[发明专利]一种增材制造专用稀土改性高强铝合金粉体

说明书

技术领域

本发明涉及一种增材制造专用稀土改性高强铝合金粉体，属于铝合金粉末材料制备领域。

背景技术

增材制造(Additive Manufacturing)技术是一种累加制造技术，即通过一层一层叠加打印的方式来构建三维物体，可实现具有复杂几何形状实体的高效率高质量一体化成形，特别适用于航空航天领域复杂异型构件的成形制备。而且由于该技术局部高速熔凝的成形特点，可避免传统工艺中添加元素难以实现均匀分布且易伴随缩孔缩松等冶金缺陷的弊端，提高制件综合性能。该技术的第一步为设计三维数字模型文件，再通过软件将三维信息离散为一定数量的层状数据，借助3D打印机，使用特定金属粉末材料、专用蜡材或丝状高分子聚合物，将材料一层层熔化然后粘结起来实现三维实体的直接制造。

铝合金是工业中应用最为广泛的一类有色金属材料之一，适用于航空、航天、汽车、船舶、化工等行业。工业的飞速发展，对当代铝合金的性能提出了更高的要求，如高强度、高硬度、耐腐蚀等。

将铝合金粉末用于增材制造技术，是提高铝合金粉末应用范围的一种有效途径。但实际应用时，面向增材制造技术的专用铝合金粉末设计与制备一向是增材制造原材料供给行业面临的关键难题之一，这是因为以粉床铺放为基础的增材制造技术对金属粉末提出了很高的要求：1、对粉末粒径大小要求高且要求粒径分布均匀；2、对粉末成分要求高，因为增材制造过程中不再额外添加其他辅助材料，粉末成分的设计与配比是直接影响制件性能的核心因素之一；3、粉末球形度要求高，因为以粉床铺放为基础的增材制造技术每一层的加工高度为微米级(常为30-80μm)，只有具备高球形度的小粒径金属粉末才能实现粉末在加工基板上的均匀铺放。

为实现这些要求，通常会在铝合金基体中添加微量元素促使内部形成细小析出相，并可同步改善铝合金的内部组织结构，细化晶粒，抑制微裂纹形成，提高综合性能。在这一操作中，添加稀土元素最为常见，效果也最为显著。但稀土元素种类繁多，选择合适的稀土元素，同时优化各元素的质量配比是决定微量元素对Al合金粉末强化效应的关键挑战。过少的稀土元素以及其他基体元素无法实现对Al合金的增强目的；过多的稀土元素以及其他基体元素，由于各元素之间的热物性差异带来的传热差异，在激光加工过程中极易引起局部热累积及后续的热应力累积，进而引起裂纹、变形等缺陷。

(1)现有技术中在铝合金基体中添加微量元素，主要是用于铝合金块体的制备，常存在元素混合不均，成分偏析较为严重，材料性能各部分差异性较大的缺陷，以造成材料在承载过程中局部失效，进而影响材料整体的使用性能。由于激光增材制造技术逐层局部成形的加工特点，对原材料粉体要求高，不仅要求粉体具有高度的球形度以实现粉体在加工过程中的均匀铺放，同时要求粉体内部成分均一以避免粉体在细小熔池内熔化时因局部成分差异而引起局部组织-性能异常。区别于传统加工技术，不均匀的材料成分缺陷将在激光增材制造过程中被大幅度放大，极大程度上影响成形件的整体使用性能，使得铝合金粉末的激光增材制造产品性能得不到保障。基于以上分析，制粉原材料按照设计的质量比秤取后，选择合适的球磨参数极为重要。球磨过程不仅可以有效混合各元素，同时能够进一步碎化原材料，进一步增加粉末的混合均匀度。在球磨过程中，各材料之间、材料与磨球之间剧烈的相互撞击可实现元素在不同材料之间的扩散、渗透，从元素尺度实现材料的进一步均匀混合。另外，选入的稀土元素(Sc、Ce、La、Nd和Yb)及配比可实现协同改善合金物理化学性能的目的，在一定程度上提高Al合金导电性、导磁性，光学性能，为激光增材制造高性能功能材料提供巨大潜力；可有效提高合金的高温耐腐蚀性、高温耐摩擦性等高温性能，极大地扩大了Al合金材料的使用范围。适量Mg、Ti、Zn的加入可有效提高Al合金材料的基体强度，有效承担和传递载荷；同时这些元素的加入可提高材料在室温下的耐腐蚀性、耐摩擦性及室温强度。Al粉体材料对激光极低的吸收率(9％，远低于Ti 59％、Fe 45％)极大限制了Al合金粉体的激光可加工性，而Zr、SC及其他的稀土元素的添加可有效提高Al合金粉体对激光的吸收能力，提高Al合金粉体的激光适用性。

发明内容

本发明针对以上要求，提供一种增材制造专用稀土改性高强铝合金粉体及其制备方法。通过向铝合金基体中添加稀土元素及铝合金内部其他元素优化配比的方法，可有效提高增材制造铝合金制件的综合性能，加工过程粉床实现均匀铺放。

为实现以上的技术目的，本发明将采用以下的技术方案：一种增材制造专用稀土改性高强铝合金粉体，包括如下质量百分含量的各物质：