粉体金属材料以及层叠造型方法
文献发布时间：2024-04-18 19:44:28
技术领域
本发明涉及一种由铝合金构成的3D打印造型用粉体金属材料以及层叠造型方法。
背景技术
铝合金例如用于车辆、飞机等要求轻量化的用途等。
已知有使用铝合金粉末的层叠造型方法(例如，参照专利文献1～3)。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特表2021-531398号公报
专利文献2：日本特开2021-152189号公报
专利文献3：日本专利第6393008号公报
发明内容
发明要解决的课题
以往，用于铝合金的高强度化的晶粒细化例如如专利文献1所记载的那样，通过添加细化剂来进行。
然而，在以往的铝合金中存在这样的问题：难以使晶粒粒径为30μm以下，若添加高强度化效果高的Cu、Zn、Ni等，则晶界的应力变高，产生裂纹，造型变得困难。因此，要求晶粒的进一步细化。
本发明提供一种能够实现晶粒的细化、并且能够得到高强度的造型物的由铝合金构成的3D打印造型用粉体金属材料以及使用上述粉体金属材料的层叠造型方法。
用于解决课题的手段
本发明的粉体金属材料是由含有Ti、Zr和P中的至少一种的铝合金构成的3D打印造型用粉体金属材料。
发明效果
根据本发明，能够提供一种能够实现晶粒的细化、并且能够得到高强度的造型物的由铝合金构成的3D打印造型用粉体金属材料以及使用上述粉体金属材料的层叠造型方法。
具体实施方式
以下，对用于实施本发明的方式进行详细说明。
[粉体金属材料]
本发明的粉体金属材料是一种由含有Ti、Zr和P中的至少一种的铝合金构成的3D打印造型用粉体金属材料。
通过本发明的粉体金属材料，能够实现晶粒的细化，并且能够得到高强度的造型物。
本发明的粉体金属材料的铝合金含有Ti、Zr和P中的至少一种，其在3D打印造型(利用3D打印机的层叠造型)中的凝固过程中生成如Al
本发明的粉体金属材料的铝合金优选含有Ti和Zr中的至少一种，更优选含有Ti。
另外，本发明的粉体金属材料的铝合金也优选含有Ti和Zr。
本发明的粉体金属材料的铝合金优选还含有Si、Mg、Zn、Fe、Ni以及Mn中的至少一种。通过铝合金含有Si、Mg、Zn、Fe、Ni以及Mn中的至少一种，能够提高造型性。
铝合金更优选含有Si、Mg、Zn、Fe以及Mn中的至少一种。
优选的是，本发明的粉体金属材料的铝合金以质量％计含有：
Ti：0.5％～3.0％，
Zr：3.0％以下，
P：3.0％以下，
Si：3.0％～20.0％，
Cu：0.1％～10.0％，
Mn：0.1％～1.0％，
Mg：0.1％～3.0％，
Ni：5.0％以下，
Cr：2.0％以下，
Zn：0.05％～3.0％，以及
Fe：0.5％～5.0％。
需要说明的是，只要没有特别说明，各合金元素的含量是以铝合金整体为100％的质量基准的值。
本发明的粉体金属材料由于也可以相对于作为铝合金的主要构成元素的A1含有成为上述杂质的元素，因此也能够将含有大量Fe和Zn等杂质的二次金属、含有大量杂质的再生材料作为原料进行制造，从降低制造时的二氧化碳排出量、节省资源和降低环境负荷的观点出发也是优选的。另外，能够活用再生块，并使再生块的杂质元素细化，从而能够有助于高强度化。
本发明的粉体金属材料的铝合金优选为上述化学组成，其余部分由Al和不可避免的杂质构成。
本发明的粉体金属材料的铝合金中的Al含量优选为60质量％以上，更优选为70质量％以上，进一步优选为80质量％以上。
不可避免的杂质是指在制造本发明中的铝合金时能够从原料、环境中不可避免地混入的成分，例如可以举出Na、Sb、Sr、Li等。不可避免的杂质的含量通常为0.1质量％以下。
铝合金中的Ti含量优选为0.5％～3.0％，更优选为0.8％～2.5％，进一步优选为1.0％～2.0％。
铝合金中的Zr含量优选为3.0％以下，更优选为2.5％以下，进一步优选为2.0％以下。铝合金中的Zr含量的下限没有特别限定，可以为0质量％以上。铝合金也可以不含有Zr。在铝合金含有Zr的情况下，可以将Zr含量设为0.7％～2.5％，也可以设为1.0％～2.0％。
铝合金中的P含量优选为3.0％以下，更优选为2.0％以下，进一步优选为1.0％以下。铝合金中的P含量的下限没有特别限定，可以为0质量％以上。铝合金也可以不含有P。另外，在铝合金含有P的情况下，可以将P含量设为0.1％～2.0％。
铝合金中的Si含量优选为3.0％～20.0％，更优选为5.0％～17.0％，进一步优选为7.0％～16.0％，特别优选为8.0％～15.0％。
通过铝合金含有Si，能够提高造型性。
铝合金中的Cu含量优选为0.1％～10.0％，更优选为0.5％～8.0％，进一步优选为1.0％～7.0％，特别优选为3.0％～5.0％。
铝合金中的Mn含量优选为0.1％～1.0％，更优选为0.2％～0.8％，进一步优选为0.3％～0.5％。
铝合金中的Mg含量优选为0.1％～3.0％，更优选为0.2％～2.0％，进一步优选为0.3％～1.0％，特别优选为0.4％～0.8％。
铝合金中的Ni含量优选为5.0％以下，更优选为3.0％以下，进一步优选为2.0％以下，特别优选为1.5％以下。铝合金中的Ni含量的下限没有特别限定，可以为0质量％以上。铝合金也可以不含有Ni。
铝合金中的Cr含量优选为2.0％以下，更优选为0.5％以下，进一步优选为0.3％以下，特别优选为0.1％以下。铝合金中的Cr含量的下限没有特别限定，可以为0质量％以上。铝合金也可以不含有Cr。
铝合金中的Zn含量优选为0.05％～3.0％，更优选为0.1％～2.0％，进一步优选为0.2％～1.0％。
铝合金中的Fe含量优选为0.5％～5.0％，更优选为0.7％～4.0％，进一步优选为1.0％～3.0％。
本发明的粉体金属材料的粒径没有特别限定，可以采用适合利用3D打印机的层叠造型用的公知的粒径(例如，用激光衍射式粒度分布测量装置测定的体积平均粒径(D50)为10μm～200μm等)。
本发明的粉体金属材料的制造方法没有特别限定，可以采用公知的方法(例如气体雾化法、等离子体雾化法、离心力雾化法等)。
[层叠造型方法]
本发明的层叠造型方法使用上述粉体金属材料，利用3D打印机进行造型。
本发明的层叠造型方法为3D打印造型，粉体金属材料通过激光或电子束的照射而熔融后的冷却速度快，因此能够使晶粒细化。
在本发明的层叠造型方法中，粉体金属材料熔融后的冷却速度优选为10
作为3D打印机，可以使用公知的打印机。
层叠造型的方式没有特别限定，例如优选为粉末床熔融结合法、指向能量堆积法等。
[造型物]
将本发明的粉体金属材料用3D打印机进行层叠造型而得到的造型物的晶粒的平均粒径优选为30μm以下，更优选为20μm以下，进一步优选为10μm以下。
通过本发明的层叠造型方法制造的造型物由于强度优异，因此例如能够用于汽车部件等各种用途。
【实施例】
以下，举出实施例和比较例对本发明进行更具体的说明，但本发明并不限定于这些实施例和比较例。
制作下述表1所示的组成的铝合金粉末(平均粒径：45μm)。在表1中，“Bal”表示“其余部分”。
实施例1～3的铝合金粉末通过气体雾化法制作。
比较例1的铝合金粉末使用作为一般材料市售的铝合金来制作。
使用3D打印机(EOS M290)对表1的实施例和比较例的铝合金粉末进行层叠造型，制造了造型物。
所使用的3D打印机的铝合金粉末熔融后的冷却速度为10
<晶粒粒径的测量>
对于得到的造型物，通过EBSD法(日立高新技术公司制造的扫描电子显微镜SU6600、牛津仪器科技公司制造的symmetry S2)观察显微组织，求出晶粒的平均粒径。
实施例1～3的晶粒的平均粒径为5μm。
比较例1的晶粒的平均粒径为70μm。
由上述结果可知，实施例1～3的铝合金粉末与比较例1的铝合金粉末相比，能够使晶粒细化。
＜强度的测量＞
由得到的造型物制作JIS4号试验片，使用万能试验机(岛津制作所制造的Autograph)，在23℃下进行拉伸试验。十字头速度为0.1mm/min。将试验片断裂时的应力作为拉伸强度(MPa)。结果示于表1的“强度(MPa)”一栏。
【表1】
由表1可知，实施例1～3的铝合金粉末与比较例1的铝合金粉末相比，能够制造强度更优异的造型物。
以上，对本发明的实施方式进行了说明，但本发明并不限定于上述实施方式，并且能够适当地进行变形、改良等。
本说明书中至少记载了以下事项。
(1)一种粉体金属材料，其用于3D打印造型，且由含有Ti、Zr和P中的至少一种的铝合金构成。
根据(1)，在3D打印造型中，能够通过晶粒细化实现高强度化。另外，由于能够使晶界的应力分散而防止裂纹的产生，因此还能够添加用于进一步高强度化的元素(例如Cu、Zn、Ni等)。
(2)根据(1)所述的粉体金属材料，其中，所述铝合金还含有Si、Mg、Zn、Fe、Ni以及Mn中的至少一种。
根据(1)，能够提高造型性。
(3)根据(1)或(2)所述的粉体金属材料，其中，所述铝合金以质量％计含有：
Ti：0.5％～3.0％，
Zr：3.0％以下，
P：3.0％以下，
Si：3.0％～20.0％，
Cu：0.1％～10.0％，
Mn：0.1％～1.0％，
Mg：0.1％～3.0％，
Ni：5.0％以下，
Cr：2.0％以下，
Zn：0.05％～3.0％，以及
Fe：0.5％～5.0％。
根据(3)，也能够将含有大量Fe和Zn等杂质的二次金属、含有大量杂质的再生材料作为原料进行制造，从降低制造时的二氧化碳排出量、节省资源和降低环境负荷的观点出发也是有贡献的。另外，能够活用再生块，并使再生块的杂质元素细化，从而能够有助于高强度化。
(4)一种层叠造型方法，其使用(1)至(3)中任一项所述的粉体金属材料，利用3D打印机进行造型。
根据(4)，能够使晶粒细化。
(5)根据(4)所述的层叠造型方法，其中，所述粉体金属材料熔融后的冷却速度为10
根据(5)，能够有效地使晶粒细化。