激光粉末床熔融Al-Si-Fe-Ti铝合金成形件的退火方法、制品及应用

本技术涉及增材制造铝合金热处理领域，具体地，涉及一种激光粉末床熔融al-si-fe-ti铝合金成形件的退火方法、制品及应用。

背景技术：

1、激光粉末床熔融（laser powder bed fusion，lpbf）技术可实现复杂铝合金构件的近净成形，在航空航天、新能源汽车、能源装备等领域具有重要应用价值。随着装备服役场景向中高温拓展，增材制造铝合金不仅需要较高的打印态强度，还需要在热暴露或后续热处理过程中保持稳定的组织和性能。

2、al-si系合金是目前lpbf铝合金中应用较成熟的体系，其快速凝固组织通常包含细小α-al胞状晶及胞间si富集网络。然而，传统al-si胞间网络在热暴露过程中容易发生粗化、球化或局部断裂，导致强度下降和承载稳定性降低。含sc、zr等元素的耐热铝合金虽然具有较好的热稳定性，但原料成本较高，限制了其大规模应用。

3、含fe的al-si-fe-ti铝合金在lpbf快速凝固过程中可形成晶体si壳层/富fe非晶芯层双层胞间骨架，为提高室温强度和利用高fe再生铝提供了新路径。但该类富fe非晶芯层属于热力学亚稳组织，在退火或中高温服役条件下可能发生结构弛豫、晶化和相粗化。若退火制度不合理，晶体si壳层可能扩散粗化，富fe芯层也可能失控晶化并形成板状或针状脆性相，从而破坏胞间骨架的连续性。

4、现有铝合金热处理工艺多针对传统晶态析出强化体系开发，难以直接适配具有晶体/非晶双层胞间骨架的lpbfal-si-fe-ti铝合金。

5、经检索，公开号为cn120464932a的专利申请公开了一种基于激光选区熔化成形技术制备al-si-fe系铝合金的方法。该方法将fe-b基非晶合金粉末与al-si系铝合金粉末混合后进行激光选区熔化成形，并对成形件进行140~170℃、2~48h的热处理以提高强度，或者进行300℃、2~2.5h的热处理以消除成形件内应力。

6、上述技术以外加fe-b基非晶合金粉末为原料，其退火处理主要用于提高合金强度或消除成形残余应力。上述技术不能解决晶体si壳层/al-fe-si-ti非晶芯层双层胞间骨架在后续热处理过程中发生不均匀晶化、si相粗化以及骨架连续性下降的问题，也不能通过退火制度的选择，使同一成分的合金分别获得高强耐热状态和高塑稳定状态。

技术实现思路

1、针对现有技术难以对晶体si壳层/al-fe-si-ti非晶芯层双层胞间骨架的热演化过程进行定向调控，导致退火后组织稳定性、强度和塑性难以兼顾的问题，本技术提供一种激光粉末床熔融al-si-fe-ti铝合金成形件的退火方法、制品及应用。

2、本技术的第一方面，提供一种激光粉末床熔融al-si-fe-ti铝合金成形件的退火方法，所述al-si-fe-ti铝合金成形件具有α-al基体以及围绕α-al胞状晶分布的连续双层胞间骨架，所述连续双层胞间骨架包括晶体si壳层与位于所述晶体si壳层内部的al-fe-si-ti非晶芯层；

3、所述退火方法包括：

4、将所述al-si-fe-ti铝合金成形件加热至目标退火温度，保温1.5~2.5h后水冷至室温；

5、其中，所述目标退火温度为200~300℃，获得所述非晶芯层发生结构弛豫的铝合金；或者，所述目标退火温度为400~500℃，获得所述非晶芯层发生晶化的铝合金。需要说明的是，300~400℃属于非晶芯层非均匀晶化的临界过渡区间：该温度下si原子扩散驱动力已显著提升，晶体si壳层开始出现明显粗化与局部断裂，失去对富fe芯层的约束作用；同时富fe非晶相的均匀形核率不足，破坏胞间骨架的连续性与协同强化效应，最终导致合金强度与长时热稳定性同步下降。因此本技术主动避开该临界区间，设置200~300℃与400~500℃两个功能明确的退火窗口，保障退火后组织性能的可控性。

6、具体的，目标退火温度为200~300℃，对应低温稳定化退火。该退火制度可促进富fe非晶芯层发生结构弛豫，并诱导少量细小弥散富fe纳米晶核形成，同时保持晶体si壳层和胞间骨架的连续性或半连续分布。通过该处理，可抑制si相快速粗化以及富fe相向粗大板状或针状脆性相转变，使合金在≤300℃的长期服役环境下仍保持较高室温强度。

7、所述目标退火温度为400~500℃，对应高温可控晶化退火。该退火制度可使富fe非晶芯层发生较充分晶化，转变为纳米级或亚微米级纳米富fe相，纳米富fe相沿原胞间骨架位置分布，同时降低成形件内部残余应力，提高合金塑性和组织稳定性，可控晶化退火后铝合金的室温延伸率不低于5.5%。

8、本技术以已形成晶体si壳层/富fe非晶芯层双层胞间骨架的al-si-fe-ti铝合金成形件为处理对象，通过调控退火温度和保温时间，使合金分别获得适用于中高温（≤300℃）承力服役的高强耐热状态，或适用于后续加工及尺寸稳定服役的高塑稳定状态，解决了现有激光粉末床熔融al-si-fe-ti铝合金在后续热处理及中高温服役过程中容易出现si相粗化、胞间骨架连续性下降以及富fe相异常长大的问题。

9、可选地，按质量百分比计，所述al-si-fe-ti铝合金成形件包括：si8.0~10.0wt%、fe3.0~6.0wt%、ti0.6~1.0wt%，杂质元素总量≤0.8wt%，余量为al。

10、si元素：在lpbf快速凝固过程中偏聚于胞晶边界，形成连续晶体si壳层，作为双层骨架的外层屏障；退火过程中，si壳层可限制富fe芯层的扩散长大，其自身粗化行为直接决定骨架的连续性与强化效果，是保障低温退火热稳定性的关键结构。

11、fe元素：是形成fe非晶芯层的核心元素，快速凝固下与si、ti、al共同富集于胞间形成非晶相；退火过程中，fe的扩散行为与非晶晶化动力学是分级调控的核心对象，fe含量直接决定非晶相体积分数与晶化后强化相的占比。

12、ti元素：可提高非晶相的形成能力与热稳定性，细化晶化后的富fe相，抑制其异常长大为脆性相，保障退火过程中骨架结构的均匀性，是实现可控晶化的重要辅助元素。

13、可选地，按质量百分比计，所述al-si-fe-ti铝合金成形件包括：si8.8~10.0wt%、fe3.5~4.2wt%、ti0.7~0.9wt%，杂质元素总量≤0.8wt%，余量为al。

14、可选地，所述将所述al-si-fe-ti铝合金成形件加热至目标退火温度，其中：升温速率为5~15℃/min；优选地，为10℃/min。

15、可选地，对于低温稳定化退火制度，将所述al-si-fe-ti铝合金成形件加热至200℃，保温2h后水冷至室温；或者，将所述al-si-fe-ti铝合金成形件加热至300℃，保温1.5~2h后水冷至室温。所得铝合金经300℃、100h长时热暴露测试后的室温抗拉强度保持率不低于85%。

16、可选地，对于高温可控晶化退火制度，将所述al-si-fe-ti铝合金成形件加热至400℃，保温2~2.5h后水冷至室温；或者，将所述al-si-fe-ti铝合金成形件加热至500℃，保温1.5~2h后水冷至室温。

17、可选地，所述al-si-fe-ti铝合金成形件的制备包括以下步骤：

18、将al-si系合金粉末、fe粉和ti粉进行球磨混合，得到混合粉末；

19、对所述混合粉末进行激光粉末床熔融成形，得到所述al-si-fe-ti铝合金成形件。

20、可选地，所述al-si系合金粉末为气雾化alsi10mg粉末，所述fe粉和所述ti粉的纯度均大于99.9%，所述al-si系合金粉末、所述fe粉和所述ti粉的粒径为15~53μm；

21、所述激光粉末床熔融成形的参数包括：激光功率250~350w，扫描速度800~1200mm/s，扫描间距0.07~0.12mm，铺粉层厚20~40μm，基板预热温度160~200℃，层间扫描方向旋转67°，成形过程在惰性气体保护气氛下进行。

22、与现有技术cn120464932a相比，本技术以具有晶体si壳层/al-fe-si-ti非晶芯层连续双层胞间骨架的成形件为处理对象：在200~300℃范围内，使非晶芯层以结构弛豫和局部纳米晶化为主，并保持胞间骨架的连续性；在400~500℃范围内，使非晶芯层发生较充分且相对均匀的可控晶化，形成纳米级或亚微米级富fe相。由此，可在不改变合金成分的情况下，分别获得适用于300℃及以下热暴露环境的高强耐热状态，以及适用于后续加工和尺寸稳定服役的高塑稳定状态。

23、根据本技术的第二方面，提供一种激光粉末床熔融al-si-fe-ti铝合金制品，其利用第一方面的方法制备得到，所述铝合金制品的微观组织包括α-al基体与连续双层胞间骨架；

24、所述退火方法的目标退火温度为200~300℃时，所述微观组织为：所述连续双层胞间骨架包括晶体si壳层与非晶-纳米晶复合富fe芯层；

25、所述退火方法的目标退火温度为400~500℃时，所述微观组织为：所述连续双层胞间骨架包括晶体si壳层与纳米级或亚微米级富fe相。本技术中，所述纳米级富fe相是指通过透射电镜图像测得的特征尺寸不大于100nm的富fe相；所述亚微米级富fe相是指特征尺寸大于100nm且小于1μm的富fe相。

26、经低温稳定化退火后，所述铝合金具有α-al基体、晶体si壳层和非晶-纳米晶复合富fe芯层组成的胞间骨架结构；经高温可控晶化退火后，所述铝合金具有α-al基体、晶体si相和纳米富fe相组成的连续或半连续胞间强化结构。

27、根据本技术的第三方面，提供一种第二方面的激光粉末床熔融al-si-fe-ti铝合金制品在中高温轻量化承力构件、新能源汽车热管理结构件、航空航天耐热构件或精密耐热结构件中的应用。

28、经200~300℃低温稳定化退火后，所述al-si-fe-ti铝合金可在300℃及以下温度长时服役，热暴露后仍保持较高抗拉强度，适用于中高温轻量化承力构件；经400~500℃高温可控晶化退火后，所述al-si-fe-ti铝合金延伸率提高，残余应力降低，适用于对尺寸稳定性和后续加工性能要求较高的精密耐热结构件。

29、针对具有晶体/非晶双层胞间骨架的lpbfal-si-fe-ti铝合金成形件，本技术提供一种分级调控退火方法，使其在低温退火时保持高强耐热状态，在高温退火时转变为高塑稳定状态，从而满足不同服役场景的需求。本技术并非简单采用常规退火消除应力，而是针对激光粉末床熔融al-si-fe-ti合金中特有的晶体si壳层/富fe非晶芯层双层胞间骨架，设置分级退火温度窗口，实现对胞间骨架热演化过程的定向调控。

30、在200~300℃低温稳定化退火条件下，能够在保持胞间双层骨架连续性的同时，促进富fe非晶芯层结构弛豫和局部纳米晶化，降低后续热暴露过程中si相粗化和富fe相异常长大的风险，使合金保持较高强度和较好的热稳定性。

31、在400~500℃高温可控晶化退火条件下，能够使富fe芯层转变为较均匀分布的纳米富fe相，并显著降低成形残余应力，从而提高材料塑性和组织稳定性，实现由高强耐热状态向高塑稳定状态的调节。

32、本技术仅通过退火温度和保温时间的调控，即可获得不同服役需求对应的组织状态和性能组合，无需改变合金成分，也无需添加sc、zr等贵重元素，工艺简单，成本较低，可直接适配现有激光粉末床熔融铝合金成形件。

33、本技术尤其适用于含fe铝合金或含fe再生铝的高值化利用，可将fe元素对应的胞间富集区域调控为稳定强化结构，适用于中高温轻量化承力构件、新能源汽车热管理结构件、航空航天耐热构件及精密耐热结构件。

34、本技术提供的激光粉末床熔融al-si-fe-ti铝合金成形件的退火方法，通过调控退火温度获得不同组织，使合金分别获得适用于中高温承力服役的高强耐热状态，或适用于后续加工及尺寸稳定服役的高塑稳定状态，本技术可以实现对激光粉末床熔融al-si-fe-ti合金的双层胞间骨架热演化过程的定向调控，工艺简单，可与现有激光粉末床熔融成形工艺兼容，适用于中高温轻量化承力构件、热管理结构件及含fe再生铝高值化构件的制备。

35、由附加特征带来的其他技术效果将在相应的实施例中进一步阐述。