一种高强度Al-Mg-Sc-Zr合金及其制备方法与流程

本发明涉及合金制造，尤其涉及一种高强度al-mg-sc-zr合金及其制备方法。

背景技术：

1、al-mg合金因其具有较好的成型性、耐蚀性和焊接性，在航空、航天、舰船、电子等行业中得到广泛应用。近年来研究表明，在al-mg合金中复合添加sc、zr两种微量元素能显著提高合金的强度。合金强度的显著提高主要是由于sc、zr与al元素生成al3(sc，zr)质点显著细化晶粒组织，产生细晶强化，并且析出的次生al3(sc，zr)质点在铝基体中分布均匀，产生弥散强化；同时，al3(sc，zr)质点还可抑制合金材料后续热处理过程时再结晶，产生亚结构强化作用。

2、传统铝镁合金加工工艺主要采用熔炼、铸造和锻造等手段，但是随着产品技术水平的不断提高和研制周期的不断缩短，对制造复杂精密结构的铝合金构件也提出了新的要求。选区激光熔化技术(slm)是以金属粉末为加工原料，采用高能量密度的激光束将铺洒在金属基板上的粉末进行逐层熔覆堆积，利用金属粉末完全熔化快速冷却成形的一种新型制造技术。slm已成为高精度、高性能的铝镁复杂结构零件快速成形的首选技术手段。然而，金属液在slm过程中经历的特殊凝固条件及其逐层熔覆堆积方式，导致了多种组织特征，包括亚稳相和过饱和固溶体的形成、极端组织细化以及残余应力的产生，导致综合力学性能不佳。目前已有的al-mg-sc-zr合金粉末仍然具有激光反射率高、线膨胀系数高等特点，使得slm成形技术的应用有所局限，尤其是所制备的合金材料强度满足不了现代相关特殊行业的要求，因此，本领域技术人员亟需找到一种更适合于选区激光熔化技术的高强度al-mg-sc-zr合金粉末。

技术实现思路

1、基于背景技术存在的技术问题，本发明提出了一种高强度al-mg-sc-zr合金及其制备方法。本发明通过在al-mg-sc-zr合金中进一步加入特定含量的cu和mn元素，并对mn和cu的质量比精确控制，实现了al-mg-sc-zr合金强度的显著提升。

2、本发明提供一种高强度al-mg-sc-zr合金粉末，其成分按重量百分比计包括：cu1.5-2.0％，mg 1.1-1.6％，sc 0.8-1.0％，zr 1.0-1.2％和mn，余量为al；其中mn和cu的质量比为(0.5-0.7)：1。

3、本发明通过添加特定含量的cu和mn元素，并发现当mn/cu的质量比为(0.5-0.7)：1时，sc和zr在铝基体中的溶解度显著增大，在slm极快的冷却速度下，使得产生弥散分布的al3(sc，zr)粒子数量增多，通过细晶强化和弥散强化作用，使得本发明al-mg-sc-zr合金强度的提升；mn/cu的质量比为(0.5-0.7)：1时，cu和mn元素分别与al形成一定含量的cual2、mnal6金属化合物，可抑制析出相al3(sc，zr)在退火热处理时发生粗化，从而使其强化效果进一步得到保证。

4、优选地，所述合金粉末，其成分按重量百分比计包括：cu 1.8％，mg 1.3％，sc0.9％，zr 1.2％，mn 1.08％，余量为al。

5、优选地，所述合金粉末是在惰性气体氛围保护下，经气雾化法制备得到。

6、优选地，所述惰性气体为高纯氮气或者氩气。

7、优选地，所述合金粉末粒径范围为22.5-61.5μm。

8、本发明提供了一种高强度al-mg-sc-zr合金的制备方法，包括如下步骤：取上述高强度al-mg-sc-zr合金粉末为原料，经选区激光熔化打印成形得到al-mg-sc-zr合金。

9、优选地，在选区激光熔化打印成形后进行退火处理，得到高强度al-mg-sc-zr合金。

10、由于选取激光熔化的冷却速度太快，导致合金内部残余应力堆积等缺点，通过退火处理，一方面可以消除残余应力，另一方面可调整合金显微组织结构，在铝基体中析出细小的al3(sc，zr)相，从而产生钉扎位错作用，使得合金强度提升。

11、优选地，所述选区激光熔化打印的具体参数为：激光功率350-370w、扫描速率800-1000mm/s、间距0.10-0.15mm、铺粉层厚为25-40μm。

12、优选地，所述选区激光熔化打印的具体参数为：激光功率360w、扫描速率900mm/s、间距0.12mm、铺粉层厚为30μm。

13、优选地，所述退火温度为350-400℃，退火保温时间为8-12h。

14、研究表明，现有的al-mg-sc-zr合金在300℃及以上退火时，合金的强度会发生一定下降，但耐腐蚀性能会得到明显改善。然而，本发明通过添加cu和mn，并对其比例进行精确控制，使得本发明al-mg-sc-zr合金在此退火温度下，析出相al3(sc，zr)也不易粗化，有助于al-mg-sc-zr合金强度保持稳定，同时也能使其耐腐蚀性能良好。

15、本发明还提供了一种高强度al-mg-sc-zr合金，按照上述高强度al-mg-sc-zr合金的制备方法制得。

16、有益效果：

17、本发明通过在al-mg-sc-zr合金中添加特定含量的cu和mn，并对mn/cu的质量比进行优化和精准控制，使得在与之适配的slm成形工艺和热处理工艺下，实现对al3(sc，zr)粒子的数量和尺寸的控制，从而使得本发明的al-mg-sc-zr合金强度有明显提升。此外，本发明提供的al-mg-sc-zr合金经特定的退火处理后还具有较好的耐腐蚀性能。

技术特征：

1.一种高强度al-mg-sc-zr合金粉末，其特征在于，其成分按重量百分比计包括：cu1.5-2.0％，mg 1.1-1.6％，sc 0.8-1.0％，zr 1.0-1.2％和mn，余量为al；其中mn和cu的质量比为(0.5-0.7)：1。

2.根据权利要求1所述高强度al-mg-sc-zr合金粉末，其特征在于，其成分按重量百分比计包括：cu 1.8％，mg 1.3％，sc 0.9％，zr 1.2％，mn 1.08％，余量为al。

3.根据权利要求1或2所述高强度al-mg-sc-zr合金粉末，其特征在于，所述合金粉末是在惰性气体氛围保护下，经气雾化法制备得到。

4.根据权利要求1或3任一项所述高强度al-mg-sc-zr合金粉末，其特征在于，所述合金粉末粒径范围为22.5-61.5μm。

5.一种高强度al-mg-sc-zr合金的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：取如权利要求1-4任一项所述高强度al-mg-sc-zr合金粉末为原料，经选区激光熔化打印成形得到al-mg-sc-zr合金。

6.根据权利要求5所述高强度al-mg-sc-zr合金的制备方法，其特征在于，在选区激光熔化打印成形后进行退火处理，得到高强度al-mg-sc-zr合金。

7.根据权利要求5或6所述高强度al-mg-sc-zr合金的制备方法，其特征在于，所述选区激光熔化打印的具体参数为：激光功率350-370w、扫描速率800-1000mm/s、间距0.10-0.15mm、铺粉层厚为25-40μm。

8.根据权利要求5-7任一项所述高强度al-mg-sc-zr合金的制备方法，其特征在于，所述选区激光熔化打印的具体参数为：激光功率360w、扫描速率900mm/s、间距0.12mm、铺粉层厚为30μm。

9.根据权利要求6-8任一项所述高强度al-mg-sc-zr合金的制备方法，其特征在于，所述退火温度为350-400℃，退火保温时间为8-12h。

10.一种高强度al-mg-sc-zr合金，其特征在于，按照权利要求5-9任一项所述高强度al-mg-sc-zr合金的制备方法制得。

技术总结
本发明公开了一种高强度Al‑Mg‑Sc‑Zr合金粉末，其成分按重量百分比计包括：Cu 1.5‑2.0％，Mg 1.1‑1.6％，Sc 0.8‑1.0％，Zr 1.0‑1.2％和Mn，余量为Al；其中Mn和Cu的质量比为(0.5‑0.7)：1。本发明还公开了一种高强度Al‑Mg‑Sc‑Zr合金的制备方法。将本发明的Al‑Mg‑Sc‑Zr合金粉末经选区激光熔化成形工艺打印成形后，再在350‑400℃下进行退火热处理，并保温8‑12h，得到高强度Al‑Mg‑Sc‑Zr合金。本发明通过在Al‑Mg‑Sc‑Zr合金中进一步加入特定含量的Cu和Mn元素，并对Mn和Cu的质量比精确控制，实现了Al‑Mg‑Sc‑Zr合金强度的显著提升。

技术研发人员：陈大勇,武斌,秦东
受保护的技术使用者：安徽哈特三维科技有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/3/31