一种3D打印专用耐热高强稀土强化铝合金配方及制备方法

本发明属于增材制造专用材料，具体涉及一种3d打印专用耐热高强稀土强化铝合金粉末配方及制备方法。

背景技术：

1、铝合金由于比强度高、加工性能良好、耐腐蚀性高且导电导热性优异，在航空、航天、汽车、船舶等领域有着广泛的需求。随着航空发动机推重比的不断刷新、航天高超声速飞行器飞行速度的不断提高，对铝合金结构件提出了“轻量化、高耐热、高强度”的苛刻要求。例如，各国都在极力研发的高超音速飞行器，其采用的超音速冲压发动机中，各零部件对合金的高温性能提出了更高的要求；航天飞行器的耐热油管、航空发动机压气机半护罩组件等零部件，均要长期服役在150～400℃的高温条件下，同时承受较大载荷。然而，传统铝合金使用温度一般低于200℃，其拉伸强度及蠕变等性能难以满足以上要求。因此，激光增材制造整体成形“轻量化镂空结构+优异高温性能”的铝合金零部件成为解决以上难题的有效途径。

2、sc、zr、er稀土元素扩散慢溶质捕获能力差，一方面，纳米级初生al3re(re为稀土元素)相得以在铝基体中大量形成，并作为形核质点极大刺激了随后的al6fe、al45cr7、al13(cr,fe)2、al12(fe,v)3si和i相的析出；另一方面，各强化相的析出过程将逐渐收集周围的al3re纳米颗粒并留下al3re析出耗尽带，这一过程为强化粒子周围聚集界面偏聚提供条件。尤其是强化粒子边界形成了v-型sc-fe-cr三聚体的原子偏聚单元，引导单一序列析出的同时，构建更为稳定的析出相内部及界面结构，使合金在300℃的高温下仍能保持极佳的尺寸稳定性。进一步研究更加证实，稀土元素界面偏聚可增强强化粒子的热稳定性，同时也反向阻碍了al3re粒子的粗化。

技术实现思路

1、本部分的目的在于概述本发明的实施例的一些方面以及简要介绍一些较佳实施例。在本部分以及本技术的说明书摘要和发明名称中可能会做些简化或省略以避免使本部分、说明书摘要和发明名称的目的模糊，而这种简化或省略不能用于限制本发明的范围。

2、鉴于上述和/或现有技术中存在的问题，提出了本发明。

3、因此，本发明的目的是，克服现有技术中的不足，提供一种3d打印专用耐热高强稀土强化铝合金粉末的制备方法。

4、为解决上述技术问题，本发明提供了如下技术方案：一种3d打印专用耐热高强稀土强化铝合金粉末的制备方法，其特征在于：包括，

5、按照成分配比，称取原料配制成混合料，通过真空熔炼、氩气雾化后干燥；

6、其中，按质量分数计,所述原料为cr:0.5～4wt％；fe:0.5～4wt％；sc:0.05～0.7wt％；zr:0.1～0.9wt％；er:0.0～0.3wt％；v:0.01～0.3wt％；si:0.02～0.5wt％，其余为al。

7、作为本发明所述制备方法的一种优选方案，其中：所述真空熔炼，其熔炼温度为800～1000℃，熔炼炉内气压为0.4～0.9mpa；雾化制粉，气雾化压力为6～9.5mpa；干燥处理，温度为50～90℃，时间为1～8h；原料包括组元元素、中间合金的一种或几种。

8、作为本发明所述制备方法的一种优选方案，其中：所述专用粉末平均粒径为15～53μm。

9、作为本发明所述制备方法的一种优选方案，其中：所述专用粉末进行3d打印，得到打印试样取出后立刻进行100～220℃去应力退火，后进行热处理。

10、作为本发明所述制备方法的一种优选方案，其中：所述3d打印的参数为激光功率:100～500w；扫描速度:100～2000mm/s；扫描间距:0.05～0.20mm；扫描层厚:0.03～0.1mm，扫描策略为相邻层之间旋转角度为0～67°；3d打印时氧含量控制在0.35％以下，基板加热温度为50～200℃。

11、作为本发明所述制备方法的一种优选方案，其中：所述热处理，其热处理温度为275～355℃，加温速度为50℃/min，保温时间为1～10h。

12、作为本发明所述制备方法的一种优选方案，其中：所述打印试样致密度超过99％，平均硬度达到160hv0.2，室温下抗拉强度超过520mpa，延伸率超过8％；200℃下抗拉强度超过350mpa，延伸率超过9％；300℃下抗拉强度超过300mpa，延伸超过10％。

13、作为本发明所述制备方法的一种优选方案，其中：所述专用粉末利用激光粉末床熔化成无裂纹且尺寸不小于150×150mm的薄壁构件，其最薄成形壁厚低于0.4mm，且可成形变直径构件，可成形自体支撑为45°的斜坡结构，可成形最小孔径为0.5mm。本发明的再一个目的是，克服现有技术中的不足，提供一种3d打印专用耐热高强稀土强化铝合金粉末的制备方法所制备的产品。

14、本发明的另一个目的是，克服现有技术中的不足，提供一种3d打印专用耐热高强稀土强化铝合金粉末的制备方法制得的产品在在3d打印中的应用。

15、元素具备协同强化效应，稀土元素的慢扩散易形成包覆al-tm(tm为过渡金属元素，fe、cr)粒子的核壳结构，尤其是强化粒子边界形成了v-型sc-fe-cr三聚体的原子偏聚单元，引导单一序列析出的同时，构建更为稳定的析出相内部及界面结构，进而提升合金耐高温性能；

16、cr元素的加入作用：不仅可以形成al45cr7强化相，与fe元素在3d打印的快速凝固过程中会形成纳米级的二十面体准晶i相和al13(cr,fe)2相，并且强化相的粗化速度慢且相当稳定，使合金具备优异的热稳定性；

17、fe元素的加入的作用：首先，可以与cr形成复合成分化合物以及复杂成分固溶体，降低cr和fe原子在熔池及成形制品中的扩散系数；另外，al-fe合金本身凝固区间窄、裂纹敏感性低，适用于热应力复杂的3d工艺，同时fe在铝中扩散速率较低，在铝基体可形成大量弥散分布且具有热稳定性的al6fe析出相，大幅度提升合金的高温性能；

18、sc、zr、er元素的协同加入，主要是利用稀土元素sc、zr、er等在初生强化相表面的偏聚行为，抑制高温下组织的失稳行为，在强化相/铝基体界面处形成的偏聚层可以有效阻碍al-tm(过渡金属元素)粒子的粗化及溶解行为，维持合金的高温强度。

19、同时sc、zr、er稀土元素在al基体中形成al3(sc，zr，er)纳米粒子，通常位于熔池边界的激光重熔区域充当形核源，显著细化晶粒，提高液体供给以此减少裂纹，使合金具有优良的室温力学性能；

20、v和si元素的加入，在3d打印的快速凝固过程中，可以促使al-fe合金中形成大体积分数的al12(fe,v)3si强化相，尽管只是作为微量元素加入，但对合金性能有十分显著的影响。

21、在热处理过程中，al3(sc，zr)等相的析出产生析出强化和弥散强化作用，在热处理过程中稳定晶粒尺寸，抑制裂纹。

22、本发明的创新之处在于利用稀土元素sc、zr、er等在初生强化相表面的偏聚行为，抑制高温下组织的失稳行为，在强化相/铝基体界面处形成的偏聚层可以有效阻碍al-tm(过渡金属元素)粒子的粗化及溶解行为，尤其是强化粒子边界形成了v-型sc-fe-cr三聚体的原子偏聚单元，引导单一序列析出的同时，构建更为稳定的析出相内部及界面结构，进而提升合金耐高温性能。采用3d打印的方式将高含量的过渡金属元素cr和fe元素加入到铝基体中，可以大大提高元素在铝中的极限溶解度，在合金中形成足够数量的弥散粒子，获得过饱和度很大、沉淀相很细小很均匀的弥散强韧相。该发明一方面是填补了3d打印领域对合金耐热性的研究空白，探索并最终设计出针对激光粉末床熔化成形(lpbf)专用的耐热铝钪合金体系，使其具有无裂纹、高强度、高韧性等优异的力学性能，为设计lpbf成形专用高性能耐热铝合金奠定基石。另一方面，该合金成本较低，适用于大批量生产，利用元素之间的协同强化作用，最大程度发挥析出粒子的强化效果，并在高温下保持基体强度，从而获得优异的高温性能。本发明耐热高强稀土强化铝合金粉末经激光3d打印后的零件高温力学性能优良，冶金缺陷低、致密度高、热稳定性和持久强度高。且高温性能较现有3d打印铝合金有较大提升，经325℃4个小时热处理后，平均硬度达到160hv0.2，室温(25℃)下抗拉强度超过520mpa，延伸率超过8％；200℃下抗拉强度超过350mpa，延伸率超过9％；300℃下抗拉强度超过300mpa，延伸超过10％。高温下强度保持率高，200℃下屈服强度保持率67％，300℃下屈服强度保持率55％，是迄今维持所报道增材制造铝合金中高温强度保持率最高的合金之一，远高于大部分现有增擦制造铝合金的高温力学性能。

23、本发明有益效果：

24、(1)本发明的3d打印耐热高强稀土强化铝合金是一种过饱和固溶体，cr与fe元素在快速凝固过程中，可以过饱和固溶于al、基体中，解决了传统al-tm(过渡金属元素)合金固溶度低的难题。

25、(2)本发明耐热高强稀土强化铝合金粉末经激光3d打印后，得到的试样冶金缺陷低、致密度高、成型性优良。且室温及高温下力学性能优异，在高温下也能保持良好的热力学稳定性，高温性能远超现有的3d打印铝合金，屈服强度高，各向异性低。是迄今所报道的耐热铝合金高温综合性能最佳的铝合金之一。

26、(3)本发明克服现有3d铝合金服役温度均不超过200℃，高温下性能急剧下降的难题，提供一种3d打印专用耐热高强稀土强化铝合金粉末配方，cr、fe元素的加入，在3d打印特有的快速冷却的条件下，形成大量弥散分布且具有热稳定性的析出相，提高铝合金的耐热性能，同时还能够起到固溶强化的作用，降低合金的层错能，形成高密度的层错以及孪晶。相比传统铝合金，该发明特殊性在于加入一定量的sc、zr、er稀土元素，利用稀土元素的界面偏聚，来维持al-tm粒子的高温稳定性。构建稀土元素在al6fe、al45cr7、al13(cr,fe)2、al12(fe,v)3si/基体界面的强烈偏聚，是多组元体系中al-tm+al3re双尺度析出相共稳定的核心要素。

27、(4)本发明通过选区激光熔化设备进行打印工作，并针对本发明提出的专用粉末设置了明确的工艺参数，即根据打印零件需要设置激光扫描策略、选择合适工艺参数参数、选用3d打印耐热高强稀土强化铝合金粉末，使得打印出的零件强度均匀，打印过程在惰性气体环境下进行。