CN104745894B

CN104745894B - 多相纳米陶瓷颗粒增强Al基复合材料及其激光3D打印成形方法

Info

Publication number: CN104745894B
Application number: CN201510113924.7A
Authority: CN
Inventors: 顾冬冬; 王泓乔; 马亮
Original assignee: Lime Intelligence Science And Technology Ltd Is Thought In Jiangsu
Current assignee: Lime Intelligence Science And Technology Ltd Is Thought In Jiangsu
Priority date: 2015-03-17
Filing date: 2015-03-17
Publication date: 2017-04-05
Anticipated expiration: 2035-03-17
Also published as: CN104745894A

Abstract

本发明公开了一种多相纳米陶瓷颗粒增强Al基复合材料及其激光3D打印成形方法；Al基复合材料的复合材料基体选用纯度为99.9%以上、粒度为15μm‑30μm的AlSiMg 粉末；Al基复合材料的增强相选用纯度为99.9%以上、粒度为10μm‑100μm的粉末复合体，该粉末复合体包括Al₂O₃，SiO₂，TiN，TiC，ZnO，Y₂O₃；将上述两粉末混合后依次经过高温煅烧合成‑‑球磨‑‑3D打印成形，即可加工出所需的三维块体。本发明所得Al基复合材料具有均匀细化的显微组织和优异的力学性能，综合力学性能比相应材料的传统铸造或粉末冶金制品性能水平提高25%以上。

Description

多相纳米陶瓷颗粒增强Al基复合材料及其激光3D打印成形方法

技术领域

本发明涉及一种多相纳米陶瓷颗粒增强Al基复合材料及其激光3D打印成形方法；属于激光3D打印成形金属基复合材料技术领域。

背景技术

随着科学技术的不断进步,对材料性能提出了更高的要求，既希望具有良好的综合性能，如低密度、高强度、高刚度、高韧性、高耐磨性和良好的抗疲劳性能等，又期望能在高温、高压、高真空、强烈腐蚀及辐照等极端环境条件下服役。传统的单一材料已难以满足上述要求。近年来，颗粒增强铝基复合材料引起了广泛的关注，陶瓷颗粒与铝合金的复合使颗粒增强铝基复合材料展现出优异的性能,如低密度、高的比强度和比刚度、高弹性模量、耐磨性能好、高热导率和低的热膨胀系数。颗粒增强铝基复合材料因其具有优异性能逐渐成为铝基复合材料的研究重点。该类材料已经在航空航天、汽车及微电子等领域获得规模应用。研究表明，降低增强体的颗粒尺寸达到纳米级可以有效提高金属基复合材料的机械性能，如提高强度和减少裂纹。为了得到具有理想性能的纳米复合材料，作为增强体的纳米颗粒必须均匀地分布于基体材料中。可是，由于纳米颗粒一般具有极大的比表面积，使其团聚驱动力提高，则这种纳米级尺寸颗粒均匀地分布于基体中是很难获得的。

目前，制备纳米陶瓷颗粒增强Al基复合材料较为成熟的方法有粉末冶金法、搅拌铸造法、挤压铸造法和喷射沉积法。这些方法都是先通过球磨制备复合粉末，再采用热等静压、冷等静压和热挤压等方式制备出块体铝基纳米复合材料。此类方法虽然工艺简单，产量较高，并能制备出致密度较高的纳米复合材料，但随之产生的下列问题将显著影响材料组织及性能：（1）颗粒团聚。纳米颗粒分散性差，极易团聚，致成形材料中纳米陶瓷增强颗粒分布不均，组织均匀性差。（2）晶粒粗化。即便设法改善纳米颗粒分散均匀性，但因其比表面积大、活性强，在高温加工实现粉末致密化的同时，纳米增强相自身的晶粒极易长大粗化，致使其失去预期的纳米结构。虽经材料及工艺优化，但并不能行之有效地解决上述问题。因此，设法解决以上问题对于制备性能优异的铝基纳米复合材料具有重要意义。

激光照射在物体上与可见光一样，也有被吸收和反射的性质，经测试，铝合金金属表面对激光的反射率高达90%以上，从而造成大部分激光能量的损失，而且对操作人员的身体健康也带来了一定程度的危害。为此，可考虑通过添加陶瓷颗粒来大幅度地铝合金金属表面的吸收率。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提供一种多相纳米陶瓷颗粒增强Al基复合材料及其激光3D打印成形方法；所述的Al基复合材料，通过采用多相纳米陶瓷颗粒作为增强相，使得Al基复合材料具有优异的力学性能；另外，本发明采用3D打印成形方法制备Al基复合材料，使得Al基复合材料具有均匀细化的显微组织和优异的力学性能，综合力学性能比相应材料的传统铸造或粉末冶金制品性能水平提高25%以上。

为实现以上的技术目的，本发明将采取以下的技术方案：

一种多相纳米陶瓷颗粒增强Al基复合材料，包括复合材料基体以及增强相，所述的复合材料基体为AlSiMg；其特征在于，所述的增强相为多相纳米陶瓷颗粒，包括Al₂O₃、SiO₂、TiN、TiC、ZnO、Y₂O₃；Al基复合材料中，各组分的质量份数如下：AlSiMg 65-75，Al₂O₃3-15，SiO2 2-8，TiN 5-10，TiC 3-6，ZnO 3-10，Y₂O₃ 3-10。

各组分的质量份数如下：AlSiMg 65-70，Al₂O₃5-15，SiO2 2-8，TiN 5-10，TiC 3-6，ZnO 5-10，Y₂O₃ 3-7。

一种多相纳米陶瓷颗粒增强Al基复合材料的激光3D打印成形方法，包括以下步骤：

（1）组分选择——Al基复合材料的复合材料基体选用纯度为99.9%以上、粒度为15μm-30μm的AlSiMg 粉末；Al基复合材料的增强相选用纯度为99.9%以上、粒度为10μm-100μm的多相纳米陶瓷颗粒，该粉末复合体包括Al₂O₃，SiO₂，TiN，TiC，ZnO，Y₂O₃；Al基复合材料中，各组分的质量份数如下：AlSiMg 65-75，Al₂O₃3-15，SiO2 2-8，TiN 5-10，TiC 3-6，ZnO 3-10，Y₂O₃ 3-10；

（2）高温煅烧合成——将复合材料基体、粉末复合体混合后，采用高温煅烧合成，合成温度为300-500°C，然后冷却粉碎；

（3）球磨——将经过步骤（2）中冷却粉碎后的材质，置于行星式高能球磨机中球磨，使球磨后多相陶瓷颗粒以纳米形态分布于AlSiMg合金基体中，同时细化多相陶瓷颗粒；

（4）3D打印——将球磨后的粉末取出，采用高能激光逐层3D打印；具体包括如下步骤：铺粉装置将粉末均匀铺放在成形缸基板上，激光束根据计算机设计的CAD模形逐行扫描粉层，进而形成零件的水平方向上的二维截面，接下来成形缸活塞下降粉层厚度的距离，供粉缸活塞以2~3倍的距离上升，铺粉装置再次铺粉，激光束根据零件的第二层CAD信息扫描粉末；

（5）重复步骤（4），直至三维块体加工完毕。

成形的Al基复合材料尺寸为100×100×100mm以上。

高能激光逐层3D打印的参数是：铺粉厚度为50μm~70μm，光斑直径为50μm~100μm，扫描间距为400μm~600μm，激光功率100W~150W，扫描速率为100mm/s~400 mm/s。

球磨过程中，采用氩气进行保护，并添加直径为Ф6~Ф10 mm的不锈钢球作为球磨介质，不锈钢球与粉料的质量比为8：1~10：1，球磨机转速为250~300 rpm，球磨时间为20~45h。

根据以上的技术方案，相对于现有技术，本发明具有以下的优点：

1.本发明采用多相纳米陶瓷颗粒作为AlSiMg复合材料基体的增强相，并通过3D打印技术成形，一方面，本发明所用的多相纳米陶瓷颗粒相较于现有的单一的陶瓷颗粒增强相而言，具有多种复合优异性能，比如提高复合材料的硬度、耐磨性、抗化学腐蚀性、导热性、机械强度等性能；另一方面，本发明采用多相陶瓷颗粒作为增强相，在进行球磨过程中，有利于多相陶瓷颗粒在AlSiMg复合材料基体中的分散，激光3D打印加工后，通过控制激光参数，使这些纳米陶瓷颗粒均匀地分布在Al基体上，从而显著地提高了Al基复合材料的力学性能。

2.成形过程中的液相熔池存在时间较短，冷却速率约为10⁵~10⁶ K/s。此快速成形方法的熔化/凝固是一种高度非平衡过程，具有较高的过冷度和冷却速率，凝固时间极短，晶粒没有充足的时间长大。从而使增强相在激光加工后保持纳米结构。

3.激光非平衡熔池内存在显著的温度梯度和化学浓度梯度，两者共同作用形成表面张力梯度以及激光熔化特有的 Marangoni气流，熔池内部流场作用促使纳米增强相空间位置重排、有效避免团聚。从而使激光加工后多相纳米增强相均匀分布在Al基体内。

4.通过实验发现，利用本方法制备的Al基复合材料具有均匀细化的显微组织和优异的力学性能，综合力学性能比相应材料的传统铸造或粉末冶金制品性能水平提高25%以上。

具体实施方式

下面结合各具体实施例，进一步阐明本发明。应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。

实施例1

（1）选用复合材料基体为99.9%以上，粒度为15μm的AlSiMg 粉末，增强相为纯度为99.9%以上，粒度为10μm的Al₂O₃，SiO₂，TiN，TiC，ZnO，Y₂O₃粉末的复合体。其中粉末重量百分组成为：AlSiMg 65%，Al₂O₃3%，SiO2 2%，TiN 5%，TiC 3%，ZnO 3%，Y₂O₃ 10%。

（2）将上述粉末混合经过高温煅烧合成，合成温度为300-500°C，然后冷却粉碎；

（3）将混合后的粉末置于行星式高能球磨机中球磨，使球磨后多相陶瓷颗粒以纳米形态分布与AlSi10Mg合金基体中，同时细化复合粉末；氩气进行保护，添加直径为Ф6mm的不锈钢球作为球磨介质，磨球与粉料的质量比为8：1，球磨机转速为 250~300 rpm，球磨时间为20 h；

（4）将球磨后的粉末取出用高能激光逐层扫描粉末，铺粉装置将粉末均匀铺放在成形缸基板上，激光束根据计算机设计的CAD模型逐行扫描粉层，进而形成零件的水平方向上的二维截面，接下来成形缸活塞下降粉层厚度的距离，供粉缸活塞以2~3倍的距离上升，铺粉装置再次铺粉，激光束根据零件的第二层CAD信息扫描粉末；其中每次铺粉厚度为50μm，光斑直径为50μm，扫描间距为400μm，激光功率100W，扫描速率为100mm/s；

（5）重复步骤（4），直至三维块体加工完毕。

本发明的技术方案中使用了高能激光3D打印加工技术。高能激光加工技术是一种新近发展的快速成形（Rapid Manufacturing，RM）技术，能根据零件的计算机辅助设计（Computer Aided Design， CAD）模形，利用高能激光束逐层熔化处于松散状态的粉体材料，从而堆积成形任意形状的三维零件，经过材料及工艺优化，一次成形的致密度可高于98%，成形零件可直接满足工业使用要求。高能激光技术一大特点是选材广泛，对金属、合金、陶瓷及其复合材料均具有很强的适用性。高能激光技术基于材料完全熔化的成形机制，对于陶瓷颗粒增强金属基复合材料，即便是熔点相对较高的陶瓷组分也将激光加工过程中全部熔化。复合材料中陶瓷增强相通过完全溶解/析出过程而形成。鉴于高能激光工艺特殊的冶金机制，可将其用于金属基纳米复合材料的成形，获取其它传统工艺难以制备的显微组织均匀的块体纳米复合材料。本发明有效地避免利用粉末冶金法、搅拌铸造法、挤压铸造法和喷射沉积法等方法制备铝基纳米复合材料时出现的纳米颗粒易团聚，晶粒易粗化，无法发挥其纳米效应的难题，这显著提高了Al基复合材料的力学性能。利用本方法制备的Al基复合材料对激光的吸收率高达70%-80%，而且其具有良好的显微组织和优异的力学性能。

实施例2

（1）选用复合材料基体为99.9%以上，粒度为30μm的AlSiMg 粉末，增强相为纯度为99.9%以上，粒度为100μm的Al₂O₃，SiO₂，TiN，TiC，ZnO，Y₂O₃粉末的复合体。其中粉末重量百分组成为：AlSiMg75%，Al₂O₃15%，SiO2 8%，TiN 10%，TiC6%，ZnO 10%，Y₂O₃10%。

（2）将上述粉末混合经过高温煅烧合成，合成温度为500°C，然后冷却粉碎；

（3）将混合后的粉末置于行星式高能球磨机中球磨，使球磨后多相陶瓷颗粒以纳米形态分布与AlSi10Mg合金基体中，同时细化复合粉末；氩气进行保护，添加直径为Ф10mm的不锈钢球作为球磨介质，磨球与粉料的质量比为8：1~10：1，球磨机转速为 250~300rpm，球磨时间为45 h；

（4）将球磨后的粉末取出用高能激光逐层扫描粉末，铺粉装置将粉末均匀铺放在成形缸基板上，激光束根据计算机设计的CAD模型逐行扫描粉层，进而形成零件的水平方向上的二维截面，接下来成形缸活塞下降粉层厚度的距离，供粉缸活塞以2~3倍的距离上升，铺粉装置再次铺粉，激光束根据零件的第二层CAD信息扫描粉末；其中每次铺粉厚度为70μm，光斑直径为100μm，扫描间距为600μm，激光功率150W，扫描速率为400 mm/s；

（5）重复步骤（4），直至三维块体加工完毕。

实施例3

（1）选用复合材料基体为99.9%以上，粒度为25μm的AlSiMg 粉末，增强相为纯度为99.9%以上，粒度为50μm的Al₂O₃，SiO₂，TiN，TiC，ZnO，Y₂O₃粉末的复合体。其中粉末重量百分组成为：AlSiMg 70%，Al₂O₃10%，SiO2 5%，TiN 8%，TiC 4%，ZnO 7%，Y₂O₃ 3%。

（3）将混合后的粉末置于行星式高能球磨机中球磨，使球磨后多相陶瓷颗粒以纳米形态分布与AlSi10Mg合金基体中，同时细化复合粉末；氩气进行保护，添加直径为Ф8 mm的不锈钢球作为球磨介质，磨球与粉料的质量比为8：1~10：1，球磨机转速为 250~300 rpm，球磨时间为30h；

（4）将球磨后的粉末取出用高能激光逐层扫描粉末，铺粉装置将粉末均匀铺放在成形缸基板上，激光束根据计算机设计的CAD模型逐行扫描粉层，进而形成零件的水平方向上的二维截面，接下来成形缸活塞下降粉层厚度的距离，供粉缸活塞以2~3倍的距离上升，铺粉装置再次铺粉，激光束根据零件的第二层CAD信息扫描粉末；其中每次铺粉厚度为60μm，光斑直径为80μm，扫描间距为500μm，激光功率120W，扫描速率为300 mm/s；

（5）重复步骤（4），直至三维块体加工完毕。

本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述技术手段所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。

以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims

1.一种多相纳米陶瓷颗粒增强Al基复合材料的激光3D打印成形方法，该Al基复合材料，包括复合材料基体以及增强相，所述的复合材料基体为AlSiMg；所述的增强相为多相纳米陶瓷颗粒，包括Al₂O₃、SiO₂、TiN、TiC、ZnO、Y₂O₃；Al基复合材料中，各组分的质量份数如下：AlSiMg 65-75，Al₂O₃ 3-15，SiO₂ 2-8，TiN 5-10，TiC 3-6，ZnO 3-10，Y₂O₃ 3-10；其特征在于，包括以下步骤：

(1)组分选择——Al基复合材料的复合材料基体选用纯度为99.9％以上、粒度为15μm-30μm的AlSiMg粉末；Al基复合材料的增强相选用纯度为99.9％以上、粒度为10μm-100μm的粉末复合体，该粉末复合体包括Al₂O₃，SiO₂，TiN，TiC，ZnO，Y₂O₃；Al基复合材料中，各组分的质量份数如下：AlSiMg 65-75，Al₂O₃ 3-15，SiO₂ 2-8，TiN 5-10，TiC 3-6，ZnO 3-10，Y₂O₃ 3-10；

(2)高温煅烧合成——将复合材料基体、粉末复合体混合后，采用高温煅烧合成，合成温度为300-500℃，然后冷却粉碎；

(3)球磨——将经过步骤(2)中冷却粉碎后的材质，置于行星式高能球磨机中球磨，使球磨后多相陶瓷颗粒以纳米形态分布于AlSiMg合金基体中，同时细化多相陶瓷颗粒；

(4)3D打印——将球磨后的粉末取出，采用高能激光逐层3D打印；具体包括如下步骤：铺粉装置将粉末均匀铺放在成形缸基板上，激光束根据计算机设计的CAD模形逐行扫描粉层，进而形成零件的水平方向上的二维截面，接下来成形缸活塞下降粉层厚度的距离，供粉缸活塞以2～3倍的距离上升，铺粉装置再次铺粉，激光束根据零件的第二层CAD信息扫描粉末；重复步骤(4)，直至三维块体加工完毕。

2.根据权利要求1所述的多相纳米陶瓷颗粒增强Al基复合材料的激光3D打印成形方法，其特征在于，成形的Al基复合材料尺寸为100×100×100mm以上。

3.根据权利要求1所述的多相纳米陶瓷颗粒增强Al基复合材料的激光3D打印成形方法，其特征在于，高能激光逐层3D打印的参数是：铺粉厚度为50μm～70μm，光斑直径为50μm～100μm，扫描间距为400μm～600μm，激光功率100W～150W，扫描速率为100mm/s～400mm/s。

4.根据权利要求1所述的多相纳米陶瓷颗粒增强Al基复合材料的激光3D打印成形方法，其特征在于，球磨过程中，采用氩气进行保护，并添加直径为Ф6～Ф10mm的不锈钢球作为球磨介质，不锈钢球与粉料的质量比为8：1～10：1，球磨机转速为250～300rpm，球磨时间为20～45h。

5.根据权利要求1所述的多相纳米陶瓷颗粒增强Al基复合材料的激光3D打印成形方法，其特征在于，各组分的质量份数如下：AlSiMg 65-70，Al₂O₃ 5-15，SiO₂ 2-8，TiN 5-10，TiC 3-6， ZnO 5-10，Y₂O₃ 3-7。