适用激光直接能量沉积的元素补偿7075粉末及成形方法

本发明属于金属增材制造，涉及一种适用激光直接能量沉积的元素补偿7075粉末及成形方法。

背景技术：

1、7075 铝合金属于 al-zn-mg-cu 系超高强铝合金，是强度最高的变形铝合金，具有比强度高、韧性好、耐腐蚀等优异性能，广泛应用于航空航天、轨道交通等领域的关键承力结构件制造。

2、激光定向能量沉积(lded，laser directed energy deposition)，又称激光熔覆沉积、直接激光沉积，是金属增材制造技术体系中的核心工艺。其技术原理为：以高功率激光束为能量源，同步向激光聚焦区域输送金属粉末或丝材，使材料在基板或已沉积层表面快速熔化形成液态熔池，随激光头按预设路径扫描移动，熔池快速凝固并逐道、逐层堆积，最终实现三维实体构件的近净成形。

3、铝合金普遍存在高激光反射率、高热导率的特性，导致lded工艺能量耦合效率偏低，熔池热量扩散快、形态稳定性差，同时铝基体化学性质活泼，易形成高熔点氧化膜并卷入熔池，引发夹杂、道间熔合不良等缺陷，这是所有铝合金lded成形的共性技术瓶颈。此外，7075 凝固温度区间宽，晶界易富集低熔点共晶相，在 lded 逐层热累积产生的内应力作用下，热裂纹敏感性远高于普通铝合金，同时熔池内大温度梯度易催生粗大定向柱状晶，造成显著的组织各向异性与力学性能不均，进一步制约构件的服役可靠性，同时由于zn和mg元素的沸点较低，远低于熔池的温度，在打印过程中会剧烈蒸发，导致熔池的成分偏离7075合金的国标设计成分，使得最终零件中孔隙率高，成形质量和性能较差，因此7075铝合金激光定向能量沉积试样的工艺窗口较窄，难以获得性能良好的零件。

4、为了提高7075铝合金增材制造性能，现有技术中，通常采用添加增强颗粒、基板预热、优化扫描策略等手段改善 7075 铝合金增材制造质量，但效果有限且存在工艺复杂度高、成本增加等问题，且容易引入其他问题，比如添加增强颗粒会引入脆性夹杂物，导致成形后的零件强度下降。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种适用激光直接能量沉积的元素补偿7075粉末及成形方法，以解决7075铝合金在激光直接能量沉积过程中因zn、mg元素烧损导致成分偏离、成形件孔隙率高、晶粒粗大及力学性能不佳的技术问题。

2、为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

3、第一方面，本发明提供一种适用激光直接能量沉积的元素补偿7075粉末，所述元素补偿7075粉末的化学成分以质量百分比计包括：zn11.3%~13.6%、mg3.5%~4.8%，余量为铝和不可避免的杂质；所述元素补偿7075粉末的粒径范围为53μm~150μm。

4、第二方面，本发明提供一种适用激光直接能量沉积的元素补偿7075粉末的成形方法，采用元素补偿7075粉末进行激光直接能量沉积成形，包括以下步骤：

5、s1：将所述元素补偿7075粉末进行真空干燥预处理；

6、s2：对基板进行预处理；

7、s3：向激光直接能量沉积设备的成形区域通入保护气体，使所述成形区域内的氧含量低于100ppm；

8、s4：开启激光熔覆头和送粉器，通过载粉气体将预处理后的所述元素补偿7075粉末输送至激光聚焦位置，调整激光与粉末的汇聚点位于所述基板表面，形成稳定熔池；

9、s5：控制所述激光熔覆头在所述基板上按预设扫描轨迹进行多层循环沉积，每沉积完一层执行停光处理，所述停光处理的停光时间和停光频次根据沉积路径类型确定，直至零件成形完成。

10、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

11、本发明提供一种zn、mg元素含量高于国标标准的元素补偿7075粉末（zn 11.3%~13.6%，mg 3.5%~4.8%），在lded沉积过程中，尽管zn、mg元素会发生剧烈蒸发，但由于粉末中这两种元素的初始含量已进行预补偿，使得熔池在沉积过程中的实时合金成分能够稳定地符合7075合金的国标设计成分，最终成形零件的成分满足标准要求。

12、本发明通过对7075粉末进行真空干燥及基板预处理以排除杂质与氧化层干扰，继而在氧含量低于100 ppm的氩气保护氛围中，利用载粉气体将粉末精准输送至激光聚焦位置形成稳定熔池，并结合多层循环沉积与每层停光的间歇式工艺，不仅从源头上保障了熔池的纯净度与成形稳定性，还通过层间停光有效调控了热输入与热累积，从而在无需依赖具体工艺参数数值的条件下，即能从根本上抑制成形过程中的氧化、飞溅及热裂纹倾向，显著提升零件的致密度与成形质量。

1.适用激光直接能量沉积的元素补偿7075粉末，其特征在于，所述元素补偿7075粉末的化学成分以质量百分比计包括：zn11.3%~13.6%、mg3.5%~4.8%，余量为铝和不可避免的杂质；所述元素补偿7075粉末的粒径范围为53μm~150μm。

2.根据权利要求1所述的适用激光直接能量沉积的元素补偿7075粉末，其特征在于，所述元素补偿7075粉末为球形粉末，通过气雾化法制备得到。

3.适用激光直接能量沉积的元素补偿7075粉末的成形方法，其特征在于，采用如权利要求1或2所述的元素补偿7075粉末进行激光直接能量沉积成形，包括以下步骤：

4.根据权利要求3所述的适用激光直接能量沉积的元素补偿7075粉末的成形方法，其特征在于，所述s1中，所述真空干燥的温度为120℃~150℃，所述真空干燥的时间为2h~3h。

5.根据权利要求3所述的适用激光直接能量沉积的元素补偿7075粉末的成形方法，其特征在于，所述s2中，所述基板为alsi10mg基板，所述预处理为对所述基板表面进行打磨以去除氧化层，之后采用无水乙醇进行清洗。

6.根据权利要求3所述的适用激光直接能量沉积的元素补偿7075粉末的成形方法，其特征在于，所述s4中，所述送粉器的送粉量为3.5g/min~6.5g/min；所述激光直接能量沉积过程中，采用氩气作为保护气体和载粉气体。

7.根据权利要求3所述的适用激光直接能量沉积的元素补偿7075粉末的成形方法，其特征在于，所述s5中，所述激光直接能量沉积的工艺参数包括：激光功率为1200w~1800w，激光光斑直径为3mm，所述激光熔覆头的扫描速度为9mm/s~18mm/s，相邻扫描轨道的重叠率为50%，所述激光熔覆头每完成一层沉积后的抬升量为0.1mm~0.2mm。

8.根据权利要求7所述的适用激光直接能量沉积的元素补偿7075粉末的成形方法，其特征在于，当所述相邻扫描轨道的重叠率为50%时，所述激光熔覆头的偏移量为1.4mm~1.5mm。

9.根据权利要求3所述的适用激光直接能量沉积的元素补偿7075粉末的成形方法，其特征在于，所述s5中，所述停光处理的具体操作为：

10.根据权利要求3所述的适用激光直接能量沉积的元素补偿7075粉末的成形方法，其特征在于，所述s5之后，还包括步骤s6：沉积打印结束后，依次关闭激光、保护气体及粉末输送。