Результат интеллектуальной деятельности: Сплав на основе алюминия

Изобретение относится к области металлургии, в частности к сплавам на основе алюминия, используемым для получения порошков, применяющихся для изготовления деталей с использованием аддитивных технологий, в том числе методом селективного лазерного синтеза.

В настоящее время для печати деталей из алюминиевых сплавов применяются сферические алюминиевые порошки на основе систем Al-Mg-Si-Cu и Al-Si, представляющие собой коммерческие сплавы, из которых получают детали методами литья или деформации. Данные сплавы обладают средним уровнем прочности, однако для получения ответственных деталей требуются материалы с высокими удельными свойствами и высокой технологичностью при печати.

Из уровня техники известен алюминиевый сплав, используемый для получения деталей методами трехмерной печати, содержащий 0,6 мас. % Si, 1,0 мас. % Mg, 0,3 мас. % Cu, Al - остальное (Eleftherios Louvis, Peter Fox, Christopher J. Sutcliffe. Selective laser melting of aluminium components // Journal of Materials Processing Technology №211. 2011. P. 275-284).

Недостатком данного сплава является низкая технологичность при изготовлении деталей методом селективного лазерного сплавления, что приводит к образованию горячих трещин и снижению уровня механических характеристик.

Известен алюминиевый сплав, содержащий, в мас. %:

Алюминий - основа (RU 2080406, опубл. 27.05.1997, С22С 21/00).

Недостатком заявленного материала является его высокая горячеломкость и низкие пластические характеристики, что приводит к формированию дефектов в напечатанном материале за счет термических напряжений. Данные дефекты приводят к снижению служебных характеристик материала, в особенности усталостной долговечности, что не позволяет применять данные материалы для ответственных деталей, подверженных знакопеременным нагрузкам.

Известен алюминиевый сплав, применяемый для изготовления изделий методом лазерного сплавления, содержащий, мас. %: магний до 4,3, скандий до 1,4, цирконий до 0,55, марганец до 0,7 (WO 2013179017, опубл. 05.12.2013, B22F 3/105).

Недостатком данного сплава являются низкие литейные свойства, что приводит к формированию дефектов в процессе селективного лазерного сплавления за счет термических напряжений, что негативно сказывается на прочностных и усталостных характеристиках материала.

Наиболее близким аналогом к заявленному изобретению является сплав, принятый за прототип, содержащий, мас. %:

Алюминий - основа (Kempen, K., Thijs, L., Yasa, Е., Badrossamay, М., Verheecke, W., Kruth, J. (2011). Process optimization and microstructural analysis for selective laser melting of AlSi₁₀Mg. Solid Freeform Fabrication Symposium Proceedings. Solid Freeform Fabrication Symposium. Austin, Texas, USA, 8-10 August 2011).

К недостаткам данного сплава можно отнести невысокие характеристики прочности, что связано с отсутствием достаточного количества элементов, обеспечивающих как твердорастворное, так и дополнительное дисперсионное упрочнение.

Технической задачей заявленного изобретения является создание алюминиевого сплава для изготовления порошков, пригодных для получения деталей с использованием аддитивных технологий, повышенными показателями прочности и усталостной долговечности при сохранении высокой технологичности при печати (отсутствие дефектов).

Технический результат заявленного изобретения заключается в получении сплава, обладающего высокими литейными характеристиками, с повышенной прочностью и усталостной долговечностью.

Заявленный результат достигается тем, что сплав на основе алюминия содержит кремний, магний, медь, цирконий, церий при следующем содержании элементов, мас. %:

Предпочтительно сплав изготавливается в виде частиц сферической формы.

Содержание кремния в заявленных пределах обеспечивает формирование в структуре достаточного количества эвтектических фаз, обеспечивающего малый интервал кристаллизации и высокие литейные характеристики, что приводит к получению плотной структуры с малым количеством дефектов, кроме того, дисперсное строение эвтектики повышает прочность материала. Введение магния в указанном диапазоне приводит к эффекту твердорастворного упрочнения, а также к формированию упрочняющих фаз Mg₂Si. Добавка меди приводит к повышению прочности за счет частичного растворения в твердом растворе, а также повышает характеристики усталостной долговечности за счет образования интерметаллидной фазы Q (Al₅Cu₂Mg₈Si₆), формирующейся в процессе распада пересыщенного твердого раствора алюминия, которая имеет благоприятную морфологию и когерентна матрице, что повышает характеристики усталостной долговечности. Добавка циркония приводит к формированию интерметаллидной фазы типа Al₃Zr, которая за счет высоких скоростей охлаждения имеет дисперсное строение. Фаза является хорошим препятствием для движения дислокаций, что приводит к одновременному росту прочности и усталостной долговечности. Введение церия приводит к повышению стабильности границ в процессе термической обработки, которая требуется для снятия термических напряжений. Это в свою очередь приводит к сохранению мелкого размера эвтектических составляющих и сохранению высоких показателей прочности.

Пример изготовления

Предлагаемый сплав (в соответствии с таблицей №1) отливали в круглые водоохлаждаемые изложницы диаметром 70 мм. После чего для получения металлопорошковой композиции проводили распыление при давлении 47-52 атм в среде аргона с использованием газового атомизатора. Полученный сферический порошок рассеивали до фракции 10-63 мкм.

С помощью принтера марки EOS проводили печать образцов. Мощность лазера составляла 300 Вт, скорость сканирования составляла 1300 мм/с. После печати проводили отжиг при температуре 200 градусов Цельсия для снятия внутренних напряжений. Испытания образцов проводили после чистовой механической обработки. Механические свойства определяли в соответствии с ГОСТ 1497 в направлении печати. Испытания на усталость проводили в соответствии с ГОСТ 25.502-79 на круглых корсетных образцах при напряжении 120 МПа и частоте 40 Гц. Пористость оценивали металлографическим способом на микрошлифах в направлении поперек печати. Шлифы исследовались после полировки и промывки на 10 полях. Пористость оценивалась как соотношение площади пор к площади поля зрения. Результаты испытаний представлены в таблице 2.

Как видно из таблицы, предлагаемый сплав обладает повышенной на 10-15% прочностью в сравнении с прототипом, а также повышенной на 25% усталостной долговечностью. Кроме того, предлагаемый сплав обеспечивает получение структуры образцов с минимальным содержанием дефектов.