本发明属于材料技术领域，涉及一种铝合金材料，更具体是涉及一种al-mg-er-zr系铝合金组合物及其成型件的制备方法。
背景技术：
变形al-mg合金是众多铝合金中的一种，它属于不可热处理强化型铝合金，具有单相组织。因此，该合金具有良好的抗蚀性和可焊性，广泛应用于航空航天、电子电气、交通运输、桥梁建筑等领域，并在能源、日用品、文体用品等领域具有广阔的应用前景。由于al-mg合金具有巨大的市场潜力，正受到各国的重视。但由于该合金偏离al-mg共晶点，且属于固溶强化铝合金，其成形性能和强度性能相对较差，难以进行复杂零件的成形以及获得高强度的结构零件，因此，其成形性和强度性能成为制造复杂、高强铝镁合金产品的一个主要制约因素。
在al-mg合金中加入少量zr、sc、er元素后，经过后期的固溶和时效处理，可在铝合基体中共格析出al3zr、al3sc或al3er粒子，起到第二相强化的作用。此外，sc和/或er稀土合金化元素的加入除了起到第二相强化的作用外同时还可以细化晶粒，增强铝合金的力学性能。当这些元素复合加入时效果更佳。在al-mg合金中复合添加sc、zr等微量元素不但能显著改善合金的铸态组织，而且能显著提高al-mg系合金的再结晶温度，促进亚结构的强化效果，从而在原有基础上极大程度地提高合金的综合性能，al-mg-sc-zr合金强度高、塑韧性好、耐蚀和焊接性能优异，在船舶、航空航天工业、火箭导弹、核能等高新尖技术领域应用前景十分广阔。然而sc价格昂贵，使al-mg-sc-zr合金应用受限。相同质量分数的al-er合金的价格约为al-sc合金价格的1/30，er替代sc后可大幅降低铝合金的成本，因此al-mg-er-zr合金的发展意义重大。同时，在传统铸造工艺中，er和zr元素在al元素中的固溶度极小，使得经后期固溶及时效处理后，次生al3(er,zr)强化粒子在铝合金中的析出量受限，同时mg在铝合金中的固溶量也受限，无法实现al-mg-er-zr系铝合金强度的持续增加。
选区激光熔化技术作为快速成型技术的一种，其基本原理是根据零件的cad模型进行切片分层处理，采用数控系统控制工作台按照分层软件设定的路径进行扫描，通过激光熔化金属粉层层叠加获得近净成形零件。由于具有激光光斑直径小、扫描速度快，选区激光熔化技术具有生产流程短、零件性能优异和可实现精密复杂结构件一次性成型等优点，将为制造业带来突破性的发展。
选区激光熔化成型过程分为快速升温和急速降温两个阶段：首先激光与金属粉体相互作用，由于金属粉末吸收激光的能量，温度骤然上升并超过了金属的熔点形成熔池，此时，熔融金属处于液相平衡，金属原子可以自由移动，合金元素均匀分布；当激光移开后，由于热源的消失，熔池温度以103-106k/s的速度下降。在此过程中，金属原子和合金元素的扩散移动受限，抑制了晶粒的长大和合金元素的偏析，凝固后的金属组织晶粒细小，合金元素分布均匀，能够大幅提高铝合金的塑性。同时，应用这一技术可有效增加合金中合金化元素的固溶度。对于al-mg-er-zr系铝合金，则可基于选区激光熔化技术熔体急冷的特性，通过增加合金中mg、er和zr元素的含量，实现铝基体中mg、er和zr固溶度的提升，进而通过后期的时效处理，得到更多al3(er,zr)强化粒子，实现al-mg-er-zr系铝合金强度的进一步提升。然而，现在选区激光熔化技术应用的铝合金成分仍以传统铸造合金成分为主，无法体现选区激光熔化技术的熔体急冷的工艺特性，通过成分设计实现al-mg-er-zr系铝合金性能的进一步提升。
技术实现要素：
本发明的目的是：①针对al-mg-sc-zr合金原料成本高昂的缺点，通过er替代sc后可大幅降低合金原料成本；②针对传统铸造工艺获得的al-mg-er-zr合金中mg、er和zr固溶元素添加量受限，无法实现al-mg-er-zr合金力学性能进一步提升的缺点，可通过选区激光熔化技术大幅提升mg、er和zr元素在al中的固溶度，从而实现al-mg-er-zr合金力学性能的有效提升。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种al-mg-er-zr系铝合金，按质量百分比由成分及含量：mg6-12％、er0.5-2％、zr0.5-2％，余量为al组成，总质量百分比为100％。
进一步优选，所述铝(al)的纯度为≥99.9％的纯铝。
进一步优选，所述镁(mg)的纯度为≥99.5％的纯镁。
进一步优选，所述铒(er)按质量百分比为以al90er10或al80er20中间合金形式加入。
进一步优选，所述锆(zr)按质量百分比为以al90zr10中间合金形式加入。
为达到上述目的，本发明采用的另一技术方案如下：
一种al-mg-er-zr系铝合金的制备方法，包括如下步骤：
s1：母合金熔炼：将坩埚预热至500±8℃后，按质量百分比，先将纯铝放置于坩埚中，继续升温至1200±8℃，待纯铝熔化后，再将al90zr10中间合金加入纯铝中，搅拌50分钟，待搅拌均匀后，将熔体温度降至900±5℃，然后加入mg单质和al80er20中间合金，搅拌50分钟，获得成分均匀合金熔体；
s2：粉末制备：打开坩埚底部阀门，合金熔体经内径为10mm的氧化铝导管流出，自由下落，液流经高压氮气雾化器冲击破碎成细小液滴，凝固后形成金属粉末；
s3：铝合金成型件的制备：
1)利用cad建立所需成型零部件的三维模型，并将其转换成可分切的数据格式；
2)将三维模型连同支撑体分切成厚度为0.05mm的多层后导入slm设备；
3)向slm设备箱体中冲入高纯氮气，待箱体中氧含量少于200ppm时进行实验；
4)在一个可拆装的基板上铺一层0.05mm如步骤s2中所述金属粉末；
5)激光扫描步骤4)金属粉末层横截面的几何形状2次，扫描过程中激光光斑为：0.1mm，两次扫描路径的间距为：0.1mm，激光功率为：200-300w，激光扫描速率为：500-1500mm/s；
6)将基板下降一个层为0.05mm的厚度，在基板上铺一层新的金属粉末；激光扫描新铺金属粉末层横截面的几何形状1次，扫描过程中激光光斑为：0.1mm，两次扫描路径的间距为：0.1mm，激光功率为：200-300w，激光扫描速率为：500-1500mm/s，扫描方向与上一层扫描方向顺时针转动45度；
7)重复步骤6)多次，重复次数为成型件高度÷铺粉厚度-2，程序运行结束后，得到所述铝合金成型件；
s4：热处理：
将步骤s3中得到的铝合金成型件置于150-300℃条件下热处理2-12h，即得到al-mg-er-zr系铝合金成型件。
进一步优选，步骤s2中所述的金属粉末的直径为20～50微米。
进一步优选，步骤s3中所述的高纯氮气的纯度为99.999％。
进一步优选，步骤s2中所述雾化的压力为20mpa。
本发明的优点和有益效果是：
(1)本发明依托选区激光熔化技术熔体冷速极高的工艺特性，通过在al-mg-er-zr系铝合金中大幅提高er、zr和mg元素的含量，使得合金在后期热处理过程中，不需要固溶处理，直接通过时效处理便能够有较多的al3(er,zr)强化粒子析出，从而通过增加al3(er,zr)弥散析出粒子和mg固溶元素的含量，实现al-mg系铝合金综合性能的有效提升；
(2)本发明通过er替换al-mg-sc-zr合金中的sc元素，可大幅降低合金的原料成本，拓展该类材料的应用领域。
(3)使用本发明的专用al-mg-er-zr系铝合金粉末进行选区激光熔化制备成型件，其致密度高于99％，得到的成型件综合力学性能明显优于传统al-mg-sc-zr和al-mg-er-zr系铸造铝合金，与现有选区激光熔化技术获得的al-mg-sc-zr系铝合金相当。应用本发明通过选区激光熔化技术获得的al-mg-er-zr系铝合金拉伸件的最大抗拉强度σb可达530mpa，屈服强度σ0.2可达570mpa，并且合金的最大延伸率可达15％。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下列举实施例，对本发明进行进一步的详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1：
一、铝合金组合物的成分及含量：
al93mg6er0.5zr0.5，其中al的纯度为≥99.9％；mg的纯度为≥99.5％；er按质量百分比为以al90er10或al80er20中间合金形式加入；zr按质量百分比为以al90zr10中间合金形式加入。
二、铝合金成型件的制备步骤：
(1)母合金熔炼：
将坩埚预热至500±8℃后，将纯铝放置于坩埚中，继续升温至1200±8℃，待纯铝熔化后将al90zr10(质量百分比)中间合金压入纯铝中，并进行搅拌50分钟，待搅拌均匀后，将熔体温度降至900±5℃，然后加入mg单质及al90er10或al80er20(质量百分比)合金，并进行搅拌50分钟，获得成分均匀合金熔体；
(2)粉末制备：
合金熔体熔化均匀后，打开坩埚底部阀门，合金熔体经内径为10mm的氧化铝导管流出，自由下落，液流经高压氮气雾化器冲击破碎成细小液滴，凝固后形成金属粉末；雾化压力为20mpa，最终筛选15-60微米的粉末备用；
(3)铝合金成型件的制备：
1)利用cad建立所需成型零部件的三维模型，并将其转换成可分切的数据格式；
2)将三维模型连同支撑体分切成厚度为0.05mm的多层后导入slm设备；
3)向slm设备箱体中冲入高纯流动氮气，待腔体中氧含量少于200ppm时方可进行实验；
4)在一个可拆装的基板上铺一层0.05mm如步骤s2中所述金属粉末；
5)激光扫描步骤3)金属粉末层横截面的几何形状2次，扫描过程中激光光斑为：0.1mm，两次扫描路径的间距为：0.1mm，激光功率为：200w，激光扫描速率为：1000mm/s；
6)基板下降一个层0.05mm的厚度，在基面上铺一层新的金属粉末；激光扫描新铺金属粉末层横截面的几何形状1次，激光光斑为：0.1mm，两次扫描路径的间距为：0.1mm，激光功率为：200w，激光扫描速率为：1000mm/s；扫描方向与上一层扫描方向顺时针转动45度；
7)重复步骤6)多次，重复次数为成型件高度÷铺粉厚度-2，程序运行结束后，得到所述铝合金成型件；
(4)热处理：
将步骤7)中得到的铝合金成型件置于300℃条件下热处理1h，即可得到高性能al93mg6er0.5zr0.5铝合金成型件。
三、本实施例的力学性能测试和有益效果
1、力学性能测试：
利用x射线衍射仪(xrd)和透射电子显微镜(tem)对制得铝合金样品进行结构检测；利用金相显微镜(om)扫描电子显微镜(sem)观察铝合金样品的微观组织；应用万能力学试验机测试铝合金样品的强度。
2、有益效果：
1)通过此实施例获得成型件的致密度高于99.5％；
2)通过此实施例获得的标准拉伸式样的屈服强度σ0.2为430mpa，抗拉强度σb为506mpa，塑性变形率为15％。
实施例2：
一、铝合金组合物的成分及含量：
al88mg10er1zr1，其中al的纯度为≥99.9％；mg的纯度为≥99.5％；er按质量百分比为以al90er10或al80er20中间合金形式加入；zr按质量百分比为以al90zr10中间合金形式加入。
二、铝合金成型件的制备步骤：
(1)母合金熔炼：
同实施例1中步骤(1)。
(2)粉末制备：
同实施例1中步骤(2)。
(3)铝合金成型件的制备：
1)利用cad建立所需成型零部件的三维模型，并将其转换成可分切的数据格式；
2)将三维模型连同支撑体分切成厚度为0.05mm的多层后导入slm设备；
3)向slm设备箱体中冲入高纯流动氮气，待腔体中氧含量少于200ppm时方可进行实验；
4)在一个可拆装的基板上铺一层0.05mm如步骤s2中所述金属粉末；
5)激光扫描步骤3)金属粉末层横截面的几何形状2次，扫描过程中激光光斑为：0.1mm，两次扫描路径的间距为：0.1mm，激光功率为：250w，激光扫描速率为：900mm/s；
6)基板下降一个层0.05mm的厚度，在基面上铺一层新的金属粉末；激光扫描新铺金属粉末层横截面的几何形状1次，激光光斑为：0.1mm，两次扫描路径的间距为：0.1mm，激光功率为：250w，激光扫描速率为：900mm/s；扫描方向与上一层扫描方向顺时针转动45度；
7)重复步骤6)多次，重复次数为成型件高度÷铺粉厚度-2，程序运行结束后，得到所述铝合金成型件；
(4)热处理：
将步骤7)中得到的铝合金成型件置于350℃条件下热处理1h，即可得到高性能al88mg10er1zr1铝合金成型件。
三、本实施例的力学性能测试和有益效果
1、力学性能测试：
同实施例1。
2、有益效果：
1)通过此实施例获得成型件的致密度为99.1％；
2)通过此实施例获得的标准拉伸式样的屈服强度σ0.2为500mpa，抗拉强度σb为550mpa，塑性变形率为10％，强度优于实施例1中样品的强度，塑性变形率与之接近。
实施例3：
一、铝合金组合物的成分及含量：
al86mg10sc2zr2，其中al的纯度为≥99.9％；mg的纯度为≥99.5％；er按质量百分比为以al90er10或al80er20中间合金形式加入；zr按质量百分比为以al90zr10中间合金形式加入。
二、铝合金成型件的制备步骤：
(1)母合金熔炼：
同实施例1中步骤(1)。
(2)粉末制备：
同实施例1中步骤(2)。
(3)铝合金成型件的制备：
1)利用cad建立所需成型零部件的三维模型，并将其转换成可分切的数据格式；
2)将三维模型连同支撑体分切成厚度为0.05mm的多层后导入slm设备；
3)向slm设备箱体中冲入高纯流动氮气，待腔体中氧含量少于200ppm时方可进行实验；
4)在一个可拆装的基板上铺一层0.05mm如步骤s2中所述金属粉末；
5)激光扫描步骤3)金属粉末层横截面的几何形状2次，扫描过程中激光光斑为：0.1mm，两次扫描路径的间距为：0.1mm，激光功率为：300w，激光扫描速率为：1000mm/s；
6)基板下降一个层0.05mm的厚度，在基面上铺一层新的金属粉末；激光扫描新铺金属粉末层横截面的几何形状2次，激光光斑为：0.1mm，两次扫描路径的间距为：0.1mm，激光功率为：300w，激光扫描速率为：1000mm/s；扫描方向与上一层扫描方向顺时针转动45度；
7)重复步骤6)多次，重复次数为成型件高度÷铺粉厚度-2，程序运行结束后，得到所述铝合金成型件；
(4)热处理：
将步骤6)中得到的铝合金成型件置于350℃条件下热处理2h，即可得到高性能al86mg10sc2zr2铝合金成型件。
三、本实施例的力学性能测试和有益效果
1、力学性能测试：
同实施例1。
2、有益效果：
1)通过此实施例获得成型件的致密度为99％；
2)成型样品的屈服强度σ0.2为530mpa，抗拉强度σb为570mpa，塑性变形率为7％。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式。当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，任何熟悉本技术领域的技术人员，当可根据本发明做出各种相应的等效改变和变形，都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。