速率为5℃/min~10℃/min，保温时间为3h~6h，时效处理过程中真空或氩气保护，时效处理后空冷至室温；之后进行再时效处理，再时效温度为110℃~130℃，保温时间为20h~25h，再时效处理后空冷至室温。

16、进一步地，热处理后制备的铝合金零部件的微观晶粒尺寸为0.2μm~2μm，细小的晶粒尺寸能够起到细晶强化的作用，进一步提高铝合金零部件的力学性能；热处理后制备的铝合金零部件的金相包括主相和增强相，主相为α-al基体相，增强相为t-mg32(al，zn)49相和al3(sc，zr)相。t-mg32(al，zn)49相和al3(sc，zr)相分散在主相α-al基体相中，同时起到细晶强化和析出强化的作用，同时t-mg32(al，zn)49相的析出会抑制β-al3mg2析出相的形成，进而改变合金的腐蚀方式，有效提高铝合金的力学性能和耐蚀性能。

17、进一步地，步骤s3制得的3d打印试样的致密度为99.5%以上，抗拉强度为410mpa~430mpa，屈服强度为360mpa~380mpa，延伸率为10%~12%；

18、热处理后制得的铝合金零部件的抗拉强度为510mpa~530mpa，屈服强度为480mpa~500mpa，延伸率为5%~7%；200℃条件下铝合金零部件的抗拉强度为240mpa~260mpa，屈服强度为220mpa~230mpa。

19、综上所述，本发明具有以下至少一种有益效果：

20、1.本发明通过将商用5xxx系激光增材制造铝合金粉末与不适于激光增材制造的7xxx系铝合金粉末进行原位混合获得新型5xxx/7xxx系交叉铝合金粉末，以达到增强合金综合性能，降低新型合金制备成本的目的；

21、2.本发明提供的激光增材制造用新型5xxx/7xxx系交叉铝合金粉末，由包括5024铝合金粉体与7075铝合金粉体通过原位合金化制备得到almgzncusczr交叉合金粉体，将7xxx系的主合金化元素zn引入5xxx系合金中，使合金在保持高耐蚀性的同时大幅提高其力学性能。制备得到铝合金包括主相fcc相以及增强相t-mg32(al，zn)49相和al3(sc，zr)相，晶粒细小，同时实现固溶强化、析出相强化和细晶强化的综合作用，因此，具有优异的力学性能和耐腐蚀性能，铝合金的抗拉强度达到523mpa，屈服强度达到497mpa，延伸率6.4%以上；在3.5%的nacl溶液环境中，腐蚀电流达到8.2×10-10ma/cm2，点蚀电位达到-0.506v；

22、3.本发明提供的激光增材制造用新型铝合金粉末，按照成分设计配比5024合金粉体和7075合金粉体，利用合金元素之间的协同作用，通过形成均匀分布的t-mg32(al，zn)49和al3(sc，zr)相使得晶内细小的析出相弥散分布，同时抑制β-al3mg2析出相的形成，进一步提高铝合金的力学性能和耐腐蚀性能；

23、4.本发明结合原位合金化制粉工艺和选择性激光烧结工艺，采用包括根据成分设计比例的5024铝合金粉体和7075铝合金粉体进行选择性激光烧结。新型合金开发成本较低，制备方法工艺简单、周期短、灵活性高，并且能够提高5xxx系铝合金的力学性和耐腐蚀性能。