【教授侃铝(139)】先进的3D打印用铝-铁合金

2022年04月13日 10:17 10785次浏览 来源:   分类: 铝相关资讯   作者:

导读: 3D打印(3D printing)又称增材制造(Adding Manufacture或Additive Manufacturing,AM),是一种前沿新兴的快速成型制造技术。除了塑料与陶瓷粒子外,金属材料粉末如铝、钛、不锈钢和高温合金粉也是常用的3D打印材料。

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3D打印物体和机器零部件是一种高新先进尖端技术,几乎可以打印一切东西,大到建筑物、桥梁和汽车,小到牙齿等,所用材料除了塑料、垃圾和陶瓷粒子外,金属材料粉末/丝材如铝、钛、不锈钢和高温合金粉也是常用的。传统的种种铝合金粉都可以用来打印物体和结构件,还研发出了一些不能用于常规生产的3D打印用的铝合金,如对98%以上的变形铝合金来说,Fe都是一种有害的杂质。可是对于3D打印用的铝合金却是一种有益的合金化元素,因为它能显著细化显微组织,阻碍晶粒长大,全面大幅提高打印件的力学性能。

3D打印(3D printing)又称增材制造(Adding Manufacture或Additive Manufacturing,AM),是一种前沿新兴的快速成型制造技术,受到社会各界和国内外媒体的广泛关注,是一种以数字模型文字为基础,采用金属粉末或塑料等粘合材料,通过一层一层打印方式建造种种物体的技术。3D打印机于上世纪90年代中期面世,是一种用光固化和纸层叠等技术的快速成型装置,与常规打印机工作原理大体相同,机内装有液体或粉末等“打印材料”,与计算机连接后,通过其控制把“打印材料”一层又一层叠加起来,把计算机上的蓝图变成实实在在的物体和机器。

3D打印过程可分为两步,首先在需要成型的区域喷洒特殊的“胶水”,然后均匀喷洒粉末,粉末遇到胶水会迅速固化,没有胶水的区域仍保持松散状态,重复这一过程就会按蓝图打出实物。由于其分层加工过程三维与喷墨打印十分相似,所以被称为3D打印,相应的机器被称为3D打印机。

铝粉制备

3D打印材料除了塑料与陶瓷粒子外,金属材料粉末如铝、钛、不锈钢和高温合金粉也是常用的。在3D打印工艺中,制造几何形状与结构复杂的3D打印的粉末是常规的气体雾化法制取的,小液滴在雾化过程受到急冷,形成细小晶粒,粉末的晶粒一般为20μm~30μm。目前,适合选择激光熔化打印(SLM,selective laser melting)的铝合金并不多,只有少数合金雾化粉未适于这种打印,才可以SLM法打印出没有小孔和热裂纹的产品,用的最多的是AISi10Mg合金,但它并不是为3D打印研发的铝合金,是一种近共晶型的常规合金,由于含有不少的共晶,所以打印的产品中无细小的孔洞与热裂纹,可见,发展适合SLM工艺3D打印的铝合金是当务之急。

先进的3D打印用铝-铁合金

近年来,研发成功一批适合3D打印的新型铝合金,它们不会在产品中形成疏松(porosity),也不会形成热裂纹。发展3D打印用铝合金的两条战略举措:一是保证液滴高速凝固时能有足够的熔体流入晶粒间缝隙内;二是形成的晶粒应细小,为了达到第一个目的,应确保合金有足够的共晶。细晶粒产品既有高的强度,又有良好的塑性,同时还能改善熔体的流动性,不会形成疏松和热裂纹。在W.佛雷格纳(Fragner)等制备的3D打印的含Fe的合金晶粒图中显示,在含1.2%Fe的AlSi9Cu3MgFeZn合金(A380、A226)压铸件的显微组织中,富Fe中间金属相β-AlFeSi的尺寸达几百μm;SLM工艺3D打印件的显微组织,β-AIFeSi相的尺寸小于1μm。

在设计合金和生产工艺时最重要的是要保证熔体有高的冷却速度,最好能达到104K/s~106K/s,即约为常规压铸冷却速度的1000倍,在这种冷却速度下,中间金属相(IMPs,intermetalic phases)就会成为异质晶核和阻碍晶粒长大,可形成这种中间相的元素为Zr、Sc、Ti、SiC,它们形成的中间金属相为:

Al+Zr→Al3Zr、Al+Sc→Al3Sc、Al+Sc+Zr→Al3(Sc,Zr)、7075合金中的Si→Mg2Si、5XXX合金中的Si→Mg2Si。

富铁相是有害的,因为它们使合金的塑性下降,应严格控制其量和尺寸。含1.2%Fe的AISi9Cu3MgFeZn(A380、A226)合金在较慢冷却时(1K/s~10K/s),相当于压铸冷却速度,组织中的β-AIFeSi相呈片状或针状,它的抗拉强度160MPa,伸长率很低,只有0.7%,因为其富Fe中间相大到好几百 μm,造成应力集中。选择性激光熔炼(SLM)合金的显微组织,非常细密,富Fe中间相(IMP)尺寸小于1μm,力学性能大大改善,屈服强度220 MPa,伸长率1.9%,甚至可达5.3%〔2〕。

由此可见,对选择激光3D打印用铝合金粉末来说,Fe是一种有益的合金化元素,由于此工艺的冷却速度很快,可形成细密的显微组织。奥地利有色金属公司(Amag)和其合作公司设计和制备了含Fe量高的3D打印用的铸造铝合金和变形铝合金,合金中的Fe、Mn含量大到使合金在选择激光3D打印时的固相线温度TsTMP比合金的液相线TL温度还高一些或与其相近。这样就能确保IMPS 3D打印零件具有细小的显微组织与更好的力学性能。

Fe+Mn含量高的3D打印铝合金

根据Fe、Mn元素在铝合金中的作用,奥地利有色金属公司在制备一些性能忧良的选择激光打印用的铝合金时,不但应精准调控Fe、Mn的含量,而且还要很好地调制Si、Cu、Mg、Mn、Zn的含量。Amag公司推出的新型先进高铁3D打印铝合金是以AA5083(AIMg4.5Mn0.55)合金为基准的发展,并参考了AM合金Scalmalloy的成分,它是一种含有Sc+Zr的AA5083型合金,虽然有好的综合性能,但价格高。5083合金是一种于上世纪30年代成型的合金,获得了广泛的应用,至今仍是一种常用合金,其成分(质量%):Si0.40,Fe0.40,Cu0.10,Mn0.40~1.0,Mg4.0~4.9,Cr0.05~0.25,Zn0.25,Ti0.15,其它杂质单个0.05、合计0.15,其余Al,现在已形成有8个成员的大家族:5083、5183、5183A、5283、5283A、5283B、5383、5483。

新合金及比较的标杆合金——Scalmalloy、低Fe(0.1%)的合金,以及含0.45%Zr的合金的化学成分见下表。合金A3的成分与Al合金的成分相似,但Fe含量很高,同时还调整了Mn含量。A2合金的成分与Scalmalloy合金的相似,但Fe含量却高达0.7%。

在A1及A3合金的光学及电镜显微组织图像实验中也可以清晰地显示出:含1.3%Fe合金晶粒细小,A3合金也没有可见的热裂纹,说明Fe有很好的作用。A1合金的Fe含量很低,只有0.1%,晶粒粗大,且有热裂纹。

在A3合金(1.3%Fe)的光学及电镜显微组织图像中显示,晶粒细小,Fe(+Mn)相呈亚显微结构(submicroscoptically fine),很细小,同时主要位于晶界,阻碍晶粒长大,因而合金的晶粒细小,又没有裂纹,力学性能好,各项指标均居高位。A3合金晶粒细密,有很高的抗拉强度,A1合金的塑性低,伸长率小,因为有热裂纹。

细晶粒的形成是Sc及Sc+Fe的功劳,A2合金的力学性能之所以比Scalmalloy合金的高是因为含有0.4% Fe。而Scalmalloy合金的Fe含量低,A3合金与Scamalloy合金有大体相当的力学性能,不过后一合金有昂贵的Sc,宜少用。而A3合金中的Fe是一种常用合金化元素,同时可由用的废料中带来。Scalmalloy在325℃/4h热处理人工时效后具有很高的强度性能,屈服强度475MPa,抗拉强度520 MPa,而A3合金毫无时效反应。

后记

3D打印技术是一种万能的高精尖新兴快速成形技术,受到各国和地区社会各界的热切关注,中国在3D打印技术应用、研发和推广方面做了许多工作,在世界上率先打印出10m级2219铝合金火箭发射燃料贮箱连接环。早在2015年8月,李克强总理就主持国务院专题讲座讨论加快发展先进制造与3D打印等问题,近些年来,成就巨大,但与发达国家相比,还有一些差距。本文所介绍的高铁含量3D打印用的5XXX系铝合金可能对感兴趣的读者有所帮助,尚未见我国在这方面研究成果的报道。

责任编辑:李开颜

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