一种3D打印铝合金及其改性方法

一种3d打印铝合金及其改性方法
技术领域
1.本发明涉及一种3d打印铝合金及其改性方法，属于铝合金技术领域。

背景技术：

2.铝合金因为具有低密度、较高的比强度和比刚度，以及优良的加工性能等特点，其用量成为仅次于钢铁的第二大合金。其中7xxx系铝合金主要添加合金元素zn、mg和少量cu，属于可热处理强化的中高强铝合金，广泛应用于汽车、航空航天、建筑、装饰等领域。
3.用传统铣、削、锻及电加工等方法，成形具有复杂形状复杂的铝基合金零件存在着制造工艺复杂、开发周期长、材料浪费严重等问题，而3d打印中slm成形技术在直接制造高性能复杂铝基合金零件方面具有巨大优势。slm技术可以实现对合金配方快速调整，对材料组织快速成型制造，并实现制造出用传统制造方法无法获得的异型构件，实现多种材料复合成型，具有不可替代的先进性。然而，合理的铝基合金的slm成形工艺还不完善，成形过程易伴随开裂、氧化、孔隙等，导致成形件缺陷严重，同时其成形的合金的机械强度和耐蚀性能也难以兼顾，难以成形出复杂高性能的铝基合金零件，严重影响了slm成形质量及深入推广。
4.因此，急需开发出一种3d打印铝合金的改性方法，以提高铝合金的综合性能。

技术实现要素：

5.本发明提供了一种3d打印铝合金及其改性方法，可以有效解决上述问题。
6.本发明是这样实现的：
7.一种3d打印铝合金的改性方法，包括以下步骤：
8.s1，采用3d打印技术成形铝合金试样；
9.s2，将铝合金试样进行固溶处理后再进行时效处理，然后进行水冷；
10.s3，将步骤s2得到的铝合金试样进行高压扭转变形，得到改性后的3d打印铝合金。
11.在一些实施例中，所述铝合金为7xxx系铝合金。
12.在一些实施例中，所述3d打印技术的方法为将铝合金粉末置于3d打印设备中，调节基板的预热温度和铝合金粉末的铺粉厚度，用激光进行扫描照射后进行铺粉打印，烧结后再次用激光进行扫描照射，使第一次激光照射后的黑氧化层湮灭。
13.在一些实施例中，所述3d打印技术的打印参数为：基板的预热温度120℃-180℃，激光功率350-390w，扫描速度1100-1300mm/s，扫描间距0.08-0.10mm，铺粉厚度0.02-0.04mm。
14.在一些实施例中，所述铝合金试样在固溶处理前将厚度打磨至0.85mm。
15.在一些实施例中，所述固溶处理在箱式电阻炉中进行，固溶处理的温度为480-500℃，时间为1.5-2.5h。
16.在一些实施例中，所述时效处理的温度为110-130℃，时间为22-26h。
17.在一些实施例中，所述高压扭转变形的转数为0.5-5转，压强为700-800mpa。
18.一种上述的方法制备的3d打印铝合金。
19.本发明的有益效果是：
20.本发明通过3d打印铝合金并通过固溶处理、时效处理和高压扭转变形工艺改进成型质量，有效改变其对腐蚀的敏感性，提高合金的耐蚀性能和机械强度，得到机械性能更强、耐腐蚀性能更优的铝合金。
附图说明
21.为了更清楚地说明本发明实施方式的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
22.图1是本发明实施例提供的slm制7075不同试样维氏硬度关于圆心距的大小图。
23.图2是本发明实施例提供的试样的tem图。(a)对比例1的未热处理的原始样品的tem图；(b)实施例1的t6热处理和剧烈塑性变形的样品的tem图。
24.图3是本发明实施例提供的slm制7075铝合金电化学测试tafel曲线。
具体实施方式
25.为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。
26.在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
27.本发明实施例提供一种3d打印铝合金的改性方法，包括以下步骤：
28.s1，采用3d打印技术成形铝合金试样；
29.s2，将铝合金试样进行固溶处理后再进行时效处理，然后进行水冷；
30.s3，将步骤s2得到的铝合金试样进行高压扭转变形，得到改性后的3d打印铝合金。
31.在一些实施例中，3d打印技术为slm打印技术，通过多次正交实验确定打印参数，以解决氧化程度高等缺陷的问题。
32.在一些实施例中，所述铝合金为7xxx系铝合金。传统的7xxx系铝合金在使用过程中主要存在两个主要问题，一是合金的耐蚀性相对较差，如晶间腐蚀、应力腐蚀等发生在晶界处的腐蚀行为，会严重影响构件的使用安全；二是7xxx系铝合金存在应力腐蚀敏感性(scc)与强度之间的矛盾，即当合金的抗应力腐蚀性能较好时，往往其强度不高。传统的热
处理(固溶+时效)可以使合金获得高的力学性能，但其耐蚀性能较低。
33.本发明实施例通过剧烈塑性变形的方式使合金中的晶粒尺寸细化至微米或纳米级，变形工艺使合金中引入大量的位错，为下一步时效过程中η'相与η相的析出提供了更多的形核质点，促进强化相的快速析出，合金的强度也随之大幅提高；另外，变形引入的高密度的位错，阻碍析出相的运动，同样可以使合金的强度得以提高。因此，本发明实施例通过变形、固溶和时效工艺的协同配合，发挥协同增效作用，调控铝合金精确调控合金中的析出相和位错，从而改善铝合金成型质量，有效改变其对腐蚀的敏感性，提高合金的耐蚀性能和机械强度等综合性能。
34.在一些实施例中，所述3d打印技术的方法为将铝合金粉末置于3d打印设备中，调节基板的预热温度和铝合金粉末的铺粉厚度，用激光进行扫描照射后进行铺粉打印，烧结后再次用激光进行扫描照射，使第一次激光照射后的黑氧化层湮灭，粉末烧结实体与基板结合。
35.在一些实施例中，所述3d打印技术的打印参数为：基板的预热温度120℃-180℃，激光功率350-390w，扫描速度1100-1300mm/s，扫描间距0.08-0.10mm，铺粉厚度0.02-0.04mm。此打印参数可以解决氧化程度高等缺陷的问题。
36.在一些实施例中，所述铝合金试样在固溶处理前将厚度打磨至0.85mm。
37.在一些实施例中，所述固溶处理在箱式电阻炉中进行，固溶处理的温度为480-500℃，进一步优选为480℃、485℃、490℃、495℃、500℃；固溶处理的时间为1.5-2.5h，优选为1.5h、1.8h、2h、2.2h、2.5h。
38.在一些实施例中，所述时效处理的温度为110-130℃，时间为22-26h。温度进一步优选为110℃、115℃、120℃、125℃、130℃。时间进一步优选为22h、23h、24h、25h、26h。
39.在一些实施例中，所述高压扭转变形的转数为0.5-5转，进一步优选为0.5转、1转、2转、3转、5转；压强为700-800mpa，进一步优选为700mpa、720mpa、750mpa、780mpa、800mpa。
40.本发明实施例提供一种上述的方法制备的3d打印铝合金。
41.实验例1：t6-r(490℃2h固溶处理、120℃12h时效处理、剧烈塑性变形1t)热处理样品。
42.本实验例提供一种7075铝合金粉末，7075铝合金粉末化学成分(wt％)为：0.4％si、0.5％fe、1.2-2.0％cu、0.3％mn、2.1-2.9％mg、0.2-0.3％cr、5.1-6.1％zn、0.2％ti，其余为al。
43.制备方法：
44.(1)本实验原材料为7075铝合金粉末，通过slm技术成型，打印参数为150℃基板预热、385w激光功率、扫描速度1200mm/s、铺粉厚度0.03mm、扫描间距0.09mm、两次重复扫描，扫描参数上同。随后利用线切割机将试样切下，并将厚度打磨至0.85mm。
45.(2)将试样放入箱式电阻炉中进行490℃2h固溶处理随后水冷取出、120℃12h时效处理，随炉冷却后取出。
46.(3)将试样进行剧烈塑性变形，扭转1转，压强为750mpa。
47.对比例1：nont6(未t6热处理原始)样品。
48.本对比例提供一种7075铝合金粉末，7075铝合金粉末化学成分(wt％)为：0.4％si、0.5％fe、1.2-2.0％cu、0.3％mn、2.1-2.9％mg、0.2-0.3％cr、5.1-6.1％zn、0.2％ti，其
余为al。
49.制备方法：
50.本实验原材料为7075铝合金粉末，通过slm技术成型，打印参数为150℃基板预热、385w激光功率、扫描速度1200mm/s、铺粉厚度0.03mm、扫描间距0.09mm、两次重复扫描，扫描参数上同。随后利用线切割机将试样切下，并将厚度打磨至0.85mm。
51.对比例2：t6(490℃2h固溶处理、120℃12h时效处理)热处理样品。
52.本实验例提供一种7075铝合金粉末，7075铝合金粉末化学成分(wt％)为：0.4％si、0.5％fe、1.2-2.0％cu、0.3％mn、2.1-2.9％mg、0.2-0.3％cr、5.1-6.1％zn、0.2％ti，其余为al。
53.制备方法：
54.(1)本实验原材料为7075铝合金粉末，通过slm技术成型，打印参数为150℃基板预热、385w激光功率、扫描速度1200mm/s、铺粉厚度0.03mm、扫描间距0.09mm、两次重复扫描，扫描参数上同。随后利用线切割机将试样切下，并将厚度打磨至0.85mm。
55.(2)将试样放入箱式电阻炉中进行490℃2h固溶处理随后水冷取出、120℃12h时效处理，随炉冷却后取出。
56.对比例3：nont6-r(未热处理+剧烈塑性变形0.5转)样品。
57.本实验例提供一种7075铝合金粉末，7075铝合金粉末化学成分(wt％)为：0.4％si、0.5％fe、1.2-2.0％cu、0.3％mn、2.1-2.9％mg、0.2-0.3％cr、5.1-6.1％zn、0.2％ti，其余为al。
58.制备方法：
59.(1)本实验原材料为7075铝合金粉末，通过slm技术成型，打印参数为150℃基板预热、385w激光功率、扫描速度1200mm/s、铺粉厚度0.03mm、扫描间距0.09mm、两次重复扫描，扫描参数上同。随后利用线切割机将试样切下，并将厚度打磨至0.85mm。
60.(2)将试样进行剧烈塑性变形0.5转，压强为750mpa。
61.试验例1
62.维氏硬度测试
63.本实验采用载荷为200kgf，保荷时间为10s。对所得压痕采用四线法确定样品硬度，在使用四线法确定硬度值时要保证所得压痕的相对的顶点在同一条直线上。若不在位置出现偏移，则可通过调节摄像头将图像调正。
64.本实验在样品表面取8条直径，每条直径上选取19个等距点进行硬度测试，以减小误差，确保所得硬度的准确性。实验结果如图1所示。
65.tem实验
66.透射样品制备使用金相砂纸将原始厚度为7mm的试样打磨至150μm薄片，然后冲孔获得直径为3mm的小片；再使用双喷仪对样品进行减薄，在双喷电解减薄器的电解槽中添加电解液，双喷使用的溶液为：25％硝酸+75％甲醇(体积分数)。将样品夹插到电解槽的中心位置，操作温度需控制在-25℃左右，在电解槽中加入液氮快速降温降温，双喷电压为22v，液流量41，光感值100。利用fei talos f200s型高分辨tem进行组织观察，加速电压为200kv。实验结果如图2所示。
67.电化学腐蚀
68.使用240#～2000#金相砂纸打磨7075铝合金试样表面，去除氧化层并使划痕方向一致；按顺序使用去离子水清洗，酒精擦拭。之后进行冷镶，磨铜导线去除油漆层，将铜线锡焊连接到试件表面，套上热缩管，用打火机使其受热收缩后再外套一层热缩管，调整导线与试片成垂直，放置于冷镶嵌模具中，称量冷镶材料，快速混合后倒入，固化脱模后用万用表检测冷镶样是否导电。
69.采用的电化学方法测量开路电位，电化学阻抗图谱和极化曲线，研究7075铝合金在3.5wt％nacl腐蚀溶液中的行为。本实验合金试样使用ivium电化学工作站进行电化学测试。运用三电极体系：工作电极、(饱和甘汞)参比电极和(铂)辅助电极，各电极电线与电化学工作站相应输出端连接。首先，在样品溶液中浸泡3600s以获得一个最终稳定值作为开路电位；平衡后进行电化学阻抗谱测试，测量频率范围105～10-2
hz；接着在电位范围为-0.2v～-1.8v进行动电位极化扫描。介质溶液使用去离子水调配的wt％3.5％的nacl溶液。后续数据处理，根据阻抗图形选择对应拟合电路，借助zview软件拟合，并记录数据和误差。实验结果如图3所示。
70.由图1可知，t6(只经过热处理)的硬度比nont6(原始样品)大；nont6-r(只经过剧烈塑性变形)的硬度比nont6(原始样品)大；t6-r(经过热处理和剧烈塑性变形)的硬度比nont6(原始样品)大，且比t6(只经过热处理)和nont6-r(只经过剧烈塑性变形)的硬度都大。由此可知，热处理和剧烈塑性变形都对slm制7075铝合金有显著的增强硬度的作用，且两者协同配合共同发挥增强硬度的作用。
71.由图2可知，(a)为对比例1的7075铝合金(未热处理的原始样品)的tem图，(b)为实验例1的经过t6热处理和剧烈塑性变形后的7075铝合金tem图。可以看出，经过t6热处理后，试样出现大量位错，又由于剧烈塑性变形，使位错增多，由于位错运动的相互阻碍，析出相钉扎位错使滑移困难，热处理和剧烈塑性变形发挥协同增效作用，从而使得强度提高。
72.由图3的电化学极化曲线可以看出，t6(只经过热处理)的耐腐蚀电位比nont6(原始样品)大；nont6-r(只经过剧烈塑性变形)的耐腐蚀电位比nont6(原始样品)大；t6-r(经过热处理和剧烈塑性变形)的耐腐蚀电位比nont6(原始样品)大，且比t6(只经过热处理)和nont6-r(只经过剧烈塑性变形)的耐腐蚀电位都大，由此可知，热处理和剧烈塑性变形都能提高slm制7075铝合金的耐腐蚀性。t6相对于nont6的增加值与nont6-r相对于nont6的增加值之和小于t6-r相对于nont6的增加值，说明热处理和剧烈塑性变形两者发挥协同增效的作用。
73.以上所述仅为本发明的优选实施方式而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：

1.一种3d打印铝合金的改性方法，其特征在于，包括以下步骤：s1，采用3d打印技术成形铝合金试样；s2，将铝合金试样进行固溶处理后再进行时效处理，然后进行水冷；s3，将步骤s2得到的铝合金试样进行高压扭转变形，得到改性后的3d打印铝合金。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述铝合金为7xxx系铝合金。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述3d打印技术的方法为将铝合金粉末置于3d打印设备中，调节基板的预热温度和铝合金粉末的铺粉厚度，用激光进行扫描照射后进行铺粉打印，烧结后再次用激光进行扫描照射，使第一次激光照射后的黑氧化层湮灭。4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述3d打印技术的打印参数为：基板的预热温度120℃-180℃，激光功率350-390w，扫描速度1100-1300mm/s，扫描间距0.08-0.10mm，铺粉厚度0.02-0.04mm。5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述铝合金试样在固溶处理前将厚度打磨至0.85mm。6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述固溶处理在箱式电阻炉中进行，固溶处理的温度为480-500℃，时间为1.5-2.5h。7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述时效处理的温度为110-130℃，时间为22-26h。8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述高压扭转变形的转数为0.5-5转，压强为700-800mpa。9.权利要求1至8任一项所述的方法制备的3d打印铝合金。

技术总结

本发明提供一种3D打印铝合金及其改性方法，包括以下步骤：S1，采用3D打印技术成形铝合金试样；S2，将铝合金试样进行固溶处理后再进行时效处理，然后进行水冷；S3，将步骤S2得到的铝合金试样进行高压扭转变形，得到改性后的3D打印铝合金。该合金的硬度大和耐腐蚀性强。该合金的硬度大和耐腐蚀性强。该合金的硬度大和耐腐蚀性强。