一种导热强化Al-Si系合金材料及其激光增材成形方法

一种导热强化al-si系合金材料及其激光增材成形方法
技术领域
1.本发明属于激光增材成形技术领域，具体涉及一种导热强化al-si系合金材料及其激光增材成形方法。


背景技术：

2.新一代弹载、宇航领域航天器装备表现出了极端轻量化、力-热高功能密度集成等典型技术特征，导致结构研制过程存在苛刻轻量化与多功能集成的矛盾。以新一代航天装备中典型的热控功能结构为例，采用了复杂内流道/空腔的一体化设计方法，具备异形、复杂、中空的结构特征，激光增材技术是实现此类结构一体化成形的最理想技术途径。当前热管理结构应用的高导热材料以6063变形铝合金为主，该材料室温下的导热系数约为200w/(m
·
k)。但6063变形铝合金凝固区间较大、熔池流动性较差，在选区激光熔化过程中液态熔池凝固时由于补缩能力不足，容易形成大量凝固裂纹缺陷。具有较高si含量的铝合金选区激光熔化成形工艺性良好，如alsi
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mg，但si含量增加导致其导热系数降低至150w/(m
·
k)，又无法满足新一代高效热管理结构的使用要求。解决当前材料的热学性能-成形工艺性之间矛盾，获得适用于选区激光熔化成形工艺铝合金材料设计路径，解决当前新一代航天器先进热管理结构研制难题。


技术实现要素：

3.为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种导热强化al-si系合金材料及其激光增材成形方法，用以解决现有alsi
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mg合金导热性能不满足工程应用、6系铝合金激光增材成形工艺适应性差等问题。
4.为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
5.一种导热强化al-si系合金材料的激光增材成形方法，其特征在于，包括以下步骤：
6.步骤1：进行导热强化al-si系合金粉末的制备，所述导热强化al-si系合金粉末的成分包括：以质量百分比计，3.5～6.5wt％的si、0.25～0.45wt％的mg、0.35～0.55wt％的fe、余量为al；
7.步骤2：选用激光增材成形方法对上述导热强化al-si系合金粉末进行成形；所述激光增材成形方法采用层与层连续叠加，最终形成导热强化al-si系合金材料预构件；所述激光增材成形方法的激光功率为350w～370w、激光扫描速度为1100mm/s～1200mm/s、激光扫描光斑间距为0.17mm～0.19mm；
8.步骤3：对形成的导热强化al-si系合金材料预构件进行后处理，得到一种导热强化al-si系合金材料。
9.进一步地，步骤1中，采用气雾化工艺进行导热强化al-si系合金粉末的制备。
10.进一步地，步骤1中，所述导热强化al-si系合金粉末的粒径为15um～53um。
11.进一步地，步骤2中，激光增材成形方法过程中，每个层的层高为0.03mm。
12.进一步地，步骤3中，所述后处理包括固溶和时效热处理。
13.进一步地，所述固溶和时效热处理的工艺参数为：在525～535℃下保温0.25～5h后，水冷至室温，然后在160～180℃下保温10～12h，空冷至室温。
14.本发明还公开了采用上述一种导热强化al-si系合金材料的激光增材成形方法成形得到的导热强化al-si系合金材料。
15.进一步地，所述导热强化al-si系合金材料的导热系数为190～210w/mk。
16.与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
17.本发明公开了一种导热强化al-si系合金材料的激光增材成形方法，该方法采用成分为3.5～6.5wt％的si、0.25～0.45wt％的mg、0.35～0.55wt％的fe、余量为al的导热强化al-si系合金粉末，进行激光选区熔化成形，得到了一种导热强化al-si系合金材料；由于si元素含量大于3％，高于产生凝固裂纹的临界值，所以具有良好的激光增材成形工艺适应性，通过激光选区熔化成形工艺形成的导热强化al-si系合金材料在具有高的导热系数的同时，也具有良好的组织形貌，没有裂纹缺陷，质量好。
18.进一步地，激光成形后对构件进行固溶和时效热处理，能实现显微组织中共晶si形状与尺寸的调控，减少对自由电子的散射，得到最优的热学性能。
19.本发明还公开了采用上述导热强化al-si系合金材料的激光增材成形方法成形得到的导热强化al-si系合金材料，所述导热强化al-si系合金材料热导率可大于200w/mk，具备完全替代传统6063铝合金材料的可行性，同时利用激光增材制造的技术优势，可形成超轻量化、高效导热多功能集成航天结构制造能力。
附图说明
20.图1为本发明制备得到的导热强化al-si系合金材料激光增材沉积态显微组织示意图；
21.图2为本发明制备得到的导热强化al-si系合金材料激光增材固溶时效热处理态显微组织示意图。
具体实施方式
22.为使本领域技术人员可了解本发明的特点及效果，以下谨就说明书及权利要求书中提及的术语及用语进行一般性的说明及定义。除非另有指明，否则文中使用的所有技术及科学上的字词，均为本领域技术人员对于本发明所了解的通常意义，当有冲突情形时，应以本说明书的定义为准。
23.本文描述和公开的理论或机制，无论是对或错，均不应以任何方式限制本发明的范围，即本发明内容可以在不为任何特定的理论或机制所限制的情况下实施。
24.本文中，所有以数值范围或百分比范围形式界定的特征如数值、数量、含量与浓度仅是为了简洁及方便。据此，数值范围或百分比范围的描述应视为已涵盖且具体公开所有可能的次级范围及范围内的个别数值(包括整数与分数)。
25.本文中，若无特别说明，“包含”、“包括”、“含有”、“具有”或类似用语涵盖了“由
……
组成”和“主要由
……
组成”的意思，例如“a包含a”涵盖了“a包含a和其他”和“a仅包含a”的意思。
26.本文中，为使描述简洁，未对各个实施方案或实施例中的各个技术特征的所有可能的组合都进行描述。因此，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，各个实施方案或实施例中的各个技术特征可以进行任意的组合，所有可能的组合都应当认为是本说明书记载的范围。
27.下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本技术所附权利要求书所限定的范围。
28.下列实施例中使用本领域常规的仪器设备。下列实施例中未注明具体条件的实验方法，通常按照常规条件，或按照制造厂商所建议的条件。下列实施例中使用各种原料，除非另作说明，都使用常规市售产品，其规格为本领域常规规格。在本发明的说明书以及下述实施例中，如没有特别说明，“％”都表示重量百分比，“份”都表示重量份，比例都表示重量比。
29.实施例1
30.一种导热强化al-si系合金材料的激光增材成形方法，包括以下步骤：
31.步骤1：采用气雾化工艺进行导热强化al-si系合金粉末的制备，得到的一种导热强化al-si系合金粉末的成分包括：以质量百分比计，3.96wt％的si、0.35wt％的mg、0.43wt％的fe、余量为al；得到的导热强化al-si系合金粉末的粒径为15um～53um。
32.步骤2：选用激光选区熔化成形工艺对上述导热强化al-si系合金粉末进行成形；所述激光选区熔化成形工艺过程，采用层与层连续叠加，每个层的层高为0.03mm，最终形成导热强化al-si系合金材料预构件；所述激光选区熔化成形工艺的激光功率为370w、激光扫描速度为1200mm/s、激光扫描光斑间距为0.19mm；
33.步骤3：对形成的导热强化al-si系合金材料预构件进行固溶和时效热处理，所述固溶和时效热处理的工艺参数为：在535℃下保温0.25h后，水冷至室温，然后在160℃下保温12h，空冷至室温，得到一种导热强化al-si系合金材料，所述导热强化al-si系合金材料的导热系数大于200w/mk。
34.实施例2
35.一种导热强化al-si系合金材料的激光增材成形方法，包括以下步骤：
36.步骤1：采用气雾化工艺进行导热强化al-si系合金粉末的制备，得到的一种导热强化al-si系合金粉末的成分包括：以质量百分比计，5.09wt％的si、0.25wt％的mg、0.55wt％的fe、余量为al；得到的导热强化al-si系合金粉末的粒径为15um～53um。
37.步骤2：选用激光选区熔化成形工艺对上述导热强化al-si系合金粉末进行成形；所述激光选区熔化成形工艺过程，采用层与层连续叠加，每个层的层高为0.03mm，最终形成导热强化al-si系合金材料预构件；所述激光选区熔化成形工艺的激光功率为360w、激光扫描速度为1150mm/s、激光扫描光斑间距为0.18mm；
38.步骤3：对形成的导热强化al-si系合金材料预构件进行固溶和时效热处理，所述固溶和时效热处理的工艺参数为：在535℃下保温0.25h后，水冷至室温，然后在180℃下保温10h，空冷至室温，得到一种导热强化al-si系合金材料，所述导热强化al-si系合金材料的导热系数大于190w/mk。
39.实施例3
40.一种导热强化al-si系合金材料的激光增材成形方法，包括以下步骤：
41.步骤1：采用气雾化工艺进行导热强化al-si系合金粉末的制备，得到的一种导热强化al-si系合金粉末的成分包括：以质量百分比计，4.0wt％的si、0.35wt％的mg、0.55wt％的fe、余量为al；得到的导热强化al-si系合金粉末的粒径为15um～53um。
42.步骤2：选用激光选区熔化成形工艺对上述导热强化al-si系合金粉末进行成形；所述激光选区熔化成形工艺过程，采用层与层连续叠加，每个层的层高为0.03mm，最终形成导热强化al-si系合金材料预构件；所述激光选区熔化成形工艺的激光功率为370w、激光扫描速度为1200mm/s、激光扫描光斑间距为0.18mm；
43.步骤3：对形成的导热强化al-si系合金材料预构件进行固溶和时效热处理，所述固溶和时效热处理的工艺参数为：在535℃下保温0.25h后，水冷至室温，然后在160℃下保温10h，空冷至室温，得到一种导热强化al-si系合金材料，所述导热强化al-si系合金材料的导热系数大于195w/mk。
44.实施例4
45.一种导热强化al-si系合金材料的激光增材成形方法，包括以下步骤：
46.步骤1：采用气雾化工艺进行导热强化al-si系合金粉末的制备，得到的一种导热强化al-si系合金粉末的成分包括：以质量百分比计，5.83wt％的si、0.25wt％的mg、0.35wt％的fe、余量为al；得到的导热强化al-si系合金粉末的粒径为15um～53um。
47.步骤2：选用激光选区熔化成形工艺对上述导热强化al-si系合金粉末进行成形；所述激光选区熔化成形工艺过程，采用层与层连续叠加，每个层的层高为0.03mm，最终形成导热强化al-si系合金材料预构件；所述激光选区熔化成形工艺的激光功率为360w、激光扫描速度为1100mm/s、激光扫描光斑间距为0.17mm；
48.步骤3：对形成的导热强化al-si系合金材料预构件进行固溶和时效热处理，所述固溶和时效热处理的工艺参数为：在535℃下保温0.25h后，水冷至室温，然后在160℃下保温12h，空冷至室温，得到一种导热强化al-si系合金材料，所述导热强化al-si系合金材料的导热系数大于200w/mk。
49.实施例5
50.一种导热强化al-si系合金材料的激光增材成形方法，包括以下步骤：
51.步骤1：采用气雾化工艺进行导热强化al-si系合金粉末的制备，得到的一种导热强化al-si系合金粉末的成分包括：以质量百分比计，6.0wt％的si、0.38wt％的mg、0.40wt％的fe、余量为al；得到的导热强化al-si系合金粉末的粒径为15um～53um。
52.步骤2：选用激光选区熔化成形工艺对上述导热强化al-si系合金粉末进行成形；所述激光选区熔化成形工艺过程，采用层与层连续叠加，每个层的层高为0.03mm，最终形成导热强化al-si系合金材料预构件；所述激光选区熔化成形工艺的激光功率为370w、激光扫描速度为1200mm/s、激光扫描光斑间距为0.17mm；
53.步骤3：对形成的导热强化al-si系合金材料预构件进行固溶和时效热处理，所述固溶和时效热处理的工艺参数为：在535℃下保温0.3h后，水冷至室温，然后在160℃下保温12h，空冷至室温，得到一种导热强化al-si系合金材料，所述导热强化al-si系合金材料的导热系数大于200w/mk。
54.实施例6
55.一种导热强化al-si系合金材料的激光增材成形方法，包括以下步骤：
56.步骤1：采用气雾化工艺进行导热强化al-si系合金粉末的制备，得到的一种导热强化al-si系合金粉末的成分包括：以质量百分比计，5.0wt％的si、0.45wt％的mg、0.45wt％的fe、余量为al；得到的导热强化al-si系合金粉末的粒径为15um～53um。
57.步骤2：选用激光选区熔化成形工艺对上述导热强化al-si系合金粉末进行成形；所述激光选区熔化成形工艺过程，采用层与层连续叠加，每个层的层高为0.03mm，最终形成导热强化al-si系合金材料预构件；所述激光选区熔化成形工艺的激光功率为350w、激光扫描速度为1100mm/s、激光扫描光斑间距为0.17mm；
58.步骤3：对形成的导热强化al-si系合金材料预构件进行固溶和时效热处理，所述固溶和时效热处理的工艺参数为：在525℃下保温1h后，水冷至室温，然后在180℃下保温10h，空冷至室温，得到一种导热强化al-si系合金材料，所述导热强化al-si系合金材料的导热系数大于198w/mk。
59.图1为本发明制备得到的导热强化al-si系合金材料激光增材沉积态显微组织示意图，从图中可以看到沉积态组织呈现出长条状的α-a1枝晶和呈纤维状分布的si共晶相。此时共晶si相呈现细小密集的长板条状，相互连接形成网格状，将α-a1基体分割开。
60.图2为本发明制备得到的导热强化al-si系合金材料激光增材固溶时效热处理态显微组织示意图，从图中可以看到当经过固溶+时效热处理后，共晶si已发生严重的球化，网状共晶组织特征消失，部分si颗粒长大为形状较为规则的多面体。
61.以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。