[发明专利]一种3D打印铝锂合金及其应用

说明书

本发明涉及3D打印金属材料领域，尤其涉及一种3D打印铝锂合金及其应用，其元素配比以质量百分比计包括：Li 2.1～3.5％、Zn3.5～6.8％、Cu 1.8～2.5％、Mg 1.8～3.0％、Zr 0.05～0.15％、Fe0.05％、Si0.05％、Na0.001％、Ca0.001％、H0.001％、余量为Al，本发明的3D打印铝锂合金具有高合金化特征，兼具合金经济性、轻量化和适应3D打印性能，其能够用于打印航空航天领域轻质金属结构件，尤其实现了利用粉末床电子束3D打印技术制作飞行器构件中的应用。

技术领域

本发明涉及3D打印金属材料领域，尤其涉及一种3D打印铝锂合金及其应用。

背景技术

航天航空飞行器产品的轻质特性对于其发展和应用至关重要，如动力系统不变的情况下，火箭自身重量每减少1公斤，可节省近10万元的发射成本；导弹每减少1公斤，可增加15公里的射程。随着国内外航空航天领域如大飞机、载人航天、登月探火、空间站、货运飞船、新一代武器装备等重大工程的发展，轻量化材料及其制备技术更新迭代也迫在眉睫。铝-锂合金是全球公认的最理想的轻量化结构材料，潜在经济效益极大，许多国家对铝-锂合金开发和研究极为重视。然而，当前却面临以下几个突出问题：(1)当前在用所有铝-锂合金均为变形合金，需结合锻造、轧制、挤压等塑性成形工艺，暂无真正的铸造铝-锂合金，无法用于制备航空航天器中结构复杂的构件，如带有加强筋、不规则通道、变截面、凹凸台等产品。(2)为了追求综合性能，新一代(第三代)铝-锂合金降低锂的含量，合金密度大于2.7g/cm³，相比其他铝合金优势不够明显。(3)当前铝-锂合金生产线流程长，产品制备周期长，技术难点多，产品质量控制难，难以适应航空航天小批量多品种特性。(4)我国在铝-锂合金常规冶炼工艺方面核心技术未完全掌握，可实现铝-锂合金产业化的生产线均来自国外，当前还没有完全自主可控的铝-锂合金产品生产线。

3D打印是一种先进的数字化制造技术，以数字模型为基础，运用粉末或丝材，通过逐层打印的方式来成形产品的技术。该技术不但克服了传统减材制造导致的损耗，而且使产品制造更智能、更精准、更高效，尤其在涉及复杂形状产品的高端制造，显示出巨大优越性。近年来，我国3D打印技术高速发展，已经具备高端产品制造能力。显然，采用3D打印技术制备铝-锂合金，能够解决航空航天器中结构复杂构件无法制备问题、产品制备周期长质量控制难问题和无自主可控生产线问题等。但是，当前所有铝-锂合金均为变形合金，具有晶粒粗大且为树枝晶、合金元素多而复杂且易偏析、固液相线区间宽凝固收缩大等特点，凝固过程中易产生疏松、缩孔、热裂等铸造缺陷，无法采用3D打印技术生产合格产品。

一种3D打印铝-锂合金、其制备方法及其零件打印方法(公开号CN 110144502A)中，公开了铝-锂合金成分为Li：0.5～2％；Cu：2.5～5.0％；Mg：0.3～1.2％；Ag：0.2～0.8％；Cr：0.06～0.1％；Zr：0.1～0.5％；Y：0.08～0.14％；Er：0.02～0.08％；Sc：0.1～0.5％；Ru：0.02～0.08％；Ti：0.1～1.5％；余量为Al。显然该成分含有大量贵重元素和稀土元素Ag、Y、Er、Sc和Ru，原材料成本高，元素种类多，合金密度高；再则，从合金元素看，该合金属于变形合金，铸造性能较差。该合金通过3D打印会出现很多铸造缺陷，但该专利未对打印件质量进行评价，从该专利中图1看出，其组织为粗大树枝晶，也证实该合金铸造性能不好，易产生铸造缺陷。该专利所公开的制备方法为：真空熔炼制备坯料，采用气雾化法制备合金粉末，对粉末进行干燥、过筛、保温处理，然后采用激光3D打印。由于激光3D打印需要的粉末较细，就目前气雾化制粉法，所制备的粉末用于激光3D打印的收得率太低。铝合金密度低，在激光3D打印中容易扬粉，不易控制，铝-锂合金密度更低，更难控制，且该专利中铝-锂合金强度较高，在打印过程中冷却太快，凝固应力较大，易开裂。所以该专利所述激光3D打印该铝-锂合金存在材料自身特性短板和技术难题，其材料和制备方法不适合用于3D打印高要求的飞行器构件。