一种Sc/Zr改性的高模高强铝锂合金及其激光成形方法

摘要

本发明公开了一种Sc/Zr改性的高模高强铝锂合金及其激光成形方法，属于激光成形技术领域。首先，通过在铝锂合金中加入稀土元素Sc、Zr，得到改性粉末；由于Sc、Zr元素的添加，使得合金晶粒得到了细化，提高了合金强度、改善抗热裂性，显著解决了激光成形过程中铝锂合金易裂的问题。本发明公开了Sc/Zr改性的高模高强铝锂合金的激光成形方法，其激光成形工艺参数适用于合金成分符合名义成分范围的所有铝锂合金。获得最优性能工艺窗口，通过该方法制备的铝锂合金组织致密，没有热裂纹，且具有高强高模的优良性能。

权利要求

1.一种Sc/Zr改性的高模高强铝锂合金的激光成形方法，其特征在于，包括以下步骤：S1：原料粉体的准备

在铝锂合金中加入铸锭Sc与铸锭Zr，采用气雾化工艺进行上述Sc/Zr改性的高模高强铝锂合金粉体的制备，得到一种Sc/Zr改性的高模高强铝锂合金粉体，以质量百分比计，包括：1.8wt% 2.4wt%的Li；2.6wt% 3.3wt%的Cu；0wt% 0.05wt%的Mg；0.01wt% 0.05wt%的Ti；

~ ~ ~ ~

0wt% 0.15wt%的Fe；0wt% 0.10wt%的Si；0.65wt% 1.4wt%的Sc钪；0.25wt% 0.8wt%的Zr；余~ ~ ~ ~量为Al；所述铝锂合金为1460铝锂合金；所述铸锭Sc与铸锭Zr的质量比为（2 4）：1；

~

将Sc/Zr改性的高模高强铝锂合金粉体进行干燥处理，得到干燥后的Sc/Zr改性的高模高强铝锂合金粉体；

S2：激光成形

创建并编辑材料的数字图形文件，将数字图形文件利用分层软件进行切片，建立其层间的连接配合，设置每层层厚为30μm，搭接间距为0.01mm，利用干燥后的Sc/Zr改性的高模高强铝锂合金粉体进行激光成形，激光成形的激光功率为200W 360W，激光扫描速率为~

400mm/s 1200mm/s，完成后得到一种Sc/Zr改性的高模高强铝锂合金。

~

2.根据权利要求1所述的一种Sc/Zr改性的高模高强铝锂合金的激光成形方法，其特征在于，S1中，Sc/Zr改性的高模高强铝锂合金粉体的粉末粒径为15um 53um。

~

3.根据权利要求1所述的一种Sc/Zr改性的高模高强铝锂合金的激光成形方法，其特征在于，S1中，是在120°C 150°C下干燥3h 6h进行粉末干燥处理。

~ ~

4.根据权利要求1所述的一种Sc/Zr改性的高模高强铝锂合金的激光成形方法，其特征在于，S1中，一种Sc/Zr改性的高模高强铝锂合金粉体，以质量百分比计，包括：1.83wt%的Li；3.02wt%的Cu；0.002wt%的Mg；0.020wt%的Ti；0.06wt%的Fe；0.014wt%的Si；0.72wt%的Sc；0.19wt%的Zr；余量为Al。

5.根据权利要求1所述的一种Sc/Zr改性的高模高强铝锂合金的激光成形方法，其特征在于，S1中，一种Sc/Zr改性的高模高强铝锂合金粉体，以质量百分比计，包括：2.4wt%的Li；

2.95wt%的Cu；0.002wt%的Mg；0.036wt%的Ti；0.072wt%的Fe；0.0170wt%的Si；1.23wt%的Sc；

0.60wt%的Zr；余量为Al。

6.采用权利要求1 5中任意一项所述的一种Sc/Zr改性的高模高强铝锂合金的激光成~形方法制备得到的Sc/Zr改性的高模高强铝锂合金。

说明书

一种Sc/Zr改性的高模高强铝锂合金及其激光成形方法

技术领域

[0001] 本发明属于激光成形技术领域，具体涉及一种Sc/Zr改性的高模高强铝锂合金及其激光成形方法。

背景技术

[0002] 铝锂合金具有密度低、弹性模量高、比强度高等优点，在航空、航天等领域获得广泛应用，是航空航天工业中最理想的轻质高强结构材料之一。增材制造技术是近年来发展极为迅速的一种新型数字化精确控形、控性制造技术，与传统制造技术相比，该技术具有无模具，柔性化，材料利用率高等优点，最重要的是，这种先进制造技术为生产具有复杂内、外结构的精密零件提供了高效可行的解决方案。为满足苛刻轻量化、极端高性能需求，通过将轻质铝锂合金与增材制造技术综合运用，可获得革命性、颠覆性的工程应用效果。但当前铝锂合金增材制造工艺适应性极差，成形构件中存在大量冶金缺陷，无法取得工业应用的效果。

发明内容

[0003] 为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种Sc/Zr改性的高模高强铝锂合金及其激光成形方法，以解决现有技术中铝锂合金激光成形工艺适应性差，成形构件中存在较多冶金缺陷的问题。

[0004] 为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

[0005] 本发明公开了一种Sc/Zr改性的高模高强铝锂合金的激光成形方法，包括以下步骤：

[0006] S1：原料粉体的准备

[0007] 在铝锂合金中加入铸锭Sc与铸锭Zr，采用气雾化工艺进行上述Sc/Zr改性的高模高强铝锂合金粉体的制备，得到一种Sc/Zr改性的高模高强铝锂合金粉体，以质量百分比计，包括：1.8wt％～2.4wt％的Li；2.6wt％～3.3wt％的Cu；0wt％～0.05wt％的Mg；0.01wt％～0.05wt％的Ti；0wt％～0.15wt％的Fe；0wt％～0.10wt％的Si；0.65wt％～
1.4wt％的Sc；0.25wt％～0.8wt％的Zr；余量为Al；

[0008] 将Sc/Zr改性的高模高强铝锂合金粉体进行干燥处理，得到干燥后的Sc/Zr改性的高模高强铝锂合金粉体；

[0009] S2：激光成形

[0010] 创建并编辑材料的数字图形文件，将数字图形文件利用分层软件进行切片，建立其层间的连接配合，设置每层层厚为30μm，搭接间距为0.01mm，利用干燥后的Sc/Zr改性的高模高强铝锂合金粉体进行激光成形，激光成形的激光功率为200W～360W，激光扫描速率为400mm/s～1200mm/s，完成后得到一种Sc/Zr改性的高模高强铝锂合金。

[0011] 优选地，S1中，Sc/Zr改性的高模高强铝锂合金粉体的粉末粒径为15um～53um。

[0012] 优选地，S1中，铝锂合金为1460铝锂合金。

[0013] 优选地，S1中，铸锭Sc与铸锭Zr的质量比为(2～4)：1。

[0014] 优选地，S1中，是在120℃～150℃下干燥3h～6h进行粉末干燥处理。

[0015] 优选地，S1中，一种Sc/Zr改性的高模高强铝锂合金粉体，以质量百分比计，包括：1.83wt％的Li；3.02wt％的Cu；0.002wt％的Mg；0.020wt％的Ti；0.06wt％的Fe；0.014wt％的Si；0.72wt％的Sc；0.19wt％的Zr；余量为Al。

[0016] 优选地，S1中，一种Sc/Zr改性的高模高强铝锂合金粉体，以质量百分比计，包括：2.4wt％的Li；2.95wt％的Cu；0.002wt％的Mg；0.036wt％的Ti；0.072wt％的Fe；0.0170wt％的Si；1.23wt％的Sc；0.60wt％的Zr；余量为Al。

[0017] 本发明还公开了采用上述一种Sc/Zr改性的高模高强铝锂合金的激光成形方法制备得到的Sc/Zr改性的高模高强铝锂合金。

[0018] 与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

[0019] 本发明公开了一种Sc/Zr改性的高模高强铝锂合金的激光成形方法，首先，通过在铝锂合金中加入稀土元素Sc、Zr，得到改性粉末；铝基合金经Sc微合金化后，会形成与α‑Al在热力学上的平衡相Al3Sc‑L12相。α‑Al基体与Al3Sc‑L12相具有相似的晶体结构，且两相在室温下的晶格错配度仅为1.4％。因此，当其作为初生Al3Sc相领先基体α‑Al相凝固析出时，可以作为高效异质形核质点诱发等轴晶形成，从而细化晶粒、提高合金强度。细小的等轴晶具有良好的塑性，可适应凝固最后收缩阶段的应力；同时等轴晶具有较短的凝固补缩通道，使得液体填充更为容易，因此可以改善抗热裂性。此外，Zr元素的添加可以替换Al3Sc晶格中的部分Sc原子并进一步降低其与α‑Al基体之间的晶格错配度。因此，Al3(Sc,Zr)复合粒子是较Al3Sc粒子更加高效的异质形核核心。同时，经Sc/Zr复合微合金化后，由于Al3(Sc,Zr)粒子具有较Al3Sc粒子更低的形核能垒和更好的热稳定性，还可提高沉淀析出相体积分数，其沉淀强化效应更加显著解决了激光成形过程中铝锂合金易裂的问题。本发明公开了Sc/Zr改性的高模高强铝锂合金的激光成形方法，其激光成形工艺参数适用于合金成分符合名义成分范围的所有铝锂合金。获得最优性能工艺窗口，通过该方法制备的铝锂合金组织致密，没有热裂纹，且具有高强高模的优良性能。本发明中首先采用Al3(Sc,Zr)复合粒子引入形核剂的方法，在增材制造增大凝固界面前沿的异质形核位数，将形核剂引入熔池中，促进形核，细化组织的同时诱发CET转变形成等轴晶带，既能抑制裂纹的形成又能提升性能。

[0020] 优选地，在制粉过程中，加入铸锭钪(Sc)与锆(Zr)的质量比为(2～4)：1，以保持析出相的立方结构，具有低形核能垒和更好的热稳定性。

[0021] 本发明还公开了采用上述激光成形方法制备得到的Sc/Zr改性的高模高强铝锂合金，由于添加了稀土元素Sc、Zr，细化晶粒、提高合金强度以及改善抗热裂性解决了激光成形过程中铝锂合金易裂的问题，制备得到Sc/Zr改性的高模高强铝锂合金的组织致密，没有热裂纹，模量>80.0E/Gpa，抗拉强度为395.0UTS/MPa～566.3UTS/MPa，具有高强高模的优良性能。

附图说明

[0022] 图1为实施例1制备得到的Sc/Zr改性的高模高强铝锂合金的金相组织图；

[0023] 图2为对比例1制备得到的1460铝锂合金的金相组织图。

具体实施方式

[0024] 为使本领域技术人员可了解本发明的特点及效果，以下谨就说明书及权利要求书中提及的术语及用语进行一般性的说明及定义。除非另有指明，否则文中使用的所有技术及科学上的字词，均为本领域技术人员对于本发明所了解的通常意义，当有冲突情形时，应以本说明书的定义为准。

[0025] 本文描述和公开的理论或机制，无论是对或错，均不应以任何方式限制本发明的范围，即本发明内容可以在不为任何特定的理论或机制所限制的情况下实施。

[0026] 本文中，所有以数值范围或百分比范围形式界定的特征如数值、数量、含量与浓度仅是为了简洁及方便。据此，数值范围或百分比范围的描述应视为已涵盖且具体公开所有可能的次级范围及范围内的个别数值(包括整数与分数)。

[0027] 本文中，若无特别说明，“包含”、“包括”、“含有”、“具有”或类似用语涵盖了“由……组成”和“主要由……组成”的意思，例如“A包含a”涵盖了“A包含a和其他”和“A仅包含a”的意思。

[0028] 本文中，为使描述简洁，未对各个实施方案或实施例中的各个技术特征的所有可能的组合都进行描述。因此，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，各个实施方案或实施例中的各个技术特征可以进行任意的组合，所有可能的组合都应当认为是本说明书记载的范围。

[0029] 下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

[0030] 实施例1

[0031] 一种Sc/Zr改性的高模高强铝锂合金的激光成形方法，包括以下步骤：

[0032] S1：原料粉体的准备

[0033] 在1460铝锂合金中加入铸锭Sc与铸锭Zr，铸锭Sc与铸锭Zr的质量比为4：1，采用气雾化工艺进行上述Sc/Zr改性的高模高强铝锂合金粉体的制备，得到一种Sc/Zr改性的高模高强铝锂合金粉体；以质量百分比计，其成分为1.83wt％的Li；3.02wt％的Cu；0.002wt％的Mg；0.020wt％的Ti；0.06wt％的Fe；0.014wt％的Si；0.72wt％的Sc；0.19wt％的Zr；余量为Al；

[0034] Sc/Zr改性的高模高强铝锂合金粉体的粉末粒径为15um～53um；

[0035] 将Sc/Zr改性的高模高强铝锂合金粉体在120℃干燥6h，得到干燥后的Sc/Zr改性的高模高强铝锂合金粉体；

[0036] S2：激光成形

[0037] 创建并编辑材料的数字图形文件，将数字图形文件利用分层软件进行切片，建立其层间的连接配合，设置每层层厚为30μm，搭接间距为0.01mm，利用干燥后的Sc/Zr改性的高模高强铝锂合金粉体进行激光成形，激光成形的激光功率为200W，激光扫描速率为1200mm/s，完成后得到Sc/Zr改性的高模高强铝锂合金；

[0038] 实施例2

[0039] 一种Sc/Zr改性的高模高强铝锂合金的激光成形方法，包括以下步骤：

[0040] S1：原料粉体的准备

[0041] 在1460铝锂合金中加入铸锭Sc与铸锭Zr，铸锭Sc与铸锭Zr的质量比为2：1，采用气雾化工艺进行上述Sc/Zr改性的高模高强铝锂合金粉体的制备，得到一种Sc/Zr改性的高模高强铝锂合金粉体；以质量百分比计，其成分为：2.4wt％的Li；2.95wt％的Cu；0.002wt％的Mg；0.036wt％的Ti；0.072wt％的Fe；0.0170wt％的Si；1.23wt％的Sc；0.60wt％的Zr；余量为Al；

[0042] Sc/Zr改性的高模高强铝锂合金粉体的粉末粒径为15um～53um；

[0043] 将Sc/Zr改性的高模高强铝锂合金粉体在150℃干燥3h，得到干燥后的Sc/Zr改性的高模高强铝锂合金粉体；

[0044] S2：激光成形

[0045] 创建并编辑材料的数字图形文件，将数字图形文件利用分层软件进行切片，建立其层间的连接配合，设置每层层厚为30μm，搭接间距为0.01mm，利用干燥后的Sc/Zr改性的高模高强铝锂合金粉体进行激光成形，激光成形的激光功率为200W，激光扫描速率为1000mm/s，完成后得到Sc/Zr改性的高模高强铝锂合金。

[0046] 实施例3

[0047] 与实施例1不同的是，S1中，铸锭Sc与铸锭Zr的质量比为2：1，得到一种Sc/Zr改性的高模高强铝锂合金粉体；以质量百分比计，其成分为为2.04wt％的Li；2.69wt％的Cu；0.05wt％的Mg；0.05％的Ti；0.012wt％的Fe；0.1wt％的Si；1.4wt％的Sc；0.5wt％的Zr；余量为Al；干燥是在120℃干燥4.5h进行粉末干燥；

[0048] S2中，激光成形的激光功率为360W，激光扫描速率为800mm/s，其他步骤和参数均于实施例1相同，得到Sc/Zr改性的高模高强铝锂合金。

[0049] 实施例4

[0050] 与实施例1不同的是，S1中，干燥是在130℃干燥5h进行粉末干燥；

[0051] S2中，激光成形的激光功率为300W，激光扫描速率为1000mm/s，其他步骤和参数均于实施例1相同，得到Sc/Zr改性的高模高强铝锂合金。

[0052] 实施例5

[0053] 与实施例1不同的是，S1中，铸锭Sc与铸锭Zr的质量比为2.5：1，得到一种Sc/Zr改性的高模高强铝锂合金粉体；以质量百分比计，其成分为1.94wt％的Li；2.63wt％的Cu；0.0019wt％的Mg；0.02％的Ti；0.083wt％的Fe；0.018wt％的Si；0.65wt％的Sc；0.25wt％的Zr；余量为Al；其他步骤和参数均于实施例1相同，得到Sc/Zr改性的高模高强铝锂合金。

[0054] 对比例1

[0055] 一种1460铝锂合金的激光成形方法，包括以下步骤：

[0056] S1：原料粉体的准备

[0057] 将1460铝锂合金中采用气雾化工艺进行粉末制备，得到1460铝锂合金粉体；其成分为2.84wt％的Li；2.94wt％的Cu；0.018wt％的Mg；0.006wt％的Ti；0.06wt％的Fe；0.39％的Si；0.24wt％的Sc；0.12wt％的Zr；余量为Al；

[0058] 1460铝锂合金粉体的粉末粒径为15um～53um；

[0059] 将1460铝锂合金粉体在120℃干燥3h，得到干燥后1460铝锂合金粉体；

[0060] S2：激光成形

[0061] 激光成形制备流程与实施例1完全一致，所选的激光成形的激光功率为200W，激光扫描速率为100mm/s，设置每层厚度为30μm，搭接间距为0.01mm，完成后得到1460铝锂合金。

[0062] 表2所示为对比例1460铝锂合金与实施例1、实施例2制备得到的Sc/Zr改性的高模高强铝锂合金的力学性能数据，由表2可以看到SC、Zr改性后的高模高强铝锂合金具有高的模量和高的抗拉强度。

[0063] 表2 高模高强铝锂合金弹性模量、强度性能

[0064]

[0065] 图1为实施例1制备得到的Sc/Zr改性的高模高强铝锂合金的金相组织图；

[0066] 图2为对比例1制备得到的1460铝锂合金的金相组织图。由图1、图2可以看到，经SC、Zr改性后的组织中则没有出现裂纹，且晶粒更细小。未经成分设计的的组织中存在大量平行于沉积方向的裂纹。

[0067] 以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。