消除激光选区熔化增材制造2024铝合金微裂纹的方法与流程

1.本发明属于增材制造技术领域，更具体地，涉及一种消除激光选区熔化增材制造2024铝合金微裂纹的方法。


背景技术：

2.铝合金是仅次于钢的第二大金属，具有密度小、可强化、易加工、耐腐蚀、良好的导热性、导电性等特性，是工业发展的重要基础材料。其中，2024铝合金是以铜、镁、锰为主要合金元素的典型结构材料，可以进行热处理强化，以获得较其它类型铝合金更高的强度，属于硬铝合金，常应用于航空航天中机身、下机翼表面、发动机挡板等。
3.近年来，增材制造技术得到快速发展，从最开始的仅适用于各类原型的快速制造，到如今应用于航空航天、生物医疗、交通运输等领域，有着广阔发展前景。作为一种典型增材制造技术，激光选区熔化基于离散/堆积的原理以及激光焊接技术，通过计算机辅助设计，对需要打印的模型进行切片，在二维平面内激光扫描使粉末材料局部熔化，由点及线、由线及面、层层堆积，将连续的轨道和层以冶金结合的形式粘合在一起，最终完成三维实体的成形。与传统的制造方法(如铸造、锻造、粉末冶金等)相比，激光选区熔化技术在结构复杂零件的轻量化制造、一体化成形中具有很大的优势，且其成形件具有成形精度高、表面粗糙度低、基本无需后处理等特点。
4.因此，采用激光选区熔化技术成形2024铝合金可以很好地满足航天航空领域对材料轻质高强、结构一体化成形的需求。然而，2024铝合金的凝固区间较宽(约为135℃)，在激光选区熔化成形时存在很高的微裂纹敏感性，严重恶化了强度，尚失了应用价值。已有研究团队采用球磨混粉方法将锆粉加入到2024铝合金粉中，在激光选区熔化成形过程中锆粉可有效抑制微裂纹的产生。但是，球磨混粉较难实现锆粉在铝合金粉中的均匀分布，不利于成形实体中微观组织的均匀形成。


技术实现要素：

5.针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种消除激光选区熔化增材制造2024铝合金微裂纹的方法及通过该方法增材制造得到的2024铝合金，其目的在于消除2024铝合金在成形过程中出现的微裂纹，提高2024铝合金的抗拉强度，通过将钇粉均匀混入2024铝合金粉中，由此解决2024铝合金的凝固区间较宽(约为135℃)，在激光选区熔化成形时存在很高的微裂纹敏感性，严重恶化了强度的技术问题。
6.为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种消除激光选区熔化增材制造2024铝合金微裂纹的方法，包括：将2024铝合金粉末与稀土钇粉末进行预混合，得到第一混合粉末；然后将所述第一混合粉末与2024铝合金粉末进行混合，并放置于球磨机中进行球磨处理，得到第二混合粉末；利用该第二混合粉末采用激光选区熔化方法进行增材制造，得到2024铝合金零部件。
7.优选地，所述第一混合粉末中2024铝合金粉末与钇粉末的质量之比为(0.8-1.2):
1。
8.优选地，所述钇粉末的纯度为99.9％，粒径为0.4-128μm。
9.优选地，所述预混合采用超声进行预混合，该超声为连续振动模式，超声功率为100w，作用时间为20-40min。
10.优选地，所述第一混合粉末的质量与所述第二混合粉末的质量之比为(0.018-0.066):1；所述混合粉末中钇粉末的含量为1～3wt％。
11.优选地，所述球磨处理的条件为球料比为1:1，放入球磨罐之后抽真空并充入氩气保护，球磨转速为200-400rpm，球磨时间为4-6h。
12.优选地，所述2024铝合金粉末的粒径为10-80μm，按质量百分含量计，该铝合金粉末的化学组成为：cu 3.8-4.9％，mg 1.2-1.8％，mn 0.3-0.9％，ti≤0.15％，fe≤0.5％，si≤0.5％，余量为al和不可避免的杂质元素。
13.优选地，所述利用该第二混合粉末采用激光选区熔化方法进行增材制造具体为：将第二混合粉末均匀铺展在基板上，形成混合粉末层；然后根据切片信息控制激光束扫描方式，选择性熔化粉末层，重复以上过程直至多个粉末层熔化堆积，最终得到2024铝合金零部件。
14.优选地，所述基板为铝合金基板，成形时，基板预加热温度为100-200℃；激光选区熔化过程中通入惰性保护气体，使工作腔内氧含量降低到50ppm以下；所述激光选区熔化的参数为：激光功率250-350w，扫描速度800-1800mm/s，扫描间距80μm，铺粉层厚30μm；所述激光扫描方式为分区扫描，每一粉末层的扫描区域为多个尺寸相同的方格，方格大小为1.5-5mm，扫描方向逐层偏转67
°
。
15.按照本发明的另一个方面，提供了一种2024铝合金。
16.总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，至少能够取得下列有益效果。
17.(1)由于2024铝合金的凝固区间较宽(约为135℃)，在激光选区熔化成形时存在很高的微裂纹敏感性，严重恶化了强度。本发明采用向2024铝合金粉末材料中添加钇粉末进行改性，使该铝合金粉末材料可以很好地应用于增材制造中，一方面，稀土钇的添加使激光选区熔化成形2024铝合金的晶粒由细长的、具有明显方向性的柱状晶部分转变为细小的、随机取向的等轴晶，细化了晶粒。另一方面，通过激光选区熔化技术得到的钇改性的2024铝合金实体基本不含裂纹且致密度可以达到99％，微观组织分布均匀且力学性能也明显优于传统铸态。
18.(2)本发明中采用了超声预混粉和球磨混粉的两步混粉工艺。首先采用超声方法预混粉可以抑制稀土钇粉之间的静电吸附效应，从而有效避免钇粉团聚，使钇粉能均匀混入2024铝合金粉中。然后采用球磨方法再将上述钇/2024铝合金混合粉与2024铝合金粉混合，最终实现钇粉与2024铝合金粉的均匀混合。而且通过球磨产生的机械力，可将钇粉粘附于2024粉表面，有利于后续成形过程中钇粉与2024粉发生冶金结合。
19.(3)本发明优选地采用了第一混合粉末中2024铝合金粉末与钇粉末的质量之比为(0.8-1.2):1，并优选地采用了所述第二混合粉末中钇粉末的含量为1～3wt％。钇粉末的加入量若过少，无法有效地避免裂纹的发生，而钇粉末的加入量若过多，难以实现增材制造的成形，并易出现多孔的现象。
20.(4)本发明的增材制造过程中显示了激光选区熔化技术固有的分层特征，但熔池之间仍然可以形成良好的冶金结合，保证层之间有足够的结合强度，成形件适合长期使用。
附图说明
21.图1a为本发明实施例1的2024铝合金/稀土钇复合粉体形貌。
22.图1b为本发明实施例1的2024铝合金/稀土钇复合粉体形貌铝元素分布图；
23.图1c为本发明实施例1的2024铝合金/稀土钇复合粉体形貌钇元素分布图；
24.图2a为本发明实施例1的2024铝合金的金相显微图；
25.图2b为本发明对比例1的2024铝合金的金相显微图；
26.图2c为本发明对比例2的2024铝合金的金相显微图；
27.图3为本发明实施例1的2024铝合金与对比例1的2024铝合金的拉伸应力应变对比图。
具体实施方式
28.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
29.实施例一：
30.本实施例提供一种消除激光选区熔化增材制造2024铝合金微裂纹的方法，该方法包括以下步骤：
31.s1：混合粉末制备
32.采用超声方法首先将2024铝合金粉末与稀土钇粉末按比例进行预混合，得到第一混合粉末；然后将第一混合粉末和2024铝合金粉末进行混合，并放置于球磨机中进行球磨处理，得到第二混合粉末。参见图1a、1b和1c，可以看出，稀土钇粉分布均匀，而且稀土钇粉与2024铝粉产生粘附效应。
33.s2：激光选区熔化增材制造
34.采用激光选区熔化技术对步骤s1所述第二混合粉末进行增材制造，首先将第二混合粉末均匀铺展在基板上，形成粉末层；然后根据切片信息控制激光束扫描策略，选择性熔化粉末层，重复以上过程直至多个粉末层熔化堆积，最终得到稀土钇改性的2024铝合金实体。
35.步骤s1中的2024铝合金粉末的粒径为12.7-76μm，d10为21.5μm，d50为32.4μm，d90为49.4μm，按质量百分含量计，该铝合金粉末的化学成分为：cu 3.94％，mg 1.67％，mn 0.78％，ti 0.03％，fe 0.26％，si 0.41％，余量为al和不可避免的杂质元素。
36.步骤s1中的稀土钇粉末的纯度为99.9％，尺寸为0.46-127μm，d10为9.72μm，d50为47.5μm，d90为92.3μm。
37.步骤s1中的超声方法采取连续振动模式，超声功率为100w，作用时间为30min。
38.步骤s1中的预混合中2024铝合金粉末与稀土钇粉末的质量之比为1:1。
39.步骤s1中的第一混合粉末的质量与第二混合粉末的质量之比为0.02:1。
40.步骤s1中的球磨处理的工艺为球料比为1:1，放入球磨罐之后抽真空并充入氩气保护，球磨转速为300rpm，球磨时间为5h。
41.步骤s1中的第二混合粉末中稀土钇的含量为1wt.％，且钇在混合粉末中均匀分布。
42.步骤s2中的增材制造工艺所用的基板为铝合金基板，成形时，基板预加热温度为200℃。
43.步骤s2中的激光选区熔化过程中需在设备工作腔内通入氩气惰性保护气体，使工作腔内氧含量降低到50ppm以下；激光选区熔化的参数为：激光功率300w，扫描速度1300mm/s，扫描间距80μm，铺粉层厚30μm。
44.步骤s2中的激光扫描策略采取分区扫描，每一粉末层的扫描区域被划分成多个尺寸相同的小方格，小方格尺寸3.5mm，扫描方向逐层偏转67
°
。
45.本实施例步骤s1得到的稀土钇与2024铝合金的混合粉末的sem形貌如图1a所示，铝(al)和稀土钇(y)元素分布如图1b和1c所示，发现稀土钇均匀分布于铝粉中。
46.本实施例成形的稀土钇改性的2024铝合金实体中没有裂纹且相对致密度为99％。参见图2a，本实施例成形的稀土钇改性的2024铝合金实体没有裂纹。
47.实施例二：
48.本实施例的一种消除激光选区熔化增材制造2024铝合金微裂纹的方法包括以下步骤：
49.s1：混合粉末制备
50.采用超声方法首先将2024铝合金粉末与稀土钇粉末按比例进行预混合，得到第一混合粉末；然后将第一混合粉末和2024铝合金粉末进行混合，并放置于球磨机中进行球磨处理，得到第二混合粉末。
51.s2：激光选区熔化增材制造
52.采用激光选区熔化技术对步骤s1所述第二混合粉末进行增材制造，首先将第二混合粉末均匀铺展在基板上，形成粉末层；然后根据切片信息控制激光束扫描策略，选择性熔化粉末层，重复以上过程直至多个粉末层熔化堆积，最终得到稀土钇改性的2024铝合金实体。
53.步骤s1中的2024铝合金粉末的粒径为12.7-76μm，d10为21.5μm，d50为32.4μm，d90为49.4μm，按质量百分含量计，该铝合金粉末的化学成分为：cu 3.94％，mg 1.67％，mn 0.78％，ti 0.03％，fe 0.26％，si 0.41％，余量为al和不可避免的杂质元素。
54.步骤s1中的稀土钇粉末的纯度为99.9％，尺寸为0.46-127μm，d10为9.72μm，d50为47.5μm，d90为92.3μm。
55.步骤s1中的超声方法采取连续振动模式，超声功率为100w，作用时间为30min。
56.步骤s1中的预混合中2024铝合金粉末与稀土钇粉末的质量之比为1:1。
57.步骤s1中的第一混合粉末的质量与第二混合粉末的质量之比为0.03:1。
58.步骤s1中的球磨处理的工艺为球料比为1:1，放入球磨罐之后抽真空并充入氩气保护，球磨转速为300rpm，球磨时间为5h。
59.步骤s1中的第二混合粉末中稀土钇的含量为1.5wt.％，且钇在混合粉末中均匀分布。
60.步骤s2中的增材制造工艺所用的基板为铝合金基板，成形时，基板预加热温度为200℃。
61.步骤s2中的激光选区熔化过程中需在设备工作腔内通入氩气惰性保护气体，使工作腔内氧含量降低到50ppm以下；激光选区熔化的参数为：激光功率350w，扫描速度1400mm/s，扫描间距80μm，铺粉层厚30μm。
62.步骤s2中的激光扫描策略采取分区扫描，每一粉末层的扫描区域被划分成多个尺寸相同的小方格，小方格尺寸1.5mm，扫描方向逐层偏转67
°
。
63.本实施例成形的稀土钇改性的2024铝合金实体中没有裂纹且相对致密度为99％。
64.实施例三：
65.本实施例的一种消除激光选区熔化增材制造2024铝合金微裂纹的方法包括以下步骤：
66.s1：混合粉末制备
67.采用超声方法首先将2024铝合金粉末与稀土钇粉末按比例进行预混合，得到第一混合粉末；然后将第一混合粉末和2024铝合金粉末进行混合，并放置于球磨机中进行球磨处理，得到第二混合粉末。
68.s2：激光选区熔化增材制造
69.采用激光选区熔化技术对步骤s1所述第二混合粉末进行增材制造，首先将第二混合粉末均匀铺展在基板上，形成粉末层；然后根据切片信息控制激光束扫描策略，选择性熔化粉末层，重复以上过程直至多个粉末层熔化堆积，最终得到稀土钇改性的2024铝合金实体。
70.步骤s1中的2024铝合金粉末的粒径为12.7-76μm，d10为21.5μm，d50为32.4μm，d90为49.4μm，按质量百分含量计，该铝合金粉末的化学成分为：cu 3.94％，mg 1.67％，mn 0.78％，ti 0.03％，fe 0.26％，si 0.41％，余量为al和不可避免的杂质元素。
71.步骤s1中的稀土钇粉末的纯度为99.9％，尺寸为0.46-127μm，d10为9.72μm，d50为47.5μm，d90为92.3μm。
72.步骤s1中的稀土钇粉末的质量与稀土钇粉末和2024铝合金粉末的总质量之比为0.03:1。
73.步骤s1中的超声方法采取连续振动模式，超声功率为100w，作用时间为30min。
74.步骤s1中的球磨处理的工艺为球料比为1:1，放入球磨罐之后抽真空并充入氩气保护，球磨转速为300rpm，球磨时间为5h。
75.步骤s1中的混合粉末中稀土钇的含量为3wt.％，且钇在混合粉末中均匀分布。
76.步骤s2中的激光选区熔化过程中需在设备工作腔内通入氩气惰性保护气体，使工作腔内氧含量降低到50ppm以下；激光选区熔化的参数为：激光功率250w，扫描速度1400mm/s，扫描间距80μm，铺粉层厚30μm。
77.步骤s2中的激光扫描策略采取分区扫描，每一粉末层的扫描区域被划分成多个尺寸相同的小方格，小方格尺寸2.5mm，扫描方向逐层偏转67
°
。
78.本实施例成形的稀土钇改性的2024铝合金实体的金相显微图如图2a所示，没有发现微裂纹，只有少量孔洞。稀土钇改性的2024铝合金实体的拉伸应力应变如图3所示，抗拉强度为265mpa。
79.对比例一：
80.采用激光选区熔化技术对2024铝合金粉末进行增材制造，首先将铝合金粉末均匀铺展在基板上，形成粉末层；然后根据切片信息控制激光束扫描策略，选择性熔化粉末层，重复以上过程直至多个粉末层熔化堆积，最终得到2024铝合金实体。
81.2024铝合金粉末的粒径为12.7-76μm，d10为21.5μm，d50为32.4μm，d90为49.4μm，按质量百分含量计，该铝合金粉末的化学成分为：cu 3.94％，mg 1.67％，mn 0.78％，ti 0.03％，fe 0.26％，si 0.41％，余量为al和不可避免的杂质元素。
82.增材制造工艺所用的基板为铝合金基板，成形时，基板预加热温度为200℃。
83.激光选区熔化过程中需在设备工作腔内通入氩气惰性保护气体，使工作腔内氧含量降低到50ppm以下；激光选区熔化的参数为：激光功率250w，扫描速度1400mm/s，扫描间距80μm，铺粉层厚30μm。
84.激光扫描策略采取分区扫描，每一粉末层的扫描区域被划分成多个尺寸相同的小方格，小方格尺寸2.5mm，扫描方向逐层偏转67
°
。
85.本对比例成形的2024铝合金实体的金相显微图如图2b所示，有微裂纹明显存在。2024铝合金实体的拉伸应力应变如图3所示，抗拉强度仅为26mpa，这是因为微裂纹导致了合金实体过早断裂。
86.对比例二
87.本对比例采用与实施例3相同的方法进行增材制造2024铝合金。不同之处在于，第二混合粉末中稀土钇的含量为5wt.％，加入过量的钇使样品难以致密化成形，样品中出现明显的孔洞缺陷，如图2c所示。
88.本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。