选区激光熔化铝合金的成分设计优化方法技术

本发明专利技术涉及一种选区激光熔化铝合金的成分设计优化方法，包括以下步骤：S1、根据所设计合金配置原料，制成不同的合金坯锭；S2、对合金坯锭进行预处理和加工，制成合金样块；S3、采用高能激光束对合金样块表面进行第一次激光表面扫描处理，在合金样块表面形成第一激光熔化层；再次采用高能激光束对第一激光熔化层的区域进行第二次激光表面扫描处理，形成第二激光熔化层；S4、将S3步骤的合金样块进行感应快速加热处理和淬冷处理；S5、对S4步骤的合金样块的第二激光熔化层进行表面形貌观察及组织性能表征与测试，并与合金粉末选区激光熔化样品进行对比，判断所述合金是否适用于选区激光熔化技术并优化合金成分。

【技术实现步骤摘要】
选区激光熔化铝合金的成分设计优化方法
本专利技术涉及铝合金的成分设计优化方法，尤其涉及一种选区激光熔化铝合金的成分设计优化方法。
技术介绍
增材制造(AdditiveManufacture)技术，又称3D打印，是基于离散-堆积原理，根据零部件的三维CAD切片模型数据直接成型高性能、致密度接近100％的三维金属零件，可以快速制造出无余量的原型件。随着工业设计的不断发展，零部件的结构也越来越复杂，且对其结构的精度要求越来越高，因此，增材制造技术在当今制造业中竞争力不断扩大，同时也是国内外重点突破的新型材料制造技术。选区激光熔化(Selectivelasermelting)，也称为选择性激光熔化，是金属材料增材制造技术中的一种主要技术途径，它利用高能激光作为能量源，按照三维CAD切片模型中规划好的路径在金属粉末床层进行逐层扫描，而扫描过的金属粉末熔化并快速冷却凝固成型，最终可以获得高致密度、高精度的金属零部件。目前，可以应用于选区激光熔化技术的材料包括钛合金、高温合金、铝合金、不锈钢及合金等。但是，由于不同合金材料中各组分及配比均有很大差异，导致其成型性能也存在很大差异，因此，适用于选区激光熔化的合金材料体系相当有限。例如，某些合金易氧化、流动性差、铺粉时易产生团聚，并且具有过高的激光发射率和热导率，导致该些合金的选区激光熔化的制造工艺较为困难。因此，对合金材料的组分、配比进行分析和筛选，并判断其是否属于适合选区激光熔化成型的材料体系的方法尤为重要。现有技术中，论文(1)Selectivelasersintering/melting(SLS/SLM)ofpureAl,Al–Mg,andAl–Sipowders:Effectofprocessingconditionsandpowderproperties(JournalofMaterialsProcessingTechnology,2013,213:1387)；论文(2)EvaluationofanAl-Cealloyforlaseradditivemanufacturing(ActaMaterialia,2017,126:507)和论文(3)MicrostructuresandmechanicalpropertyofAlMgScZrMn:Acomparisonbetweenselectivelasermelting,sparkplasmasinteringandcast(MaterialsScienceandEngineering:A,2019,756:354)公开了对合金成分进行分析筛选的方法。筛选的方法通常包括如下步骤：合金选择、熔炼、雾化制粉、粉末筛选、选区激光熔化成型，再研究成型后的材料的成型性、显微组织以及性能，进而判断该合金成分是否适用于选区激光熔化成型技术。但是，经过上述步骤进行合金成分筛选，不仅需要很长的实验周期，而且也面临高昂的成本，限制了其广泛应用。目前，澳大利亚增材制造中心的吴新华教授团队提出了基于样品表面熔化的选区激光熔化合金开发方法(SelectivelasermeltingofahighstrengthAl-Mn-Scalloy:Alloydesignandstrengtheningmechanisms.ActaMaterialia,2019,171:108和Towardsahighstrengthaluminiumalloydevelopmentmethodologyforselectivelasermelting[J].Materials&Design,2019,174:107775)，该方法仅对合金样品表面进行成型性、微观组织的观察，可以在一定程度上缩短选区激光熔化合金的开发周期。但是，其样品的组织和热历史与实际选区激光熔化过程还有较大差异，导致对合金成型性的评估存在较大偏差，并且缺乏表面熔化层性能与选区激光熔化合金性能的关联性。因此，急需开发一种能够准确地模拟实际选区激光熔化过程热历史和组织演变规律，且能够缩短合金筛选优化周期的选区激光熔化合金的成分设计优化方法。
技术实现思路
基于此，本专利技术的目的在于克服现有技术的不足，提供一种高效、低成本的选区激光熔化铝合金的成分设计优化方法，该成分优化方法能够模拟实际选区激光熔化过程的热历史，合金熔化和凝固过程与选区激光熔化相近，从而使合金成分的筛选优化结果更为精确，且能够缩短合金筛选优化周期。本专利技术是基于以下专利技术构思实现的：一种选区激光熔化铝合金的成分设计优化方法，包括以下步骤：S1、根据所设计合金配置原料，制成不同的合金坯锭；S2、对合金坯锭进行预处理和加工，制成合金样块；S3、采用高能激光束对合金样块表面进行第一次激光表面扫描处理，在合金样块表面形成第一激光熔化层；再次采用高能激光束对第一激光熔化层的区域进行第二次激光表面扫描处理，形成第二激光熔化层；S4、将S3步骤的合金样块进行感应快速加热处理和淬冷处理；S5、对S4步骤的合金样块的第二激光熔化层进行表面形貌观察及组织性能表征与测试，判断所述合金样块是否适用于选区激光熔化成型技术并优化合金成分。相对于现有技术，本专利技术提供了一种选区激光熔化合金的成分优化方法，其根据合金材料在选区激光熔化过程中熔化、凝固与热历史的特点，采用两次激光表面扫描处理结合感应快速加热的方法，使得合金坯锭表面的激光熔化层的微观组织更加接近选区激光熔化过程中快速凝固的合金粉末，同时，也使激光熔化层的热应力更加接近选区激光熔化过程，进而模拟出合金材料在选区激光熔化过程中的状态，再对获得的激光熔化层进行观察分析和组织性能测试，能够准确分析和判断出该合金成分是否适用于选区激光熔化成型技术。此外，本专利技术的成分优化方法步骤简单，直接对合金坯锭进行分析而无需再将其制备成粉末，简化了筛选优化的步骤，且能同时进行多个合金坯锭的快速评估，实现了选区激光熔化合金成分的高效设计优化，为筛选适合选区激光熔化技术的合金材料提供了一种新思路、新方法。进一步地，在步骤S3中，待第一次激光表面扫描处理后的合金样块完全冷却后，再进行第二次激光表面扫描处理。第一次激光表面扫描的效果在于获得细小的快速凝固组织，使其与气雾化粉末的显微组织相近，从而提高激光表面扫描与选区激光熔化相近的原始条件，包括合金组织结构和热条件，之后进行第二次激光表面扫描处理，获得与粉末选区激光熔化相近的显微组织。进一步地，在步骤S3中，第二次激光表面扫描处理的激光束中心沿着第一激光熔化层中形成的两个熔池的中心进行扫描。获得与选区激光熔化成形相近的受热、凝固与受力条件，从而可以借此评价合金的激光成型性，并且扫描策略可以根据具体合金成分进行设定。进一步地，在步骤S3中，在进行第一次激光表面扫描处理之前，对不同成分的合金样块进行激光表面扫描预处理，再通过观察获得的激光表面熔化层的状态确定第一次激光表面扫描处理和第二次激光表面扫描处理的工艺参数。在进行第一次激光表面扫描处理之前，首先通过观察激光表面熔化层的状态确定合适的激光扫面参数本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种选区激光熔化铝合金的成分设计优化方法，其特征在于，包括以下步骤：/nS1、根据所设计合金配置原料，制成不同的合金坯锭；/nS2、对合金坯锭进行预处理和加工，制成合金样块；/nS3、采用高能激光束对合金样块表面进行第一次激光表面扫描处理，在合金样块表面形成第一激光熔化层；再次采用高能激光束对第一激光熔化层的区域进行第二次激光表面扫描处理，形成第二激光熔化层；/nS4、将S3步骤的合金样块进行感应快速加热处理和淬冷处理；/nS5、对S4步骤的合金样块的第二激光熔化层进行表面形貌观察及组织性能表征与测试，判断所述合金样块是否适用于选区激光熔化成型技术并优化合金成分。/n

【技术特征摘要】
1.一种选区激光熔化铝合金的成分设计优化方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、根据所设计合金配置原料，制成不同的合金坯锭；
S2、对合金坯锭进行预处理和加工，制成合金样块；
S3、采用高能激光束对合金样块表面进行第一次激光表面扫描处理，在合金样块表面形成第一激光熔化层；再次采用高能激光束对第一激光熔化层的区域进行第二次激光表面扫描处理，形成第二激光熔化层；
S4、将S3步骤的合金样块进行感应快速加热处理和淬冷处理；
S5、对S4步骤的合金样块的第二激光熔化层进行表面形貌观察及组织性能表征与测试，判断所述合金样块是否适用于选区激光熔化成型技术并优化合金成分。


2.根据权利要求1所述的选区激光熔化铝合金的成分设计优化方法，其特征在于：在步骤S3中，待第一次激光表面扫描处理后的合金样块完全冷却后，再进行第二次激光表面扫描处理。


3.根据权利要求2所述的选区激光熔化铝合金的成分设计优化方法，其特征在于：在步骤S3中，第二次激光表面扫描处理的激光束中心沿着第一激光熔化层中形成的两个熔池的中心进行扫描。


4.根据权利要求3所述的选区激光熔化铝合金的成分设计优化方法，其特征在于：在步骤S3中，在进行第一次激光表面扫描处理之前，对不同成分的合金样块进行激光表面扫描预处理，再通过观察获得的激光表面熔化层的状态确定第一次激光表面扫描处理和第二次激光表面扫描处理的工艺参数。


5.根据权利要求4所述的选区激光熔化铝合金的成分设计优化方法，其特征在于：在步骤S3中，第一次激光表面扫描处理和第二次激光表面扫描处理的步骤为：将多个合金样块同时置于选区激光熔化设备的预制夹具之中，控制扫描速度为10-600mm...

【专利技术属性】
技术研发人员：蔡志勇，王日初，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：湖南;43