Bột hợp kim nhôm Al6061 chất lượng cao cho sản xuất bồi đắp

Al6061 là một trong những hợp kim nhôm biến dạng đa năng và được sử dụng rộng rãi nhất trong sản xuất truyền thống (ví dụ: đùn, rèn, gia công CNC). Tuy nhiên, việc sử dụng nó trong sản xuất bồi đắp bằng bột (AM), đặc biệt là Hợp nhất Giường Bột bằng Laser (LPBF), khó khăn hơn đáng kể và ít phổ biến hơn so với các hợp kim đúc như AlSi10Mg hoặc AlSi7Mg.

Bột Al6061 "Chất lượng cao" được thiết kế để vượt qua những thách thức này, nhằm mục đích tái tạo sự kết hợp tuyệt vời giữa độ bền, khả năng hàn và khả năng chống ăn mòn, vốn làm cho dạng biến dạng trở nên phổ biến. In thành công với Al6061 đòi hỏi phải kiểm soát chính xác các đặc tính của bột và các thông số in tiên tiến.

Thành phần là chìa khóa cho các đặc tính của nó và phù hợp với các tiêu chuẩn như ASTM B928 hoặc AMS 4417.

• Tỷ lệ độ bền trên trọng lượng tuyệt vời: Một dấu hiệu của dòng 6xxx.
• Khả năng chống ăn mòn tốt: Đặc biệt là chống lại các điều kiện khí quyển, tốt hơn nhiều hợp kim dòng 2xxx hoặc 7xxx.
• Độ dẻo dai và độ dẻo cao: Ở trạng thái được xử lý nhiệt hoàn toàn, nó mang lại độ giãn dài tốt, làm cho nó phù hợp với các ứng dụng kết cấu.
• Khả năng hàn tuyệt vời: Ở dạng biến dạng, nó có khả năng hàn cao. Điều này chuyển thành tiềm năng tốt để sửa chữa hoặc sản xuất lai với AM.
• Thách thức về nứt nóng: Đây là trở ngại chính trong LPBF. Phạm vi hóa rắn của Al6061 rộng, khiến nó dễ bị nứt do hóa rắn (rách nóng) trong quá trình làm nguội nhanh của vũng nóng chảy.

Để Al6061 có bất kỳ cơ hội in thành công nào, chất lượng bột là tối quan trọng:

• Phân bố kích thước hạt (PSD): Được kiểm soát chặt chẽ, thường là 15 - 45 µm hoặc 20 - 63 µm. Phân bố hẹp cải thiện khả năng chảy và mật độ đóng gói.
• Hình thái: Hình cầu gần như hoàn hảo là không thể thương lượng. Bất kỳ hạt vệ tinh hoặc bất thường nào sẽ cản trở nghiêm trọng dòng chảy và gây ra khuyết tật.
• Khả năng chảy: Phải tuyệt vời (ví dụ: Hall Flow < 30 giây/50g). Dòng chảy kém sẽ dẫn đến các lớp không đều và độ xốp cao.
• Hàm lượng ẩm và oxit thấp: Điều này rất quan trọng. Bột phải được sản xuất, bảo quản và xử lý trong môi trường trơ (Argon) để giảm thiểu oxit bề mặt, có thể làm trầm trọng thêm tình trạng nứt và tạo ra các tạp chất.
• Độ tinh khiết hóa học: Bột chất lượng cao sẽ kiểm soát chặt chẽ các nguyên tố vi lượng có thể làm trầm trọng thêm tình trạng nứt nóng.

Vấn đề cơ bản: Không giống như AlSi10Mg gần eutectic, Al6061 hóa rắn trong một phạm vi nhiệt độ rộng. Điều này dẫn đến sự hình thành một vùng nhão dài, dễ bị tổn thương, nơi các màng lỏng giữa các dendrite bị xé toạc bởi ứng suất nhiệt, gây ra các vết nứt hóa rắn khiến một bộ phận trở nên vô dụng.

Chiến lược để in thành công:

• Tối ưu hóa thông số quy trình: Sử dụng laser công suất rất cao và các chiến lược quét cụ thể để tạo ra một vũng nóng chảy ổn định và quản lý các gradient nhiệt.
• Gieo hạt nano (Một phương pháp tiếp cận tiên tiến): Các phương pháp công nghiệp và nghiên cứu thành công nhất liên quan đến việc pha tạp bột Al6061 với các hạt nano được thiết kế đặc biệt (ví dụ: Zirconium (Zr), Scandium (Sc) hoặc Titanium Carbide (TiC)). Các hạt này hoạt động như các vị trí tạo mầm cho các hạt mịn, đẳng trục, có hiệu quả "vá" các ranh giới hạt dễ bị tổn thương và ngăn chặn sự lan truyền vết nứt. Điều này tạo ra một loại vật liệu mới thường được gọi là hợp kim dòng 6xxx "không nứt" (ví dụ: các biến thể như A6061-RAM hoặc Scalmalloy® cho dòng 7xxx).

Al6061 phản ứng tốt với quá trình xử lý nhiệt T6 tiêu chuẩn, điều này rất cần thiết để đạt được tiềm năng cơ học đầy đủ của nó.

• Xử lý nhiệt dung dịch: ~530°C trong thời gian đủ để hòa tan các nguyên tố hợp kim vào ma trận.
• Tắt: Làm nguội nhanh, thường là trong nước.
• Lão hóa nhân tạo: ~160-175°C trong 8-18 giờ để kết tủa các hạt Mg₂Si mịn, làm tăng đáng kể độ bền.

Do những thách thức, các ứng dụng cho Al6061 do LPBF sản xuất có nhiều ngách hơn nhưng nhắm mục tiêu vào các thành phần mà theo truyền thống sử dụng 6061 biến dạng:

• Nguyên mẫu & Dụng cụ hàng không vũ trụ: Đồ gá, đồ gá và nguyên mẫu chức năng cần khớp với các đặc tính của các bộ phận biến dạng cuối cùng.
• Ô tô: Giá đỡ tùy chỉnh và các bộ phận kết cấu nhẹ nơi độ dẻo được đánh giá cao.
• Sản xuất lai: Được sử dụng trong các quy trình Bồi đắp năng lượng định hướng (DED) để sửa chữa hoặc thêm các tính năng cho các thành phần 6061 hiện có.

Ưu điểm (Khi được in và xử lý thành công):

• Sự quen thuộc: Các đặc tính vật liệu được hiểu rõ đối với các kỹ sư.
• Sự kết hợp tuyệt vời của các thuộc tính: Độ bền tốt, độ dẻo cao và khả năng chống ăn mòn tuyệt vời.
• Khả năng hàn: Thích hợp để xử lý hậu kỳ và tích hợp với các thành phần khác.

Hạn chế:

• Cực kỳ khó xử lý bằng LPBF: Dễ bị nứt nóng cao khiến nó không đáng tin cậy đối với các hình dạng hình học phức tạp nếu không có các bộ thông số nâng cao hoặc sửa đổi vật liệu.
• Mật độ in thấp hơn: Rất khó để đạt được mật độ >99,5% điển hình của AlSi10Mg.
• Yêu cầu chuyên môn hóa: Không phải là vật liệu "cắm và chạy"; yêu cầu R&D và tối ưu hóa quy trình đáng kể.
• Chi phí: Bột chất lượng cao và nhu cầu phát triển thông số rộng rãi làm tăng chi phí tổng thể.