CN106735173B - 一种金属基复合3d打印材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种金属基复合3D打印材料及其制备方法，包括按重量计的如下组分：铝合金基体100重量份；单晶蓝宝石晶须1~50重量份；稳定剂1~20重量份；本发明利用在铝合金中加入单晶蓝宝石晶须后，可以显著提高3D打印材料的球形度，降低氧含量，同时提高3D打印制品在高温下的弯曲弹性模量、抗拉强度，具有高强度、耐高温、抗氧化、耐腐蚀等多种性能。
Description
技术领域
本发明属于3D打印材料领域，具体涉及一种金属基复合3D打印材料，并进一步涉及该金属基3D打印材料的制备方法。
背景技术
铝合金是工业中应用最广泛的一类有色金属结构材料，在航空、航天、汽车、机械制造、船舶及化学工业中已大量应用，目前铝合金是应用最多的合金。
单晶蓝宝石晶须(Single crystal sapphire Whisker，亦称单晶蓝宝石纤维)是一种具有一定长径比的单晶氧化铝晶须，具有超强机械强度、抗热冲击、比重小、抗氧化、高耐磨量和高耐腐蚀性等优异的物理性能。单晶蓝宝石晶须适合作为陶瓷、金属、塑料及橡胶的增强组元。因此，单晶蓝宝石晶须成为第三代先进复合材料的最佳选择。
3D打印技术的原理是叠层制造，逐层增加材料来生成三维实体的技术，所以又被称为增材制造技术。不但克服了传统减材制造的浪费和损耗，而且使产品制造精准化，高效化，智能化。特别是涉及到复杂形状的高端产品，3D打印技术显示出巨大的优越性。被誉为颠覆传统制造业的第三次工业革命，被列入我国战略性新兴产业。但是由于3D打印技术是对传统制造模式的颠覆， 3D打印材料成为3D打印技术的瓶颈，限制了3D打印技术的发展，同时这也成为3D打印技术的创新点和难点。
3D打印主流成型技术包括选择性激光烧结（SLS）、熔融沉淀成型（FDM）、立体光固化（SLA）等。金属粉末作为3D打印原料，主要采用选择性激光烧结。选择性激光烧结技术是用高能量束（激光、电子束）作为热源，对粉末进行选区熔化，冷却后连续堆积，最终形成产品，由于金属通常熔点较高，又容易被氧化，这样会影响产品的强度。熔融的金属材料在凝固过程中体积收缩，会造成巨大的热应力，这也会影响材料的强度。另一方面，由于金属粉末粒径分布不均，冷却结晶过程复杂且难以控制，会出现晶体长大和枝晶等，必将降低材料的力学性能，导致构建产品无法获得高端应用。
中国发明专利CN201510138884.1公开了一种使用激光3D打印技术制备铝合金结构件的材料及方法，采用CAD三维实体模型切片技术，数字编程技术，激光快速成型技术，在铝合金的基体上通过激光束快速熔化、凝固“多层熔覆堆积”从零件数字模型完成铝合金结构件。通过直接球磨混合的方式混合粉料，含氧量高，粉体球形度低，熔融温度高，金属粉颗粒不均。在3D打印融化不均，在凝固时就会造成体积收缩，造成材料结构缺陷，强度受损。
发明内容
本发明的目的在于提供一种金属基复合3D打印材料及其制备方法，在铝合金中加入单晶蓝宝石晶须后，可以显著提高3D打印材料的球形度，降低氧含量，同时提高3D打印制品在高温下的弯曲弹性模量、抗拉强度，具有高强度、耐高温、抗氧化、耐腐蚀等多种性能，主要应用在航空航天、汽车制造等行业中，制作功能性原型件，用于结构验证和设计验证。
为实现以上目的，本发明的技术方案为：
一种金属基复合3D打印材料，包括按重量计的如下组分：
铝合金基体 100重量份
单晶蓝宝石晶须 1~50重量份
稳定剂 1~20重量份；
所述铝合金基体的成分包括Al、Fe和Si。
各组分优选重量份数如下：
铝合金基体 100重量份
单晶蓝宝石晶须 1~30重量份
稳定剂 1~10重量份。
进一步优选，铝合金基体的成分包括Al、Fe、 Cu、Mn、Mg、Ni、Zn、Pb、Sn、Ti、Si。
进一步优选，铝合金基体的成分中Al、Fe、 Cu、Mn、Mg、Ni、Zn、Pb、Sn、Ti、Si的重量分数分别为：Al: 85-92%, Fe:0.5%, Cu:0.05%, Mn:0.04%, Mg:0.3%, Ni:0.04%, Zn:0.1%, Pb:0.05%, Sn:0.01%, Ti:0.01%, Si:5-12%。
进一步优选：铝合金基体的成分分别为：Al: 89.9%, Fe:0.5%, Cu:0.05%, Mn:0.04%, Mg:0.3%, Ni:0.04%, Zn:0.1%, Pb:0.05%, Sn:0.01%, Ti:0.01%, Si:9%,或Al:88.9%, Fe:0.5%, Cu:0.05%, Mn:0.04%, Mg:0.3%, Ni:0.04%, Zn:0.1%, Pb:0.05%, Sn:0.01%, Ti:0.01%, Si:10%。
所述单晶蓝宝石晶须为直径0.1~0.5μm，长度为5~10μm，密度为4g/cm3，纯度（wt%）为90-99.9%的单晶蓝宝石晶须。
所述稳定剂为Ce2O3、Sm2O3中的任一种或两者的混合物。
一种金属基复合3D打印材料的制备方法包括：
（1）将单晶蓝宝石晶须和稳定剂加入无水乙醇中以500~750r/min搅拌3~15h后，超声分散10~30min。单晶蓝宝石晶须和稳定剂总质量与无水乙醇的质量比为1:1~10
（2）将分散好的单晶蓝宝石晶须和稳定剂的混合液冷冻干燥得到分散均匀的单晶蓝宝石晶须和稳定剂混合粉末，备用。
（3）母材熔化：将铝合金基体棒材装入坩埚内，置于雾化制粉炉中，在低于0.1Pa的真空下采用中频感应加热基体棒材。
（4）脱气：基体棒材完全熔化后，真空脱气10~15min。
（5）保温：向雾化气氛炉内充入高纯氩气，并在650~800℃温度范围内保温5~10min，得到精炼的母合金熔液。所述高纯氩气纯度为99.999wt%，氧含量低于10ppm。
（6）混合雾化：将上述熔融母合金熔液以5~25g/s的流量流经导管流下，用高纯氩气将金属熔液流破碎成细小液滴，同时另外一个导管用1~10g/s的流量将单晶蓝宝石晶须和稳定剂的混合物均匀送至导管口与金属细小液滴混合，经过冷却和凝固形成球形粉末。
（7）筛分：待粉末完全冷却后，在高纯氩气下筛分，筛分粒径在50μm以下的粉末进行真空包装，得到金属基复合3D打印材料。
本发明的有益效果是：
（1）本发明的一种金属基3D打印材料具有高强度、耐高温、抗氧化、耐腐蚀等多种性能，主要应用在航空航天、汽车制造等行业中，制作功能性原型件，用于结构验证和设计验证；
（2）本发明的一种金属基3D打印材料含氧量低，球形度高，粒径分布窄，流动性较好，与3D打印机成型速度匹配性较好；产品性质稳定，精度高。
（3）本发明的一种金属基3D打印材料过程简单，易于工业化生产，而且具有良好的环境效益和经济效益。
具体实施方式
通过实施例进一步详述本发明。
实施例1
（1）将10g单晶蓝宝石晶须和10g Ce2O3加入30ml无水乙醇中，以500~750r/min搅拌3h后，超声分散10~30min。
（2）将分散好的单晶蓝宝石晶须和稳定剂的混合液冷冻干燥得到分散均匀的单晶蓝宝石晶须和稳定剂混合粉末备用。
（3）母材熔化：将1000g铝合金基体棒材装入坩埚内，置于雾化制粉炉中，在低于0.1Pa的真空下采用中频感应加热基体棒材。
（4）脱气：基体棒材完全熔化后，真空脱气10~15min。
（5）保温：向雾化气氛炉内充入高纯氩气，并在650℃温度范围内保温5~10min，得到精炼的母合金熔液。
（6）混合雾化：将上述熔融母合金熔液以5~25g/s的质量流经导管流下，用高纯氩气将金属熔液流破碎成细小液滴，同时另外一个导管用1~10g/s的流量将单晶蓝宝石晶须和稳定剂的混合物均匀送至导管口与金属细小液滴混合，经过冷却和凝固形成球形粉末。
（7）筛分：待粉末完全冷却后，在高纯氩气下筛分，筛分粒径在50μm以下的粉末进行真空包装，得到实施例1的金属基复合3D打印材料。
实施例2
（1）将50g单晶蓝宝石晶须和20g Sm2O3加入150ml无水乙醇中，以500~750r/min搅拌5h后，超声分散10~30min。
（2）将分散好的单晶蓝宝石晶须和稳定剂的混合液冷冻干燥得到分散均匀的单晶蓝宝石晶须和稳定剂混合粉末备用。
（3）母材熔化：将1000g铝合金基体棒材装入坩埚内，置于雾化制粉炉中，在低于0.1Pa的真空下采用中频感应加热基体棒材。
（4）脱气：基体棒材完全熔化后，真空脱气10~15min。
（5）保温：向雾化气氛炉内充入高纯氩气，并在700℃温度范围内保温5~10min，得到精炼的母合金熔液。
（6）混合雾化：将上述熔融母合金熔液以5~25g/s的质量流经导管流下，用高纯氩气将金属熔液流破碎成细小液滴，同时另外一个导管用1~10g/s的流量将单晶蓝宝石晶须和稳定剂的混合物均匀送至导管口与金属细小液滴混合，经过冷却和凝固形成球形粉末。
（7）筛分：待粉末完全冷却后，在高纯氩气下筛分，筛分粒径在50μm以下的粉末进行真空包装，得到实施例2的金属基复合3D打印材料。
实施例3
（1）将150g单晶蓝宝石晶须和40g Ce2O3加入1000ml无水乙醇中，以500~750r/min搅拌5h后，超声分散10~30min。
（2）将分散好的单晶蓝宝石晶须和稳定剂的混合液冷冻干燥得到分散均匀的单晶蓝宝石晶须和稳定剂混合粉末备用。
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（4）脱气：基体棒材完全熔化后，真空脱气10~15min。
（5）保温：向雾化气氛炉内充入高纯氩气，并在700℃温度范围内保温5~10min，得到精炼的母合金熔液。
（6）混合雾化：将上述熔融母合金熔液以5~25g/s的质量流经导管流下，用高纯氩气将金属熔液流破碎成细小液滴，同时另外一个导管用1~10g/s的流量将单晶蓝宝石晶须和稳定剂的混合物均匀送至导管口与金属细小液滴混合，经过冷却和凝固形成球形粉末。
（7）筛分：待粉末完全冷却后，在高纯氩气下筛分，筛分粒径在50μm以下的粉末进行真空包装，得到实施例3的金属基复合3D打印材料。
实施例4
（1）将200g单晶蓝宝石晶须和100g Ce2O3加入1500ml无水乙醇中，以500~750r/min搅拌5h后，超声分散10~30min。
（2）将分散好的单晶蓝宝石晶须和稳定剂的混合液冷冻干燥得到分散均匀的单晶蓝宝石晶须和稳定剂混合粉末备用。
（3）母材熔化：将1000g铝合金基体棒材装入坩埚内，置于雾化制粉炉中，在低于0.1Pa的真空下采用中频感应加热基体棒材。
（4）脱气：基体棒材完全熔化后，真空脱气10~15min。
（5）保温：向雾化气氛炉内充入高纯氩气，并在800℃温度范围内保温5~10min，得到精炼的母合金熔液。
（6）混合雾化：将上述熔融母合金熔液以5~25g/s的质量流经导管流下，用高纯氩气将金属熔液流破碎成细小液滴，同时另外一个导管用1~10g/s的流量将单晶蓝宝石晶须和稳定剂的混合物均匀送至导管口与金属细小液滴混合，经过冷却和凝固形成球形粉末。
（7）筛分：待粉末完全冷却后，在高纯氩气下筛分，筛分粒径在50μm以下的粉末进行真空包装，得到实施例4的金属基复合3D打印材料。
实施例5
（1）将300g单晶蓝宝石晶须和80g Sm2O3加入3000ml无水乙醇中，以500~750r/min搅拌15h后，超声分散10~30min。
（2）将分散好的单晶蓝宝石晶须和稳定剂的混合液冷冻干燥得到分散均匀的单晶蓝宝石晶须和稳定剂混合粉末备用。
（3）母材熔化：将1000g铝合金基体棒材装入坩埚内，置于雾化制粉炉中，在低于0.1Pa的真空下采用中频感应加热基体棒材。
（4）脱气：基体棒材完全熔化后，真空脱气10~15min。
（5）保温：向雾化气氛炉内充入高纯氩气，并在800℃温度范围内保温5~10min，得到精炼的母合金熔液。
（6）混合雾化：将上述熔融母合金熔液以5~25g/s的质量流经导管流下，用高纯氩气将金属熔液流破碎成细小液滴，同时另外一个导管用1~10g/s的流量将单晶蓝宝石晶须和稳定剂的混合物均匀送至导管口与金属细小液滴混合，经过冷却和凝固形成球形粉末。
（7）筛分：待粉末完全冷却后，在高纯氩气下筛分，筛分粒径在50μm以下的粉末进行真空包装，得到实施例5的金属基复合3D打印材料。
将实施例1-5制备的金属基复合3D打印材料分别进行性能测试，测试结果如下：
实施案例中金属基复合3D打印材料的性能参数
| 平均粒径（μm） | 球形度（%） | 含氧量（ppm） | 硬度（HBW） | |
| 实施例1 | 45 | 80 | 213 | 125 |
| 实施例2 | 48 | 85 | 225 | 137 |
| 实施例3 | 42 | 90 | 246 | 128 |
| 实施例4 | 43 | 87 | 254 | 131 |
| 实施例5 | 45 | 85 | 233 | 129 |
通过以上数据表明，本发明制备的金属基复合3D打印材料含氧量低，球形度高，粒径分布窄，流动性较好，硬度高。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点，本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。
Claims (8)
1.一种金属基复合3D打印材料，其特征在于：包括按重量计的如下组分：
铝合金基体 100重量份
单晶蓝宝石晶须 1~50重量份
稳定剂 1~20重量份；
所述铝合金基体的成分包括Al、Fe、Cu、Mn、Mg、Ni、Zn、Pb、Sn、Ti、Si；重量百分比分别为：Al:85-92%，Fe:0.5%，Cu:0.05%，Mn:0.04%，Mg:0.3%，Ni:0.04%，Zn:0.1%，Pb:0.05%，Sn:0.01%，Ti:0.01%，Si:5-12%。
2.根据权利要求1所述的金属基复合3D打印材料，其特征在于：各组分重量份数如下：
铝合金基体 100重量份
单晶蓝宝石晶须 1~30重量份
稳定剂 1~10重量份。
3.根据权利要求1所述的金属基复合3D打印材料，其特征在于：铝合金基体的成分及重量百分比分别为：Al:89.9%，Fe:0.5%，Cu:0.05%，Mn:0.04%，Mg:0.3%，Ni:0.04%，Zn:0.1%，Pb:0.05%，Sn:0.01%，Ti:0.01%，Si:9%。
4.根据权利要求1所述的金属基复合3D打印材料，其特征在于：铝合金基体的成分及重量百分比分别为：Al:88.9%，Fe:0.5%，Cu:0.05%，Mn:0.04%，Mg:0.3%，Ni:0.04%，Zn:0.1%，Pb:0.05%，Sn:0.01%，Ti:0.01%，Si:10%。
5.根据权利要求1所述的金属基复合3D打印材料，其特征在于：所述单晶蓝宝石晶须为直径0.1~0.5μm，长度为5~10μm，密度为4g/cm3，纯度（wt%）为90-99.9%的单晶蓝宝石晶须。
6.根据权利要求1所述的金属基复合3D打印材料，其特征在于：所述稳定剂为Ce2O3、Sm2O3中的任一种或两者的混合物。
7.一种金属基复合3D打印材料的制备方法，其特征在于：（1）将单晶蓝宝石晶须和稳定剂加入无水乙醇中以500~750r/min搅拌3~15h后，超声分散10~30min；
（2）将分散好的单晶蓝宝石晶须和稳定剂的混合液冷冻干燥得到分散均匀的单晶蓝宝石晶须和稳定剂混合粉末，备用；
（3）母材熔化：将铝合金基体棒材装入坩埚内，置于雾化制粉炉中，在低于0.1Pa的真空下采用中频感应加热基体棒材；
（4）脱气：基体棒材完全熔化后，真空脱气10~15min；
（5）保温：向雾化气氛炉内充入高纯氩气，并在650~800℃温度范围内保温5~10min，得到精炼的母合金熔液；所述高纯氩气纯度为99.999wt%，氧含量低于10ppm；
（6）混合雾化：将熔融的母合金熔液以5~25g/s的流量流经导管流下，用高纯氩气将金属熔液流破碎成细小液滴，同时另外一个导管用1~10g/s的流量将单晶蓝宝石晶须和稳定剂的混合物均匀送至导管口与金属细小液滴混合，经过冷却和凝固形成球形粉末；
（7）筛分：待粉末完全冷却后，在高纯氩气下筛分，筛分粒径在50μm以下的粉末进行真空包装，得到权利要求1-6任一项所述的金属基复合3D打印材料。
8.根据权利要求7所述的金属基复合3D打印材料的制备方法，所述步骤（1）中单晶蓝宝石晶须和稳定剂总质量与无水乙醇的质量比为1:1~10。
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