一种增材制造高导热铝合金及其制备方法

技术领域

本发明涉及金属增材制造领域，尤其是涉及一种增材制造高导热铝合金及其制备方法。

背景技术

增材制造技术(Additive Manufacturing,简称AM)又名3D打印，是一种与传统成型工艺完全不同的加工方式。AM将计算机辅助设计(CAD)与材料成型相结合，运用CAD软件解构出三维模型的二维图像，再层层堆垛累积成型构件。这种新兴的生产方式具有制造周期短、材料利用率高、产品精度高等优点，具有良好的应用前景。目前常用的增材制造技术有立体光固化技术(SLA)，选区激光熔化技术(SLM)，直接金属沉积技术(DMD)等，其中选区激光熔化技术以金属粉末作为原材料，以激光作为输入能量源，加工速度快，成型精确度高，复杂结构成型能力强，目前广泛运用于航空航天等领域。

铝合金是目前应用较为广泛的一种合金材料，具有密度低、比强度高、塑性好、耐腐蚀和导电导热性能优异等特点，在航空航天、交通运输、装备器械等领域拥有着不可替代的地位。SLM制备的铝合金组织分布均匀，细晶强化显著，配合其轻量化的优势，逐步运用于卫星支架、发动机舱体等重要航空航天机械结构件。然而，受限于打印器械的制造、合金粉末的生产、工艺流程的调控等问题，国内SLM生产的铝合金零部件应用范围较小，未能在大宗机械生产领域内实现普及。而进口的打印装备与金属粉末造就了相对较高的经济成本，使其难以取代传统意义上以低廉价格为主导的铝合金材料。

然而，增材制造技术的生产模式对于传统高强2xxx系、7xxx系铝合金并不适用，Al-Cu、Al-Zn合金因高固溶度带来的较大固液温度区间导致其在激光快冷快热的工艺特点下开裂严重，零部件成型性能极差。目前3D打印用铝合金粉末多为力学性能较低的近共晶铝硅合金，以共晶Si相较小的凝固温度区间和熔体优良的流动性改善SLM工艺下高过冷度带来的热裂倾向，如中国专利CN 107716918A所公开的一种AlSi10Mg合金粉末，虽然合金的成形性能较好，但机械性能偏低，而常用的高强AlMgScZr增材制造用合金粉末则因Sc较高的价格而丧失了铝合金一贯具有的成本优势，使其难以在工业生产中普及应用。与高强铝合金相比，增材制造用高导热铝合金的开发与探索仍相对较少，研究发现，SLM成形的铝合金热导率普遍比铸造成形更低，这主要归因于沉积态下铝基体中较高的过饱和度，另外，金属间化合物、残余应力和位错密度也是影响热导率的重要因素。

发明内容

为解决激光沉积成型传统高固溶变形铝合金热裂严重且SLM铝合金热导率普遍偏低的问题，本发明的目的在于提出一种增材制造高导热铝合金及其制备方法，利用Fe在Al中的低溶解度和低扩散率，减少溶质原子和沉淀相的形成，同时，初生Al

本发明的目的可通过以下技术方案来实现：

第一方面，本发明提供了一种增材制造高导热铝合金，所述铝合金中各组分的重量百分比为：Fe:1-4wt.％、Zr:0.1-1.2wt.％、Sr:0.01-0.2wt.％，其他杂质总量不超过0.8wt.％，余量为Al。

作为本发明的一个实施方式，所述铝合金中各组分的重量百分比为：Fe:1-2wt.％、Zr:0.5-1wt.％、Sr:0.01-0.2wt.％，其他杂质总量不超过0.8wt.％，余量为Al。

在本发明的一些实施例中，所述铝合金中各组分的重量百分比为：Fe:1.2-2wt.％、Zr:0.5-1wt.％、Sr:0.02-0.05wt.％，其他杂质总量不超过0.8wt.％，余量为Al。

第二方面，本发明提供了一种增材制造高导热铝合金的制备方法，包括如下步骤：

S1、合金熔炼：将铝、铝铁中间合金、铝锆中间合金和铝锶中间合金按配比混合，熔炼后浇铸成合金铸锭；

S2、粉体制备：将S1所得铸锭重熔，经雾化，冷却凝固形成金属粉末，再筛分粉末，得到增材制造用铝合金粉末；

S3、激光成型：对S2所得增材制造用铝合金粉末进行选区激光熔化成型，得到打印态合金；

S4、热处理：将S3得到的打印态合金退火，经时效处理，得到增材制造高导热铝合金。

作为本发明的一个实施方式，步骤S1中，所述铝为商业纯铝。

作为本发明的一个实施方式，步骤S1中，所述熔炼的温度为750-780℃；所述配比满足铝合金中各组分的重量百分比。

作为本发明的一个实施方式，步骤S1中，待合金完全熔化后，采用电磁搅拌器搅拌合金熔液至充分混合均匀，保温静置30-120min；所述搅拌时间为20-60min。

作为本发明的一个实施方式，步骤S2中，雾化前，采用氧化铝导管将熔体(即合金熔液)从熔炼炉中导出。氧化铝熔点高，可用于传输熔融金属液，采用铝合金氧化物同时可避免引入其他金属元素。

作为本发明的一个实施方式，步骤S2中，所述雾化的方法包括：采用高速压缩氮气冲击熔融铝合金，高压氮气纯度≥99.995％。雾化使熔体破碎形成细小液滴。

作为本发明的一个实施方式，步骤S2中，所述雾化的压力为8-15MPa。当雾化的压力低于8MPa时，雾化液滴因压力过低容易以袋式破碎为破碎模式，此时成型粉末易形成空心粉；当雾化的压力高于15MPa，雾化液滴因压力过高易发生片式剥离破碎，此时粉末粒径过小，不适用于SLM打印。

作为本发明的一个实施方式，步骤S2中，所述筛分的方法为旋风分离收粉。采用旋风分离收粉装置在高纯氩气气氛下筛分粉末。

作为本发明的一个实施方式，步骤S2中，所制得的增材制造用铝合金粉末中，60％以上的粒径范围在20-60μm之间。

作为本发明的一个实施方式，步骤S2中，所制得的增材制造用铝合金粉末中，90％以上的粉末形状为球形或鸭梨形。

作为本发明的一个实施方式，步骤S3中，在氩气气氛中，当成型舱氧含量低于200ppm时，选区激光熔化成型过程开始进行激光打印。选区激光成型过程在氩气气氛中进行，打印开始前先通入氩气，直至成型舱氧含量低于200ppm时，再开始激光加工。成型过程中使用高纯氩气气流定向吹拂，以避免金属蒸汽及氧化夹杂凝固回落。若加工过程中成型舱氧含量高于200ppm，应立即停止打印，重新通入氩气，直到环境氧含量达到要求后再进行打印。

作为本发明的一个实施方式，步骤S3中，所述选区激光熔化成型采用的激光功率为300-400W、扫描速度为1000-2400mm/s。激光功率与扫描速度共同决定线输入能量密度，激光功率低于300W或扫描速度高于2400mm/s时，输入能量不足以完全熔化金属粉末，容易出现未熔合孔洞；激光功率高于400W或扫描速度低于1000mm/s时，线输入能量密度过高，大量金属蒸汽逸散，易造成元素烧损和组织粗化，使得合金力学性能大幅下降。

在本发明的一些实施例中，所述选区激光熔化成型采用的激光功率为350-400W、扫描速度为1200 -1400mm/s。

作为本发明的一个实施方式，步骤S3中，所述选区激光熔化成型采用的扫描间距为0.13-0.18mm，层厚为40-60μm，基板预热温度为100-120℃。

作为本发明的一个实施方式，步骤S4中，所述退火的温度为270-350℃，时间为2-6h。

作为本发明的一个实施方式，步骤S4中，所述时效处理的温度为165-400℃，时间为1-24h。时效温度低于165℃时，合金时效硬化不明显，无法达到时效强化的目的；时效温度高于400℃时，晶粒因温度过高而长大，从而降低力学性能。

在本发明的一些实施例中，所述时效处理的温度为300-400℃，时间为4-24h。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

(1)本发明以Fe、Zr为主要合金化元素，Fe在Al中的平衡溶解度极低，低固溶度可保证基体的热导率不会大幅降低，相对较低的蒸汽压也使其在烧损时不会对输入能量产生过多影响，稳定的热输入可减小孔隙与微裂纹的形成。同时，Al与Fe可形成Al

(2)本发明添加的Zr与Al形成的Al

(3)本发明中的添加元素仅包括Fe、Zr、Sr，避免了添加元素种类过多而使得合金的固溶度较高以及热处理时形成的析出相较多，从而导致的铝合金热导率大大降低的技术缺陷。

(4)本发明提出了一种适用于选区激光熔化技术的高导热铝合金，在保有中等力学性能的同时具有较好的导热性能。相比于传统铝合金，选区激光熔化铝合金具有极细的晶粒组织，可实现各种复杂形状结构件及拓扑优化网络的近净成型生产，在航空航天等领域具有广泛的应用前景。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为实施例1中成型合金的金相组织；

图2为实施例1中成型合金的晶粒组织；

图3为对比例1中含有微裂纹的成型合金微观组织；

图4为对比例3中含有孔隙的成型合金金相图片。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。以下实例在本发明技术方案的前提下进行实施，提供了详细的实施方式和具体的操作过程，将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明。需要指出的是，本发明的保护范围不限于下述实施例，在本发明的构思前提下做出的若干调整和改进，都属于本发明的保护范围。

实施例1

铝合金的化学组成及元素含量：Al-1.5Fe-1Zr-0.02Sr(wt.％)。

S1：合金熔炼：将商业纯铝、铝铁中间合金、铝锆中间合金和铝锶中间合金按配比放进750℃的熔炼炉中，用电磁搅拌器搅拌30min至熔体分布均匀后保温静置90min，浇铸成铝合金铸锭；

S2：粉体制备：将S1所得铸锭重熔，用氧化铝导管将熔体导出，采用高速压缩氮气冲击熔融铝镁硅合金，雾化使其破碎形成细小液滴，雾化压力为12MPa，高压氮气纯度≥99.995％，冷却凝固形成金属粉末，采用旋风分离收粉装置在高纯氩气气氛下筛分粉末，得到增材制造用Al-1.5Fe-1Zr-0.02Sr(wt.％)粉末，所得粉末95％以上为球形或鸭梨形，60％以上的粉末粒径在20-53μm之间。

S3：激光成型：在氩气气氛中，当成型舱氧含量低于200ppm时，对S2所得粉末进行选区激光熔化成型工艺，激光功率370W、扫描速度1400mm/s，扫描间距0.13mm，层厚60μm，基板预热温度100℃，得到打印态合金。

S4：热处理：将S3得到的打印态合金先在300℃下去应力退火2h，随后进行时效处理，时效温度400℃，时间为4h。

用阿基米德法测量合金的密度ρ，与理论密度相比计算致密度。用LFA 467激光导热仪测量合金的热扩散系数α，用对比法测试比热C

通过测试，本实施例合金成型性能优异，样品致密度为99.7％，打印态合金的金相组织如图1所示，晶粒组织如图2所示；其中，图2显示出该合金具有极细的晶粒组织。退火态的样件热导率为122Wm

实施例2

铝合金的化学组成及元素含量：Al-2Fe-0.8Zr-0.03Sr(wt.％)。

S1：合金熔炼：将商业纯铝、铝镁中间合金、铝硅中间合金、铝锰中间合金、铝钛中间合金、铝锆中间合金和铝锶中间合金按配比放进770℃的熔炼炉中，用电磁搅拌器搅拌30min至熔体分布均匀后保温静置120min，浇铸成铝镁硅合金铸锭；

S2：粉体制备：将S1所得铸锭重熔，用氧化铝导管将熔体导出，采用高速压缩氮气冲击熔融铝镁硅合金，使其破碎形成细小液滴，雾化压力为15MPa，高压氮气纯度≥99.995％，冷却凝固形成金属粉末，采用旋风分离收粉装置在高纯氩气气氛下筛分粉末，得到增材制造用Al-2Fe-0.8Zr-0.03Sr(wt.％)粉末，所得粉末90％以上为球形或鸭梨形，60％以上的粉末粒径在20-60μm之间。

S3：激光成型：在氩气气氛中，当成型舱氧含量低于200ppm时，对S2所得粉末进行选区激光熔化成型工艺，激光功率350W、扫描速度1300mm/s，扫描间距0.17mm，层厚40μm，基板预热温度120℃，得到打印态合金。

S4：热处理：将S3得到的打印态合金先在280℃下去应力退火4h，随后进行时效处理，时效温度350℃，时间为8h。

通过测试(测试方法同实施例1)，本实施例合金成型性能优异，样品致密度为98.9％。退火态的样件热导率为113Wm

实施例3

铝合金的化学组成及元素含量：Al-1.2Fe-0.5Zr-0.05Sr(wt.％)。

S1：合金熔炼：将商业纯铝、铝铁中间合金、铝锆中间合金和铝锶中间合金按配比放进760℃的熔炼炉中，用电磁搅拌器搅拌30min至熔体分布均匀后保温静置100min，浇铸成铝镁硅合金铸锭；

S2：粉体制备：将S1所得铸锭重熔，用氧化铝导管将熔体导出，采用高速压缩氮气冲击熔融铝镁硅合金，使其破碎形成细小液滴，雾化压力为10MPa，高压氮气纯度≥99.995％，冷却凝固形成金属粉末，采用旋风分离收粉装置在高纯氩气气氛下筛分粉末，得到增材制造用Al-1.2Fe-0.5Zr-0.05Sr(wt.％)粉末，所得粉末90％以上为球形，60％以上的粉末粒径在20-50μm之间。

S3：激光成型：在氩气气氛中，当成型舱氧含量低于200ppm时，对S2所得粉末进行选区激光熔化成型工艺，激光功率400W、扫描速度1200mm/s，扫描间距0.15mm，层厚50μm，基板预热温度140℃，得到打印态合金。

S4：热处理：将S3得到的打印态合金先在350℃下去应力退火2h，随后进行时效处理，时效温度300℃，时间为24h。

通过测试(测试方法同实施例1)，本实施例合金成型性能优异，样品致密度为98.5％。退火态的样件热导率为132Wm

对比例1

铝合金的化学组成及元素含量：Al-1.5Fe-0.02Sr(wt.％)。

其他实验条件与实施例1相同。

通过测试(测试方法同实施例1)，本对比例合金成型性能一般，样品致密度为95.3％，但基体存在部分微裂纹，如图3所示。退火态的样件热导率为134Wm

对比例2

本对比例所述合金成分及生产流程与实施例1基本相同，仅改变时效处理参数：时效温度500℃，时间12h。

通过测试(测试方法同实施例1)，本对比例合金成型性能优异，样品致密度为99.6％。退火态的样件热导率为118Wm

对比例3

本对比例所述合金成分及生产流程与实施例2基本相同，仅改变部分增材制造工艺参数：激光功率为450W，扫描速度为800mm/s。

通过测试(测试方法同实施例1)，本对比例合金样品致密度为92.3％，由于功率较高和扫描速度过低，合金出现多处元素烧损及孔隙，如图4所示。退火态的样件热导率为94Wm

对比例4

铝合金的化学组成及元素含量：Al-1.5Fe-1Zr(wt.％)。

其他实验条件与实施例1相同。

通过测试(测试方法同实施例1)，本对比例合金样品致密度为98.1％。退火态的样件热导率为125Wm

对比例5

铝合金的化学组成及元素含量：Al-1Fe-0.5Mg-0.1Mn-0.5Si-0.5Zr-0.01Sr(wt.％)。

其他实验条件与实施例1相同。

通过测试(测试方法同实施例1)，本对比例合金样品致密度为97.8％。退火态的样件热导率为102Wm

对比例6

铝合金的化学组成及元素含量：Al-1Zr-0.02Sr(wt.％)。

其他实验条件与实施例1相同。

通过测试(测试方法同实施例1)，本对比例合金样品致密度为98.6％。退火态的样件热导率为161Wm

综上，根据对比例1、4和实施例1，本发明添加的Zr可与Al形成的Al

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。