一種選擇性激光熔化制備納米級球狀Si相Al-Si合金的方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種選擇性激光熔化制備納米級球狀Si相Al-Si合金的方法，設(shè)計(jì)成型零部件的CAD三維模型，轉(zhuǎn)換成可分切的數(shù)據(jù)格式STL文件，在三維模型的底部建立具有一定高度的支撐體，將三維模型連同支撐體分切成若干層，并對其進(jìn)行工藝參數(shù)設(shè)定，將數(shù)據(jù)及參數(shù)導(dǎo)入SLM設(shè)備；將密封裝置抽真空后充入惰性氣體進(jìn)行氣氛保護(hù)，將基板固定在可升降的工作臺上，送粉系統(tǒng)在基板上均勻鋪一層Al-Si合金粉末，根據(jù)導(dǎo)入?yún)?shù)激光選擇性地掃描相應(yīng)切層，將基板下降一個層的厚度，在基板上鋪一層新的Al-Si合金粉末再掃描直至各層完成。本發(fā)明無需模具，材料利用率高，可以提高Al-Si合金的力學(xué)性能及降低復(fù)雜形狀零部件的生產(chǎn)成本。
【專利說明】-種選擇性激光熔化制備納米級球狀Si相Al-Si合金的方 法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種利用選擇性激光熔化技術(shù)制備納米級球狀Si相Al-Si合金的方 法，屬于金屬材料【技術(shù)領(lǐng)域】。

【背景技術(shù)】
[0002] Al-Si合金是產(chǎn)量及用量最大的鑄造鋁合金，具有耐磨耐侵蝕性好，熱膨脹系數(shù) 低，比強(qiáng)度高，導(dǎo)熱性好等優(yōu)點(diǎn)，這使得Al-Si合金被廣泛應(yīng)用在汽車活塞、發(fā)動機(jī)組、缸 套、輪轂、軸承、軸瓦、曲軸箱等汽車零部件上。Al-Si合金的力學(xué)性能主要是由共晶Si在 A1基體中的形貌和分布決定的，鑄造Al-Si合金組織中通常會存在大量針狀或板片狀共晶 Si，甚至?xí)霈F(xiàn)粗大的塊狀初晶Si，這樣的組織會嚴(yán)重地割裂A1基體，降低Al-Si合金的機(jī) 械性能，尤其是韌性降低顯著，切削加工性能惡化。因此，國內(nèi)外學(xué)者紛紛開始研究共晶Si 和初晶Si的細(xì)化方法，以提高Al-Si合金的力學(xué)性能。Al-Si合金通?？梢岳米冑|(zhì)處理 來抑制Si相的生長，變質(zhì)處理后Al-Si合金組織中Si晶粒變細(xì)小，可使Al-Si合金的強(qiáng)度 和韌性顯著提高。1920年，A?Pacz首先發(fā)現(xiàn)了Na能夠使鑄造Al-Si合金中的共晶Si相 發(fā)生變質(zhì)而達(dá)到細(xì)化的效果，此后，Gweyer、Edwards也進(jìn)行了研究，確認(rèn)當(dāng)Na元素存在于 Al-Si合金熔體中時(shí)，Na原子以薄膜狀存在，由于Na不溶于A1基體中，所以Na會以薄膜狀 吸附在Si晶體表面，降低Si晶胚在液相中的移動能力，而吸附于A1晶粒表面的Na原子較 少，這樣就使得Si相生長速度低于A1相，促使A1相形核結(jié)晶速度領(lǐng)先于初生Si相，優(yōu)先 生長的A1相會很快將尚未長大的Si晶體包圍，從而限制了Si晶體的長大，起到細(xì)化晶粒 的作用。后來，研究人員還嘗試了添加其它元素，如Sr、Ba、Ca、Sb、Y、P、Re等來抑制Al-Si 合金中Si相的長大，達(dá)到細(xì)化晶粒的效果。盡管通過添加堿金屬元素及稀土元素對鑄造 Al-Si合金進(jìn)行變質(zhì)處理能夠在一定程度上抑制Al-Si合金中Si相的長大，起到細(xì)化晶粒、 提高力學(xué)性能的效果，但是變質(zhì)處理過程中加入的堿金屬元素和稀土元素也會給Al-Si合 金的生產(chǎn)制造帶來很大的弊端，如：加入Na、Sr等元素會降低Al-Si合金熔體的流動性，影 響其鑄造性能；堿金屬和稀土元素的加入也提高了Al-Si合金的生產(chǎn)成本，引起偏析等缺 陷，并且容易造成環(huán)境污染。因此，Al-Si合金的變質(zhì)處理在提高材料力學(xué)性能的同時(shí)也大 大制約了鑄造Al-Si合金的大規(guī)模生產(chǎn)應(yīng)用。Al-Si合金還不同于其他合金（如Fe、Ni、W 等合金），其熔煉、澆注過程中極易與氧氣發(fā)生反應(yīng)生成A1203夾雜物，導(dǎo)致凝固過程中產(chǎn)生 夾雜、氣孔、偏析等缺陷，從而影響其鑄件的致密度。
[0003] 此外，傳統(tǒng)的鑄造等成型工藝從鑄錠到機(jī)加工再到最后的實(shí)際零部件，需要多道 工序完成，且材料利用率較低，某些復(fù)雜零部件的材料利用率僅10 %左右，并且鑄造過程中 對模具的要求極高，對于一些復(fù)雜程度高的小型零部件甚至無法用鑄造方法來成型。因此， 開發(fā)一種高效的制備復(fù)雜形狀高性能Al-Si合金的方法無疑是至關(guān)重要的。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明是針對傳統(tǒng)方法制備Al-Si合金存在的問題，提供了一種利用選擇性激光 烙化（SelectiveLaserMelting,SLM)技術(shù)制備納米級球狀Si相Al-Si合金的方法。
[0005] 本發(fā)明采取的技術(shù)方案是：
[0006] -種選擇性激光熔化制備納米級球狀Si相Al-Si合金的方法，包括步驟如下：
[0007] (1)利用計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)所需成型零部件的CAD三維模型，并將其轉(zhuǎn)換成可分切的數(shù) 據(jù)格式STL文件，在三維模型的底部建立具有一定高度的支撐體，將三維模型連同支撐體 分切成具有一定厚度的若干層，并對其進(jìn)行工藝參數(shù)設(shè)定，將數(shù)據(jù)及參數(shù)導(dǎo)入SLM設(shè)備；
[0008] (2)在SLM設(shè)備中，將密封裝置抽真空后充入惰性氣體進(jìn)行氣氛保護(hù)，將基板固 定在可升降的工作臺上，送粉系統(tǒng)在基板上均勻鋪一層Al-Si合金粉末，鋪粉厚度20? 100um；
[0009] (3)根據(jù)導(dǎo)入?yún)?shù)激光選擇性地掃描相應(yīng)切層，工藝參數(shù)為：激光器功率80? 200W，激光停留時(shí)間20?120iis，激光掃描速度200?2000mm/s，激光掃描間距0. 05? 0. 2mm；
[0010] (4)將基板下降一個層的厚度，在基板上鋪一層新的Al-Si合金粉末；
[0011] (5)重復(fù)步驟（3)和（4)直至各層完成；
[0012] (6)收集成型零部件以外的松散金屬粉末，處理后備用，將成型好的零部件從基板 上取下。
[0013] 上述方法中，為了保證成型后的零部件易于從基板上取下及每一層成型后獲得最 佳的致密化，步驟（1)所述的支撐體高度2?5mm，每個分切層的厚度優(yōu)選20?100ym。
[0014] 步驟⑵所述的惰性氣體可選N2、Ar、He等，純度為99. 99%以上；所述的Al-Si 合金粉末采用惰性氣體霧化法制備的Al-Si合金粉末（購置于德國TLSTechnikGmbH公 司），其Al-Si合金顆粒如附圖1所示呈球形或近球形，直徑在20?60ym之間。粉厚度優(yōu) 選與切層厚度一致。
[0015] 本發(fā)明采用的Al-Si合金顆粒呈球形或近球形，直徑在20?60iim之間。利用 選擇性激光熔化技術(shù)，通過設(shè)定合理的工藝參數(shù)（激光功率、激光束掃描速度、激光停留時(shí) 間、激光掃描間距和鋪粉厚度），對Al-Si合金粉末進(jìn)行激光快速成形。選擇性激光熔化 (SLM)的成型過程分為升溫和冷卻兩個階段：當(dāng)激光停留在金屬粉體的某一點(diǎn)時(shí)，該區(qū)域 由于吸收激光能量，溫度驟然上升并超過了金屬的熔點(diǎn)形成熔池，此時(shí)，熔融金屬處于液相 平衡，金屬原子可以自由移動，合金元素均勻分布；當(dāng)激光移動后，由于熱源的消失，熔池溫 度以10 3K/s以上的速度快速下降。在此過程中，金屬原子和合金元素的擴(kuò)散移動受限，抑 制了晶粒的長大和合金元素的偏析，凝固后的金屬組織晶粒細(xì)小，合金元素分布均勻，能夠 大幅提高材料的強(qiáng)度和韌性。因此可以制備得到晶粒尺寸細(xì)小、均勻、穩(wěn)定的快速凝固合金 組織，從而獲得力學(xué)性能優(yōu)異的Al-Si合金部件。
[0016] 本發(fā)明中采用惰性氣體霧化制備Al-Si合金粉末結(jié)合SLM技術(shù)制備納米級球狀Si 相Al-Si合金，主要優(yōu)點(diǎn)在于：
[0017] (1)采用惰性氣體霧化制備的Al-Si合金粉末，其顆粒形貌成球狀或近球狀，能夠 提高粉體的流動性，保證每一層的鋪粉質(zhì)量及凝固后的致密度。
[0018] (2)SLM技術(shù)利用計(jì)算機(jī)軟件將CAD三維模型切成若干層，然后通過計(jì)算機(jī)程序控 制高能激光束有選擇地掃描每一層Al-Si合金粉末，并將每一層疊加起來，最終得到完整 的實(shí)體模型。該成型過程中不需要任何模具，不受零部件的幾何形狀限制，可以快速加工任 意復(fù)雜形狀的零部件，從而減少或避免零部件在使用過程中的焊接、鉚釘?shù)冗B接工序，縮短 了生產(chǎn)周期。
[0019] (3)A1-Si合金的SLM成型過程中快速冷卻抑制了晶粒的長大及合金元素的偏析， 導(dǎo)致A1基體中固溶的合金元素?zé)o法析出而均勻分布在基體中，從而獲得了晶粒細(xì)小，組織 均勻的微觀結(jié)構(gòu)。
[0020] (4)Al-Si合金的SLM工成型過程中高能激光將金屬粉末完全熔化形成一個個小 的熔池，這樣的液相環(huán)境下金屬原子的遷移速度比固相擴(kuò)散快得多，有利于合金元素的自 由移動和重新分布。由于熔池體積較小，在快速冷卻過程中，材料的晶粒尺寸較小，合金元 素?zé)o法析出起到固溶強(qiáng)化的作用，且熔池內(nèi)外冷卻速度幾乎一致，不易產(chǎn)生偏析、氣孔、變 形等缺陷，可得到力學(xué)性能優(yōu)異的Al-Si合金零部件。
[0021] (5)Al-Si合金的SLM成型過程中金屬粉末被完全熔化而達(dá)到一個液態(tài)平衡，能夠 最大程度地排除氣孔，快速冷卻能夠?qū)⑦@一平衡保持到固相，這樣就大大提高了金屬部件 的致密度，理論上可以得到100%。
[0022] (6)制得的Al-Si合金致密度高達(dá)98%以上，且成型后Al-Si合金的微觀形貌中 Si相由100nm左右球狀Si顆粒聚集且均勻分布在A1基體周圍。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0023]圖1本發(fā)明所采用的惰性氣體霧化制備的Al_12Si合金粉體的掃描電鏡圖片；
[0024] 圖2本發(fā)明SLM技術(shù)制備的納米級球狀Si相Al_12Si合金的掃描電鏡圖片；
[0025] 圖3本發(fā)明SLM技術(shù)制備的納米級球狀Si相Al-10SiMg合金的掃描電鏡圖片。

【具體實(shí)施方式】
[0026] 以下結(jié)合實(shí)例對本發(fā)明做進(jìn)一步闡述，但本發(fā)明并不局限于具體實(shí)施例。
[0027] 實(shí)施例1
[0028] 利用SLM技術(shù)制備納米級球狀Si相Al_12Si合金。
[0029] (1)利用計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)所需成型零部件的CAD三維模型，并將其轉(zhuǎn)換成可分切的數(shù) 據(jù)格式（STL文件）。在三維模型的底部建立5mm的支撐體，將三維幾何模型連同支撐體分 切成50ym的若干層，并對其進(jìn)行工藝參數(shù)設(shè)定，最后導(dǎo)入SLM設(shè)備。
[0030] (2)在SLM設(shè)備中，密封裝置抽真空后充入Ar(純度為99. 99%以上）進(jìn)行氣氛保 護(hù)，成形基板固定在可升降的工作臺上，送粉系統(tǒng)在基板上均勻鋪一層Al-12Si合金粉末。
[0031] (3)根據(jù)預(yù)先設(shè)定的工藝參數(shù)，激光選擇性地掃描相應(yīng)層橫截面的幾何形狀。具體 工藝參數(shù)為：激光器功率200W，激光停留時(shí)間80ys，激光掃描速度500mm/s，激光掃描間距 0? 15mm;鋪粉厚度 50iim。
[0032] (4)基板進(jìn)行活塞運(yùn)動下降一個層的厚度50i!m，鋪粉系統(tǒng)在基面上鋪一層新的 Al-12Si合金粉末。
[0033] (5)重復(fù)（3)和⑷直至整個程序運(yùn)行結(jié)束。
[0034] (6)收集成型零部件以外的松散金屬粉末，處理后備用，將成型好的零部件從基板 上取下。
[0035]由附圖2可以看出，SLM技術(shù)制備的Al-12Si合金中Si相由lOOnm左右球狀Si顆 粒聚集且均勻分布在A1基體周圍，且致密度高，無明顯氣孔或裂紋產(chǎn)生，可以提高Al-12Si 合金的力學(xué)性能。SLM技術(shù)制備的Al-12Si合金和鑄造Al-12Si合金的力學(xué)性能如下表所 示，可見LM技術(shù)制備的Al-12Si合金的力學(xué)性能明顯優(yōu)于鑄造Al-12Si合金。

【權(quán)利要求】
1. 一種選擇性激光熔化制備納米級球狀Si相Al-Si合金的方法，其特征是，包括步驟 如下： (1) 利用計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)所需成型零部件的CAD三維模型，并將其轉(zhuǎn)換成可分切的數(shù)據(jù)格 式STL文件，在三維模型的底部建立具有一定高度的支撐體，將三維模型連同支撐體分切 成具有一定厚度的若干層，并對其進(jìn)行工藝參數(shù)設(shè)定，將數(shù)據(jù)及參數(shù)導(dǎo)入SLM設(shè)備； (2) 在SLM設(shè)備中，將密封裝置抽真空后充入惰性氣體進(jìn)行氣氛保護(hù)，將基板固定在可 升降的工作臺上，送粉系統(tǒng)在基板上均勻鋪一層Al-Si合金粉末； (3) 根據(jù)導(dǎo)入?yún)?shù)激光選擇性地掃描相應(yīng)切層，工藝參數(shù)為：激光器功率80?200W，激 光停留時(shí)間20?120ii s，激光掃描速度200?2000mm/s，激光掃描間距0. 05?0. 2mm ; (4) 將基板下降一個層的厚度，在基板上鋪一層新的Al-Si合金粉末； (5) 重復(fù)步驟（3)和（4)直至各層完成； (6) 收集成型零部件以外的松散金屬粉末，處理后備用，將成型好的零部件從基板上取 下。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種選擇性激光熔化制備納米級球狀Si相Al-Si合金的方 法，其特征是，步驟（1)所述的每個分切層的厚度選20?100 ym。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種選擇性激光熔化制備納米級球狀Si相Al-Si合金的方 法，其特征是，步驟（1)所述的支撐體高度2?5mm。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種選擇性激光熔化制備納米級球狀Si相Al-Si合金的方 法，其特征是，步驟（2)所述的Al-Si合金粉末呈球形或近球形，直徑在20?60 之間。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種選擇性激光熔化制備納米級球狀Si相Al-Si合金的方 法，其特征是，步驟（2)所述的Al-Si合金粉末采用惰性氣體霧化法制備。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種選擇性激光熔化制備納米級球狀Si相Al-Si合金的方 法，其特征是，步驟⑵鋪粉厚度20?100 y m。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種選擇性激光熔化制備納米級球狀Si相Al-Si合金的方 法，其特征是，鋪粉厚度與切層厚度一致。
【文檔編號】B22F3/105GK104368815SQ201410649843
【公開日】2015年2月25日 申請日期:2014年11月14日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月14日
【發(fā)明者】王小軍, 王修春, 張晶, 伊希斌, 魏軍 申請人:山東省科學(xué)院新材料研究所