Порошковый алюминиевый материал
Владельцы патента RU 2744075:
Акционерное общество "Объединенная компания РУСАЛ Уральский Алюминий" (АО "РУСАЛ Урал") (RU)
Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к порошковым алюминиевым материалам для изготовления деталей с использованием аддитивных технологий, в том числе методом селективного лазерного синтеза. Порошковый алюминиевый материал получен газовым распылением и содержит, мас.%: магний 4,5-6,5; хром 0,35-0,80; цирконий 0,40-1,0; бор 0,002-0,12; марганец, железо, никель суммарно 0,05-0,8; алюминий и неизбежные примеси – остальное. Соотношение хрома и циркония выбрано с обеспечением повышения их совместной растворимости в алюминии и исключения появления крупных интерметаллидов. Техническим результатом является повышение прочности при сохранении высокого уровня относительного удлинения, высокой термической стабильности и отсутствии дефектов типа горячих трещин. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 2 табл., 3 ил.
Изобретение относится к области металлургии, а именно, к сплавам на основе алюминия, используемым для получения порошков, применяющихся для изготовления деталей с использованием аддитивных технологий, в том числе методом селективного лазерного синтеза.
Известен алюминиевый сплав AlSi10Mg, который используется для изготовления деталей с использованием аддитивных технологий, содержащий следующие элементы, масс. %: 9-11 кремния, 0,45-0,6 магния, 0,05 марганца, 0,05 цинка,<0,55 железа,<0,1 меди (см. Process optimization and microstructural analysis for selective laser melting of AlSi10Mg. K. Kempen, L. Thijs, E. Yasa, M. Badrossamay, W. Verheecke, JP. Kruth. Solid Freeform Fabrication Symposium Conference, Vol. 22, Pages. 484-495, 2011).
Данный сплав обладает высокой технологичностью при печати деталей, однако высокое содержание эвтектики приводит к низким характеристикам пластичности. Кроме того, термическая обработка приводит к невысоким показателям прочности.
Для сложных деталей, работающих в условиях различных нагрузок, в том числе знакопеременных, требуются материалы с более высоким комплексом характеристик и высокой пластичностью, при этом структура должна обладать высокой термической стабильностью для работы в условиях технологических и эксплуатационных нагревов.
Известен алюминиево-магниевый сплав (CN 105838939 опубл. 10.08.2016), содержащий следующие компоненты, масс. %: 3-6 магния, 0,1-0,5 хрома, 0,4-0,7 цинка, 0,25-0,4 кремния, 0,1-0,5 марганца, 0,1-0,5 никеля, 0,05-0,2 циркония, 0,2-0,5 меди, 0,1-0,2 висмута, 0,1-0,2 титана, 0,1-0,2 церия. Недостатком данного изобретения является высокое содержание элементов, таких как цинк и висмут, которые легко испаряются в процессе селективного лазерного сплавления, изменяя химический состав готовой детали. Кроме того, добавка меди ухудшает свариваемость материала, что также влияет на качество конечных деталей.
Известен алюминиевый сплав (CN 105695823 опубл. 22.06.2016), имеющий повышенные механические свойства, содержащий следующие компоненты, масс. %: 4,5-5,0 магния, 0,5-1,0 марганца, 0,2-0,6 циркония, 0,12-0,25 хрома, 0,28-0,30 ванадия, 0,1-0,15 титана, 0,006-0,2 креминя, 0,008-0,2 железа, 0,01-0,05 меди, 0,005-0,25 цинка, 0,05-0,15 бора. Недостатком данного изобретения является недостаточная концентрация хрома (0,12-0,25 масс. %), что приводит к недостаточному упрочнению от добавки хрома.
Известен быстрозакристаллизованный алюминиевый порошковый сплав, содержащий повышенное содержание хрома (US 5049211 опубл. 17.09.1991). Сплав содержит добавку хрома в количестве от 1 до 7 масс. %, а также хотя бы один элемент из группы Hf, W, Mo, Nb, Та в количестве до 6 масс. %. Сплав обладает высокими показателями прочности и хорошей термической стабильность. Тем не менее, за счет высокого содержания переходных металлов характеристики пластичности находятся на невысоком уровне, что также приводит к крайне низким показателям ударной вязкости.
Известен алюминиевый сплав (US 20170298477 опубл. 19.10.2017), содержащий следующие компоненты, масс. %: 1,0-8,0 магния, 0,2-3 скандия, 0,1-1,5 циркония, 0,5-5 кальция. Недостатком данного изобретения является высокая стоимость сплава в связи с наличием в его составе скандия, а также наличие большого количества кальция, который может испаряться в процессе селективного лазерного сплавления.
Прототипом предложенного изобретения является сплав на основе алюминия (ЕР 0304284 опубл. 17.08.1988), содержащий следующие элементы (масс. %):
0,4-1,2 хрома,
0,3-0,8 циркония,
1,5-2,5 марганца,
0-2,0 магния,
остальное алюминий.
Сплав обладает хорошими показателями прочности и термической стабильности, что позволяет использовать его для изготовления деталей. Высокое содержание марганца приводит к хорошим литейным свойствам. Однако за счет высокого легирования переходными металлами характеристики пластичности материала достаточно скромные. Пониженное содержание магния не приводит к существенному упрочнению.
Технической задачей изобретения является повышение характеристик прочности алюминиевого сплава для изготовления деталей с использованием порошковых и аддитивных технологий при сохранении высоко уровня относительного удлинения, высокой термической стабильности и отсутствия дефектов в виде горячих трещин.
Поставленная задача решается тем, что предложен порошковый алюминиевый материал для изготовления изделий с использованием аддитивных технологий, полученный газовым распылением и содержащий магний, хром, цирконий, бор, по меньшей мере один элемент из группы, включающей марганец, железо, никель, алюминий и неизбежные примеси, отличающийся тем, что он содержит компоненты в следующем соотношении, масс. %:
| магний | 4,5-6,5 |
| хром | 0,35-0,80 |
| цирконий | 0,40-1,0 |
| бор | 0,002-0,12 |
| марганец, железо, никель суммарно | 0,05-0,8 |
| алюминий и неизбежные примеси | остальное, |
при этом соотношение хрома и циркония выбрано с обеспечением повышения их совместной растворимости в алюминии и исключения появления крупных интерметаллидов.
Соотношение хрома к цирконию в порошковом алюминиевом материале предпочтительно составляет от 0,5 до 1,5.
Также предложено изделие, изготовленное с использованием аддитивных технологий, выполненное из указанного порошкового алюминиевого материала.
Добавка магния обеспечивает как твердорастворное упрочнение, так и формирование требуемого интервала кристаллизации для формирования качественной плотной структуры при воздействии лазерного луча.
Известно, что в сплавах системы Al-Mg при содержании магния на уровне 3-4 масс. % достаточно высокая склонность к образованию горячих трещин. Учитывая результаты изготовления 3D деталей методом селективного лазерного сплавления (SLM) для повышения сопротивления образованию горячих трещин и повышения прочности сплава, предлагается легировать сплав магнием в количестве 4,5-6,5% масс.
Цирконий вводится для формирования дисперсной фазы Al3Zr в процессе распада пересыщенного твердого раствора. Цирконий имеет низкий коэффициент диффузии в алюминиевой матрице, что приводит к эффекту формирования наноразмерных фаз при высокотемпературном старении. За счет того, что фаза когерентна с алюминиевой матрицей достигается сильный эффект упрочнения. Содержание циркония выбрано таким образом, чтобы обеспечить получение пересыщенного твердого раствора и избежать появление крупных интерметаллидов в порошке с учетом высоких скоростей кристаллизации. Хром также образует пересыщенный твердый раствор в алюминиевой матрице и не образует с цирконием совместного интерметаллида, что позволяет в процессе старения сформировать большее число фаз и повысить характеристики прочности. В сплавах, содержащих магний вместо фазы Al7Cr, может образовываться фаза Al18Cr2Mg3, что позволяет добиться формирования большего объема интерметаллидных фаз, повышающих прочность. Кроме того, хром и цирконий при определенных наибольший положительный эффект достигается при соотношении Cr/Zr в интервале от 0,5 до 1,5.
Добавка бора в сплав обеспечивает эффект модифицирования при изготовлении деталей за счет формирования наноразмерных частиц боридов. Более дисперсная структура благоприятнее сказывается на служебных характеристиках готовой детали.
По меньшей мере один элемент из группы железо, марганец, никель вводится для формирования дополнительного упрочнения как за счет формирования твердого раствора, так и за счет формирования фаз интерметаллидов с алюминием, а при высоких концентрациях достигается повышение литейных качеств сплавов, что связано с формированием эвтектики при введении данных элементов в соответствии с равновесными диаграммами состояния.
На чертежах представлены:
Фиг. 1 - Частицы порошка из сплава AlMgCrZr.
Фиг. 2 - Процесс селективного лазерного сплавления и часть полученных образцов.
Фиг. 3 - Изображения структур образцов составов 1, 2, 3, А, В.
Предложенное изобретение поясняется следующим примером.
Приготовление сплава производилось в следующем порядке:
Алюминий был расплавлен и нагрет до температуры 830-850°С. Затем производилась присадка циркония плавленой лигатурой Al - 10% Zr. Хром и железо присаживались таблетками Cr80F20 (80% Cr 20% флюс) и Fe80F20 (80% Fe, 20% флюс), марганец и никель - в виде первичных металлов.
Расплав нагревался до 810-830°С, выдерживался в течение 1 часа при температуре 790-820°С, при перемешивался через каждые 15-20 минут.
После съема шлака на поверхность расплава был загружен карналлитовый флюс из расчета 2 кг/т и после его расплавления произведена присадка магния.
Произведена выдержка в течение 30 минут, при этом через каждые 15 минут производилось перемешивание.
Бор вводился в расплав в виде лигатуры Al - 5% В, произведена выдержка 15 минут и перемешивание расплава.
С поверхности расплава снят шлак и отобраны пробы для контроля химического состава.
По результатам экспресс-анализа произведена корректировка химического состава до расчетного.
Затем проводилась пульверизация расплава через форсунку для получения сферических порошков. Полученные порошки классифицировались на фракцию 20-63 мкм.
В качестве газа для распыления использовалась азотно-кислородная.
В результате были получены порошки следующего химического состава, приведенного в таблице 1.
Полученные порошки использовались для получения образцов с использованием технологии селективного лазерного сплавления. Для изготовления образцов использовался принтер EOS М290. Печать проводилась при мощности лазера 250 Вт с различным межтрековым расстоянием и скорости печати в интервале 200-1000 мм/с.
Качество полученных образцов определяли по микроструктуре. Микрошлифы готовились по стандартной технологии, исследование проводили на нетравленой поверхности с использованием инвертированного металлографического микроскопа МЕТАМ РВ-21.
Изображения структуры представлены на Фиг. 3. Как видно, сплавы А и В не позволили получить структуру без наличия дефектов, что связано с пониженными литейными качествами и большим интервалом кристаллизации сплава. Также в сплаве В с высоким содержанием циркония и хрома обнаружены избыточные интерметаллиды.
Изготавливались также образцы для определения твердости и механических свойств при растяжении. Определение твердости проводилось с использованием твердомера EMCO-TEST, испытания на растяжение проводились в соответствии с ГОСТ-1497.
Образцы исследовались после отжига при температуре 400°С в течение 5 часов.
В качестве сравнения использовался сплав AlSi10Mg, который отжигали при температуре 300°С в течение 2 часов. Результаты испытаний представлены в таблице 2.
Полученный материал обладает повышенным на 25% пределом прочности при улучшенном на 70% относительном удлинении.
Кроме того, за счет формирования дисперсоидов, имеющих замедленную диффузию в алюминии, удается сохранить высокие показатели твердости при длительных отжигах при температуре 200°С. Сплавы 5-0 и 6-0 за счет сильной разницы между содержанием хрома и циркония обладают несколько сниженными показателями относительного удлинения за счет формирования более крупных интерметаллидов. Это связано с пониженной растворимостью элементов в алюминиевой матрице при отклонении соотношения от оптимального.
Техническим результатом является повышение характеристик прочности алюминиевого сплава для изготовления деталей с использованием порошковых и аддитивных технологий при сохранении высоко уровня относительного удлинения, высокой термической стабильности и отсутствии дефектов.
1. Порошковый алюминиевый материал для изготовления изделий с использованием аддитивных технологий, полученный газовым распылением и содержащий магний, хром, цирконий, бор, по меньшей мере один элемент из группы, включающей марганец, железо, никель, и алюминий и неизбежные примеси, отличающийся тем, что он содержит компоненты в следующем соотношении, мас. %:
| магний | 4,5-6,5 |
| хром | 0,35-0,80 |
| цирконий | 0,40-1,0 |
| бор | 0,002-0,12 |
| марганец, железо, никель суммарно | 0,05-0,8 |
| алюминий и неизбежные примеси | остальное |
при этом соотношение хрома и циркония выбрано с обеспечением повышения их совместной растворимости в алюминии и исключения появления крупных интерметаллидов.
2. Порошковый алюминиевый материал по п. 1, отличающийся тем, что соотношение хрома к цирконию предпочтительно составляет от 0,5 до 1,5.
3. Изделие из порошкового алюминиевого материала, изготовленное с использованием аддитивных технологий, отличающееся тем, что оно изготовлено из порошкового алюминиевого материала по п. 1 или 2.
