CN107299239A - 选区激光熔化法制备石墨烯增强的铝基复合材料的方法 - Google Patents

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Abstract

选区激光熔化成形法制备石墨烯增强铝基复合材料的方法，它属于复合材料制备领域。本发明是为了提高采用选区激光熔化法制备AlSi10Mg铝合金的综合力学性能。本发明制备方法是将AlSi10Mg铝合金与石墨烯按照配比分别称重；将称重的石墨烯粉末粉末溶于无水乙醇并超声分散；将称重的AlSi10Mg铝合金粉末溶于乙醇机械搅拌；将上述两溶液放入球磨机中湿磨混粉；然后经离心、干燥后再次球磨混粉；将制备的铝基混合粉末在选取激光熔化成形机器上制备铝基复合材料零件。本发明的优点能够提高铝合金合金的综合力学性能；采用选区激光熔化法制备铝基复合材料，能够灵活的调整加工参数，实现铝基复合材料复杂零部件的直接成型，提高生产效率。

Description

选区激光熔化法制备石墨烯增强的铝基复合材料的方法
技术领域
本发明属于复合材料制备领域，具体涉及一种选区激光熔化成形法制备石墨烯增强铝基复合材料的方法。
背景技术
石墨烯材料是目前世界上最薄、最坚硬、导电性能最强的一种新型纳米材料，被称为“黑金”，是“新材料之王”，科学家甚至预言其将彻底改变21世纪，极有可能掀起一场颠覆性新技术新产业革命。近年来，石墨烯增强的金属基复合材料成为一个新的研究热点，制备石墨烯-金属基复合材料的方法多数采用熔炼、粉末烧结等方法，制备效率低，并且还需要后续的机械加工才能最终成型所需要的复合材料零件。因此，增材制造的方法成为直接制造石墨烯-金属基复合材料零件的一种很具潜力的方法。
选区激光熔化(Selective Laser Melting，SLM)，是金属增材制造领域应用最为广泛的一种技术。与传统的减材制造相反，该技术利用高能激光逐层选择性的熔化金属粉末，逐层堆积成行金属零件，具有生产周期短、可生产复杂结构的零部件等优势，广泛应用于航空航天、汽车、医疗器械及模具制造等领域。目前，SLM成型的材料主要有钛合金、镍基合金、不锈钢粉末等。目前，SLM方法成型的铝合金材料主要为Al-Si系合金，为了制备综合力学性能更有的铝合金材料，本专利通过向AlSi10Mg中添加石墨烯，从而制备石墨烯增强的铝基复合材料，提高铝基合金的综合力学性能。
发明内容
本发明目的是提供一种选区激光熔化成形法制备石墨烯增强的铝基复合材料复合材料的方法，用于提高AlSi10Mg铝合金的综合力学性能。
本发明通过以下技术方案实现：
一种选区激光熔化成形法制备石墨烯增强的铝基复合材料复合材料的方法，包括如下步骤：
步骤1、按照重量份数分别称量AlSi10Mg粉末和少层石墨烯，其中石墨烯的重量分数为1%~5%；
步骤2、将少层石墨烯混合于无水乙醇中，放置于超声波细胞粉碎机中，超声混合，超声功率为150~300w，超声时间为2~5h，得到石墨烯分散液，其中无水乙醇和石墨烯的比例为：15:1；
步骤3、将AlSi10Mg粉末混合于无水乙醇中，采用机械搅拌的方式，得到AlSi10Mg溶液；
步骤4、将上述制备的石墨烯分散液和AlSi10Mg溶液置于球磨罐中并锁紧球磨罐，球料比为10:1；
步骤5、将球磨罐放入低温行星球磨机中，进行湿磨混粉，混粉过程中，低温行星球磨机自带的空冷装置，对球磨罐进行降温，防止球磨罐温度过高，其中混粉的时间为0.5~1.5 h，转速为150~250 r/min；
步骤6、将球磨罐取出，将得到的混合溶液过滤，放入离心机中离心1h，去除大部分无水乙醇，得到湿润的混合粉末。
步骤7、然后将混合粉末，放入真空干燥箱中，真空干燥12 h，干燥温度为20~60℃。
步骤8、将干燥后的粉末，再次放入球磨罐中，抽真空并通入高纯度氩气，放入低温行星球磨机中球磨混粉2~2.5 h，球磨速度为150~250 r/min，球磨过程中空冷装置将球磨罐的温度控制在10~15 ℃；其中，空冷装置型号为XQM-6。
步骤9、将得到的混合粉末放入真空干燥箱中真空干燥，待用；
步骤10、在选区激光熔化成形机器的控制电脑中，将三维模型导入，并且设置激光熔化成形的参数，在基板上逐层固化石墨烯-AlSi10Mg混合粉末，得到选区激光熔化成形法制备的石墨烯增强的铝基复合材料。
本发明所述的选区激光熔化成形法制备石墨烯增强的铝基复合材料的方法，设备简单，并且生产工序较少，成本较低，能够直接成型具有复杂结构的铝基复合材料零件。
本发明通过所述的选区激光熔化成形法制备石墨烯增强的铝基复合材料的方法制备的材料，其硬度可提高1~3倍，抗拉强度可提高60%~200%，抗压强度提高10%~70% 。
附图说明
图1是本发明选区激光熔化成形法制备石墨烯增强的铝基复合材料的流程图；
图2是本发明选区激光熔化成形法的原理图。
具体实施方式
下面是对本发明的技术方案的进一步说明,本发明的技术方案不局限于以下所列举的实施方式,还包括各具体实施方式的任意组合。
具体实施方式一：
一种选区激光熔化成形法制备石墨烯增强的铝基复合材料复合材料的方法，包括如下步骤：
步骤1、按照重量份数分别称量AlSi10Mg粉末和少层石墨烯，其中石墨烯的重量分数为1%；
步骤2、将少层石墨烯混合于无水乙醇中，放置于超声波细胞粉碎机中，超声混合，超声功率为150w，超声时间为2h，得到石墨烯分散液，其中无水乙醇和石墨烯的比例为：15:1；
步骤3、将AlSi10Mg粉末混合于无水乙醇中，采用机械搅拌的方式搅拌2 h，得到AlSi10Mg溶液；
步骤4、将上述制备的石墨烯分散液和AlSi10Mg溶液置于球磨罐中并锁紧球磨罐，球料比为10:1；
步骤5、将球磨罐放入低温行星球磨机中，进行湿磨混分，混分过程中，低温行星球磨机自带的空冷装置，对球磨罐进行降温，防止球磨罐温度过高，其中湿磨的混分的时间为1h，转速为150 r/min；
步骤6、将球磨罐取出，将得到的混合溶液过滤，放入离心机中离心1h，去除大部分无水乙醇，得到湿润的混合粉末；
步骤7、然后将混合粉末，放入真空干燥箱中，真空干燥12 h，干燥温度为60℃；
步骤8、将干燥后的粉末，再次放入球磨罐中，抽真空并通入高纯度氩气，放入低温行星球磨机中球磨混粉2 h，球磨速度为150 r/s，球磨过程中空冷装置将球磨罐的温度控制在10℃，其中，空冷装置型号为XQM-6；
步骤9、将得到的混合粉末放入真空干燥箱中真空干燥1h，将粉末放入送粉腔；
步骤10、在选区激光熔化成形机器的控制电脑中，将三维模型导入，并且设置激光熔化成形的参数，激光功率180W，扫描速度1200 mm/s，加工层厚0.03，扫描间距0.05mm，扫描方式为倾斜交叉67°，在基板上逐层固化石墨烯-AlSi10Mg混合粉末，得到选区激光熔化成形法制备的石墨烯增强的铝基复合材料。
本实施方式所述的选区激光熔化成形法制备石墨烯增强的铝基复合材料的方法，最终获得的硬度提高1倍，抗拉强度提高80%，抗压强度提高10%。
具体实施方式二：
一种选区激光熔化成形法制备石墨烯增强的铝基复合材料复合材料的方法，包括如下步骤：
步骤1、按照重量份数分别称量AlSi10Mg粉末和少层石墨烯，其中石墨烯的重量分数为3%；
步骤2、将少层石墨烯混合于无水乙醇中，放置于超声波细胞粉碎机中，超声混合，超声功率为200w，超声时间为4h，得到石墨烯分散液，其中无水乙醇和石墨烯的比例为：15:1；
步骤3、将AlSi10Mg粉末混合于无水乙醇中，采用机械搅拌的方式搅拌2 h，得到AlSi10Mg溶液；
步骤4、将上述制备的石墨烯分散液和AlSi10Mg溶液置于球磨罐中并锁紧球磨罐，球料比为10:1；
步骤5、将球磨罐放入低温行星球磨机中，进行湿磨混分，混分过程中，低温行星球磨机自带的空冷装置，对球磨罐进行降温，防止球磨罐温度过高，其中湿磨的混分的时间为1.5h，转速为200 r/min；
步骤6、将球磨罐取出，将得到的混合溶液过滤，放入离心机中离心1h，去除大部分无水乙醇，得到湿润的混合粉末；
步骤7、然后将混合粉末，放入真空干燥箱中，真空干燥12 h，干燥温度为60 ℃；
步骤8、将干燥后的粉末，再次放入球磨罐中，抽真空并通入高纯度氩气，放入低温行星球磨机中球磨混粉2.5 h，球磨速度为200 r/s，球磨过程中空冷装置将球磨罐的温度控制在10℃，其中，空冷装置型号为XQM-6；
步骤9、将得到的混合粉末放入真空干燥箱中真空干燥1h，将粉末放入送粉腔；
步骤10、在选区激光熔化成形机器的控制电脑中，将三维模型导入，并且设置激光熔化成形的参数，激光功率180W，扫描速度1200 mm/s，加工层厚0.03，扫描间距0.05mm，扫描方式为倾斜交叉67°，在基板上逐层固化石墨烯-AlSi10Mg混合粉末，得到选区激光熔化成形法制备的石墨烯增强的铝基复合材料。
本实施方式所述的选区激光熔化成形法制备石墨烯增强的铝基复合材料的方法，最终获得的硬度提高2倍，抗拉强度提高200%，抗压强度提高20%。
具体实施方式三：
一种选区激光熔化成形法制备石墨烯增强的铝基复合材料复合材料的方法，包括如下步骤：
步骤1、按照重量份数分别称量AlSi10Mg粉末和少层石墨烯，其中石墨烯的重量分数为5%；
步骤2、将少层石墨烯混合于无水乙醇中，放置于超声波细胞粉碎机中，超声混合，超声功率为300w，超声时间为5h，得到石墨烯分散液，其中无水乙醇和石墨烯的比例为：15:1；
步骤3、将AlSi10Mg粉末混合于无水乙醇中，采用机械搅拌的方式搅拌2 h，得到AlSi10Mg溶液；
步骤4、将上述制备的石墨烯分散液和AlSi10Mg溶液置于球磨罐中并锁紧球磨罐，球料比为10:1；
步骤5、将球磨罐放入低温行星球磨机中，进行湿磨混分，混分过程中，低温行星球磨机自带的空冷装置，对球磨罐进行降温，防止球磨罐温度过高，其中湿磨的混分的时间为1h，转速为250 r/min；
步骤6、将球磨罐取出，将得到的混合溶液过滤，放入离心机中离心1h，去除大部分无水乙醇，得到湿润的混合粉末；
步骤7、然后将混合粉末，放入真空干燥箱中，真空干燥12 h，干燥温度为60℃；
步骤8、将干燥后的粉末，再次放入球磨罐中，抽真空并通入高纯度氩气，放入低温行星球磨机中球磨混粉2.5 h，球磨速度为250 r/s，球磨过程中空冷装置将球磨罐的温度控制在10℃，其中，空冷装置型号为XQM-6；
步骤9、将得到的混合粉末放入真空干燥箱中真空干燥1h，将粉末放入送粉腔；
步骤10、在选区激光熔化成形机器的控制电脑中，将三维模型导入，并且设置激光熔化成形的参数，激光功率180W，扫描速度1200 mm/s，加工层厚0.03，扫描间距0.05mm，扫描方式为倾斜交叉67°，在基板上逐层固化石墨烯-AlSi10Mg混合粉末，得到选区激光熔化成形法制备的石墨烯增强的铝基复合材料。
本实施方式所述的选区激光熔化成形法制备石墨烯增强的铝基复合材料的方法，最终获得的硬度提高1倍，抗拉强度提高60%，抗压强度提高70%。

Claims (6)

1.一种选区激光熔化成形法制备石墨烯增强的铝基复合材料的方法，包括如下步骤：
步骤1、按照重量份数分别称量AlSi10Mg粉末和少层石墨烯，其中石墨烯的重量分数为1％～5％；
步骤2、将少层石墨烯混合于无水乙醇中，放置于超声波细胞粉碎机中，超声混合，超声功率为150～300w，超声时间为2～5h，得到石墨烯分散液，其中无水乙醇和石墨烯的比例为15:1；
步骤3、将AlSi10Mg粉末混合于无水乙醇中，采用机械搅拌的方式，得到AlSi10Mg溶液；
步骤4、将上述制备的石墨烯分散液和AlSi10Mg溶液置于球磨罐中并锁紧球磨罐，球料比为10:1；
步骤5、将球磨罐放入低温行星球磨机中，进行湿磨混粉，混粉过程中，低温行星球磨机自带的空冷装置，对球磨罐进行降温，防止球磨罐温度过高，其中混粉的时间为0.5～1.5h，转速为150～250r/min；
步骤6、将球磨罐取出，将得到的混合溶液过滤，放入离心机中离心1h，去除大部分无水乙醇，得到湿润的混合粉末；
步骤7、然后将混合粉末，放入真空干燥箱中，真空干燥12h，干燥温度为20～60℃；
步骤8、将干燥后的粉末，再次放入球磨罐中，抽真空并通入高纯度氩气，放入低温行星球磨机中球磨混粉2～2.5h，球磨速度为150～250r/min，球磨过程中空冷装置将球磨罐的温度控制在10～15℃，其中，空冷装置型号为XQM-6；
步骤9、将得到的混合粉末放入真空干燥箱中真空干燥，待用；
步骤10、在选区激光熔化成形机器的控制电脑中，将三维模型导入，并且设置激光熔化成形的参数，在基板上逐层固化石墨烯-AlSi10Mg混合粉末，得到选区激光熔化成形法制备的石墨烯增强的铝基复合材料。
2.根据权利要求1所述的一种选区激光熔化成形法制备石墨烯增强的铝基复合材料复合材料的方法，其特征在于步骤1中少层石墨烯的层数少于10层，厚度为5～16nm。
3.根据权利要求1所述的一种选区激光熔化成形法制备石墨烯增强的铝基复合材料复合材料的方法，其特征在于步骤1和步骤2中的无水乙醇的纯度为99.99％。
4.根据权利要求1所述的一种选区激光熔化成形法制备石墨烯增强的铝基复合材料复合材料的方法，其特征在于步骤5中的空冷装置将球磨罐温度控制在5～10℃。
5.根据权利要求1所述的一种选区激光熔化成形法制备石墨烯增强的铝基复合材料复合材料的方法，其特征在于步骤9真空干燥的时间为1h。
6.根据权利要求1所述的一种选区激光熔化成形法制备石墨烯增强的铝基复合材料复合材料的方法，其特征在于步骤10中选区激光熔化的工艺参数为激光功率180W，扫描速度1200mm/s，加工层厚0.03，扫描间距0.05mm，扫描方式为倾斜交叉67°。
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