CN109128150A - 3d打印高强度铝合金用金属粉末、打印方法及其应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种3D打印高强度铝合金用金属粉末，用所述金属粉末3D打印高强度铝合金的打印方法及其该3D打印方法的应用。所述3D打印高强度铝合金用金属粉末，包括铝合金微米颗粒，其特征在于，所述铝合金微米颗粒表面从里到外依次修饰有石墨烯和纳米增强颗粒；石墨烯添加量为所述金属粉末总质量的0.3‑0.6％，纳米增强颗粒总添加量为所述金属粉末总质量的1‑3％；所述铝合金微米颗粒的粒径为10μm‑60μm；纳米增强颗粒的粒径为30nm‑60nm。所述金属粉末可打印高强度铝合金，广泛引用于铝合金部件的制造上。

Description

3D打印高强度铝合金用金属粉末、打印方法及其应用
技术领域
本发明涉及一种3D打印高强度铝合金用金属粉末、打印方法及其应用，属于3D打印技术领域。
背景技术
铝合金具有高的比强度、比模量、和良好的断裂韧性、抗疲劳、耐腐蚀的性能，是各个工业部门广泛应用的重要的材料。随着轻量化、结构功能一体化的强劲需求，高强铝合金零件在高速列车等领域应用广泛，但因其焊接性能和铸造性能差，传统加工方法制备困难。而且传统减材加工方式对材料浪费严重，而且难以实现对复杂形面的成形，特别是在成形大型金属构件的情况下，更是成本高昂、浪费严重、制造周期长。
3D打印，也称为增材制造(Additive Manufacturing，AM)，是一个从三维模型数据出发，将材料逐层堆积制造物体的过程，而不是传统的减法制造方法。这种无需原胚和模具的制造方法可以给行业带来新的设计灵活性，减少能源使用和缩短上市时间。目前较为成熟的3D打印方法为激光3D打印，但是，与不锈钢、高温合金、钛合金等其他金属材料相比，铝合金对激光的反射率较高、对激光的吸收率较低、易氧化以及具有较高的导热系数，在3D打印过程中经常发生开裂、翘曲、变形、球化等现象，打印构件存在致密度低、脆化、翘曲、开裂等问题，是3D打印技术中最难打印的材料之一。为了得到优异性能的高强度铝合金结构件，满足航空航天、武器装备产品对铝合金构件的要求，有必要开发一种用于3D打印高强度铝合金的金属粉末及其3D打印方法。
发明内容
本发明的发明目的是提供一种3D打印高强度铝合金用金属粉末，用所述金属粉末3D打印高强度铝合金的打印方法及其该3D打印方法的应用。
本发明实现其发明目的首先提供了一种用于3D打印高强度铝合金用金属粉末，包括铝合金微米颗粒，其特征在于，所述铝合金微米颗粒表面从里到外依次修饰有石墨烯和纳米增强颗粒；石墨烯添加量为所述金属粉末总质量的0.3-0.6％，纳米增强颗粒总添加量为所述金属粉末总质量的1-3％；所述铝合金微米颗粒的粒径为10μm-60μm；纳米增强颗粒的粒径为30nm-60nm。所用的石墨烯层数为3-6层，厚度为2-8nm，直径为4-12μm。
本发明金属粉末的设计原理是：石墨烯是一种由碳原子组成的单原子层结构的材料，凭借其独特的机械、电学、化学及光学等方面的优异性能，受到材料界的极大重视，被认为是一种非常有发展前途的增强体材料。纳米增强颗粒可在3D打印成形过程中产生大量的异质形核质点，显著细化了晶粒，使得晶粒形状由柱状晶变成抗热裂性能高的等轴晶，热裂敏感性大大降低，可实现铝合金无裂纹的3D打印成形。
进一步，按质量百分比计，所述铝合金微米颗粒中元素的组分含量为，Zn：4.7-6.0wt％，Mg：1.5-2.5wt％，Cu：1.6-2.0wt％，Cr：0.15-2.0wt％，Fe：0.15-0.18wt％，Mn：0.01-0.03wt％，Yb：0.3-0.6wt％，Si：≤0.08wt％，Ti≤0.01wt％，余量为Al。
实验验证，以上元素组分含量制备的铝合金微米颗粒球形度高，粒径小，通过3D打印获得的铝合金零部件力学性能优异，其中增加0.3-0.6wt％的Yb元素起到细化作用、变质作用以及微合金化作用。
进一步，本发明所述纳米增强颗粒包括ZrB2纳米颗粒和/或TiB2纳米颗粒。
ZrB2和TiB2颗粒均属六方晶系的准金属化合物，稳定性好，熔点较高，且两种颗粒热膨胀系数相等，以此作为增强颗粒提升铝合金基体的综合力学性能。
进一步，本发明所述用于3D打印高强度铝合金的金属粉末由以下方法制备：
S1、将粒径为10μm-60μm，平均球形度≥0.95的铝合金微米颗粒加入到十六烷基三甲基溴化铵水溶液中，通过超声使铝合金微米颗粒在十六烷基三甲基溴化铵水溶液中充分分散，然后经过搅拌1h～2h、洗涤、过滤，得到十六烷基三甲基溴化铵修饰的带正电荷的铝合金微米颗粒；所述十六烷基三甲基溴化铵水溶液中十六烷基三甲基溴化铵的质量分数为1％，加入十六烷基三甲基溴化铵水溶液中铝合金微米颗粒的重量与十六烷基三甲基溴化铵水溶液的体积比为1g:1.5mL；
S2、将步骤S1得到的带正电荷的铝合金微米颗粒加入去离子水中，搅拌或超声分散得到铝合金微米颗粒悬浮液；将石墨烯加入去离子水中，超声充分分散得到石墨烯分散液，将石墨烯分散液加入到铝合金微米颗粒悬浮液中，充分搅拌，使得带负电荷的石墨烯通过静电吸引吸附到带正电荷的铝合金微米颗粒表面，得到表面修饰有石墨烯的铝合金微米颗粒悬浮液；
S3、将纳米增强颗粒加入到去离子水中，超声充分分散得到纳米增强颗粒悬浮液，并将所述增强颗粒悬浮液加入表面修饰有石墨烯的铝合金微米颗粒悬浮液中，充分搅拌，使得纳米增强颗粒吸附在石墨烯表面，然后过滤，冷冻干燥；得到石墨烯和纳米增强颗粒修饰的铝合金微米颗粒；
S4、将步骤S3制得的石墨烯和纳米增强颗粒修饰的铝合金微米颗粒进行筛分处理，得到粒度为10μm-60μm的细小均匀粉末；
S5、将步骤S4筛分处理得到的粉末置于真空脱气炉，进行真空脱气，即可得到用于3D打印高强度铝合金的金属粉末。所述真空脱气的条件为，在2*10-3-1*10-2Pa真空度下，依次在100-200℃保温1-2h，在300～400℃保温2～5h。
上述制备方法的原理是：首先在通过静电组装铝合金微米颗粒表面包裹石墨烯，再利用物理吸附作用将TiB2和/或ZrB2纳米粒子吸附在石墨烯表面，得到表面修饰有石墨烯和纳米增强颗粒的铝合金微米颗粒。
碳原子的p电子组成的大π和TiB2和/或ZrB2中的B原子外的p空轨道结合，形成p电子与p轨道的物理吸附，将TiB2和/或ZrB2吸附在石墨烯表面，宏观上分析，石墨烯表面带有电负性，TiB2和ZrB2的Zeta电位均在正46mV以上，可与石墨烯形成静电物理吸附。
一般采用球磨法将石墨烯修饰修饰在铝合金微米颗粒表面，但球磨法会对破坏石墨烯的尺寸和结构，削弱石墨烯的强化作用，破坏石墨烯表面的电子云分布，同时球磨法也会降低铝合金微米颗粒的球形度。本发明用静电组装的方法有效地将石墨烯分散包裹在铝合金微米颗粒表面，避免了球墨处理对石墨烯尺寸破坏以及对铝合金基体产生的加工硬化现象，防止了石墨烯团聚现象的发生。
粉末颗粒粒径越小，表面能越大，也就越容易吸附气体，吸附的气体会进一步加剧粉末的粘连、团聚，真空脱气过程可使粉末间隙或者表面的气体释放出来。上述方法制备的用于3D打印高强度铝合金的金属粉末氧含量低于800ppm，粉末流动性小于55s/50g。
本发明实现其发明目的还提供了一种用上述金属粉末3D打印高强度铝合金的方法，包括以下步骤：a、构建所需制备零件构件的三维模型并将其输入3D打印编辑软件中，编辑后进行二维化处理，得到二维切片数据并将其导入选区熔化成形设备，设定熔化沉积扫描路径和加工工艺参数；b、通过设置在成形基板上方的感应加热装置预热成形基板，密封选区熔化成形设备的工作台并充入氩气保护，至氧气含量在300ppm以下；c、按照所述二维切片数据的切片厚度，将所述用于3D打印高强度铝合金的金属粉末在成形基板上进行一层铺粉；d、选区熔化成形设备的热源按照预先设定的扫描路径，选择性对成形基板上的金属粉末进行扫描，粉末熔化并凝固，形成熔覆层，即完成一个层面的扫描；e、完成步骤d中一个层面扫描后，成形基板下降一个层厚的距离，并将所述用于3D打印高强度铝合金的金属粉末在步骤d中形成的熔覆层上进行一层铺粉；f、重复上述步骤d-e-d，直至零件构件加工完成；然后关闭系统，待部件冷却至室温时取出；其特征在于：所述选区熔化成形设备的热源为激光-TIG复合热源，激光与TIG电弧通过旁轴复合；每完成步骤d中一个层面扫描后，用红外测温仪对所述层面熔覆层表面温度进行监测，通过对冷却时间的控制或者感应加热装置对熔覆层的辅助加热，当熔覆层表面温度为预先设定的冲击温度时，对熔覆层进行超声冲击处理；超声冲击处理后，通过对冷却时间的控制或者感应加热装置对熔覆层的辅助加热，当熔覆层表面温度为预先设定的扫描温度时，进行步骤e，开始下一个层面的扫描。
零件构件加工完成后，采用线切割工艺将成形的零件构件从成形基板上分离，再对将成形的零件构件一次进行退火、固溶强化和时效处理，即获得高强度铝合金构件。
优选的，所述退火温度为150-200℃，退火时间为2-5h；固溶强化处理的温度为400-490℃，时间为1-2h；时效处理的温度为100-150℃，时间为10-40h。
本发明3D打印方法的原理及有益效果是：
激光与TIG电弧作为复合热源可改善成形质量，减少成形缺陷。激光的作用使得加热时间变短，不易产生晶粒过大而且使热影响区减小，改善焊缝组织性能。由于在电弧的作用下复合热源能够减缓熔池的凝固时间，使得熔池的相变充分的进行，而且有利于气体的溢出，能够有效地减少气孔、裂纹、咬边等缺陷。而且激光与TIG电弧复合可增加成形过程的稳定性，由于激光的作用在熔池中会形成匙孔，它对电弧有吸引作用，从而增加了成形的稳定性，而且匙孔会使电弧的根部压缩，从而增大电弧能量的利用率。同时激光与电弧的相互作用会提高成形速度，由于电弧的作用使得用较小功率的激光器就能达到很好的成形效果，所以激光与TIG电弧作为复合热源可提高生产效率，降低生产成本。
采用超声冲击在选区熔化成形过程中实时“逐层”处理，可有效消除内应力和内部缺陷、细化晶粒，实现金属构件3D打印的高尺寸精度和高性能控制，处理工序简单，实施容易，可广泛应用于金属材料3D打印领域，特别适用于大型金属构件的3D打印制造。
进一步，本发明方法所述预先设定的扫描温度为240-260℃。
预设扫描温度可对3D打印的层间温度进行控制：层间温度过高，熔液流动性较强，导致熔池的抗干扰能力低，尤其在成形件边缘部分极易产生流淌现象，严重降低了零件尺寸的尺寸精度；当层间温度过低时，熔池凝固速度过快，熔液的流动性较低，极易导致层间形成未熔合缺陷，严重降低了零件的力学性能，因此，在3D打印成形过程中，有效地控制层间温度是提高零件表面质量和力学性能的关键途径之一。控制层间温度为240-260℃既可以保证熔池的抗干扰能力，避免成形件边缘部分极易产生流淌现象，又可避免出现未熔合缺陷，保证了成形零件的力学性能。
进一步，本发明方法所述预先设定的冲击温度为160-230℃；超声冲击处理的参数为：冲击频率18-20kHz，冲击电流0.4-0.6A，冲击振幅18-20μm，冲击速度0.8-1m/min，往复冲击次数为3次。所述超声冲击枪的冲击针直径为3mm，冲击针个数为1～3。
随着温度的增加，材料的热激活能增强，金属原子平均动能增加，原子振动的振幅增大，导致位错与空位的活动性提高、滑移系增多，从而增强了金属塑性，降低了金属强度。而且，高温条件下发生的动态再结晶与动态回复抵消了一部分加工硬化，对金属产生了一定的软化作用。本发明通过设置160-230℃的冲击温度，配合小冲击电流即可达到较好的超声冲击效果，同时减少了超声冲击针的磨损，
进一步，本发明方法所述激光-TIG复合热源中的激光为振动激光，其产生方式是：振动驱动器驱动激光头内部镜片机械振动，镜片的机械振动带动激光器产生的激光振动，形成振动激光。所述振动激光的振动频率为50～100Hz，振动激光的振动方式和振幅可根据实际需要打印的零件构件选择，主要有三种振动方式：1、激光按设定的频率沿扫描路径方向进行线性振动；2、以焊缝为对称中心，激光按设定的频率沿垂直于扫描路径的方向进行线性振动；3、激光按设定的频率沿以扫描路径为对称中心的圆形轨迹进行振动。
振动激光可成形熔池进行搅拌，加速熔池中气泡的排出并均匀化熔池元素分布，改善接头的焊接质量。同时振动激光可引导电弧小范围摆动，改善加速熔池中气泡的排出并均匀化熔池元素分布，提高成成形质量。
进一步，本发明方法所述步骤d选区熔化成形设备的热源进行选区熔化扫描的参数为：激光波长为800-850nm，激光功率为300-500W，扫描速度为0.6m/min～1m/min，焊接电流为200-400A，层厚为1-3mm。
采用波长为800-850nm的激光进行高强度铝合金打印，吸收效率高，成形速率快；实验证明，上述焊接参数可获得成形质量良好的高强度铝合金构件。
本发明还提供了上述3D打印方法的应用，所述3D打印方法应用于高铁列车零部件的打印，所述零部件包括吸能防爬装置、受电弓的金属部分、设备舱框架和构架。
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细描述。
附图说明
图1为本发明实施例振动激光-电弧复合焊接方法的线性振动激光束示意图。
图2为本发明实施例振动激光-电弧复合焊接方法的圆形振动激光束示意图。
图中，1.0表示激光头，1.1表示振动激光束，2.0表示TIG焊枪，2.1表示导电嘴，2.2表示产生的电弧，3.0表示打印区域。
具体实施方式
实施例
一种3D打印高强度铝合金用金属粉末，包括铝合金微米颗粒，所述铝合金微米颗粒表面从里到外依次修饰有石墨烯和纳米增强颗粒；石墨烯添加量为所述金属粉末总质量的0.3-0.6％，纳米增强颗粒总添加量为所述金属粉末总质量的1-3％；所述铝合金微米颗粒的粒径为10μm-60μm；纳米增强颗粒的粒径为30nm-60nm。
按质量百分比计，所述铝合金微米颗粒中元素的组分含量为，Zn：4.7-6.0wt％，Mg：1.5-2.5wt％，Cu：1.6-2.0wt％，Cr：0.15-2.0wt％，Fe：0.15-0.18wt％，Mn：0.01-0.03wt％，Yb：0.3-0.6wt％，Si：≤0.08wt％，Ti≤0.01wt％，余量为Al。
优选的，所述纳米增强颗粒包括ZrB2纳米颗粒和/或TiB2纳米颗粒。
优选的，所述3D打印高强度铝合金用金属粉末由以下方法制备：
S1、将粒径为10μm-60μm，平均球形度≥0.95的铝合金微米颗粒加入到质量分数为1.5％的十六烷基三甲基溴化铵水溶液中，通过超声使铝合金微米颗粒在十六烷基三甲基溴化铵水溶液中充分分散(超声分散30-60min)，然后经过搅拌、洗涤、过滤，得到十六烷基三甲基溴化铵修饰的带正电荷的铝合金微米颗粒，所述铝合金微米颗粒的质量与质量分数为1％的十六烷基三甲基溴化铵水溶液的体积比为1g：1ml；
S2、将100g步骤S1得到的带正电荷的铝合金微米颗粒加入150ml去离子水中，搅拌或超声分散得到铝合金微米颗粒悬浮液；将石墨烯加入去离子水中，超声充分分散得到石墨烯分散液(0.3g/50ml)，将石墨烯分散液加入到铝合金微米颗粒悬浮液中，充分搅拌，使得带负电荷的石墨烯通过静电吸引吸附到带正电荷的铝合金微米颗粒表面，得到表面修饰有石墨烯的铝合金微米颗粒悬浮液；
S3、将2g纳米增强颗粒加入到10ml去离子水中，超声充分分散得到纳米增强颗粒悬浮液，并将所述增强颗粒悬浮液加入步骤S2得到的表面修饰有石墨烯的铝合金微米颗粒悬浮液中，充分搅拌，使得纳米增强颗粒吸附在石墨烯表面，然后过滤，冷冻干燥；得到石墨烯和纳米增强颗粒修饰的铝合金微米颗粒；
S4、将步骤S3制得的石墨烯和纳米增强颗粒修饰的铝合金微米颗粒进行筛分处理，得到粒度为10μm-60μm的细小均匀粉末；
S5、将步骤S4筛分处理得到的粉末装舟置于真空脱气炉，进行真空脱气，即可得到用于3D打印高强度铝合金的金属粉末。真空脱气的条件为：在1.3*10-2Pa真空下，在200-300℃下保温4-6h。
用上述3D打印用高强度铝合金金属粉末进行3D打印的方法，包括以下步骤：a、构建所需制备零件构件的三维模型并将其输入3D打印编辑软件中，编辑后进行二维化处理，得到二维切片数据并将其导入选区熔化成形设备，设定熔化沉积扫描路径和加工工艺参数；b、通过设置在成形基板上方的感应加热装置预热成形基板，密封选区熔化成形设备的工作台并充入氩气保护；c、按照所述二维切片数据的切片厚度，将所述用于3D打印高强度铝合金的金属粉末在成形基板上进行一层铺粉；d、选区熔化成形设备的热源按照预先设定的扫描路径，选择性地对成形基板上的金属粉末进行扫描，粉末熔化并凝固，形成熔覆层，即完成一个层面的扫描；e、完成步骤d中一个层面扫描后，成形基板下降一个层厚的距离，并将所述用于3D打印高强度铝合金的金属粉末在步骤d中形成的熔覆层上进行一层铺粉；f、重复上述步骤d-e-d，直至零件构件加工完成；然后关闭系统，待部件冷却至室温时取出；其特征在于：所述选区熔化成形设备的热源为激光-TIG复合热源，激光与TIG电弧通过旁轴复合；每完成步骤d中一个层面扫描后，用红外测温仪对所述层面熔覆层表面温度进行监测，通过对冷却时间的控制或者感应加热装置对熔覆层的辅助加热，当熔覆层表面温度为预先设定的冲击温度时，对熔覆层进行超声冲击处理；超声冲击处理后，通过对冷却时间的控制或者感应加热装置对熔覆层的辅助加热，当熔覆层表面温度为预先设定的扫描温度时，进行步骤e，开始下一个层面的扫描；
优选的，所述预先设定的扫描温度为240-260℃。
优选的，所述预先设定的冲击温度为160-230℃；超声冲击处理的参数为：冲击频率18-20kHz，冲击电流0.4-1.6A，冲击振幅18-20μm，冲击速度0.8-1m/min，往复冲击次数为3次。
优选的，所述激光-TIG复合热源中的激光为振动激光，其产生方式是：振动驱动器驱动激光头内部镜片机械振动，镜片的机械振动带动激光器产生的激光振动，形成振动激光。所述振动激光的振动频率为50～100Hz，振动激光的振动方式和振幅可根据实际需要打印的零件构件选择，可以按照如图1所示的振动方式：以焊缝为对称中心，激光按设定的频率沿垂直于扫描路径的方向进行线性振动；也可以按照图2所示的振动方式：激光按设定的频率沿以扫描路径为对称中心的圆形轨迹进行振动。激光头1.0内部镜片与振动驱动器相连，受振动驱动器驱动产生机械振动。
优选的，所述步骤d选区熔化成形设备的热源进行选区熔化扫描的参数为：激光波长为800-850nm，激光功率为300-500W，激光离焦量为0mm，扫描速度为0.6m/min～1m/min，焊接电流为200-400A，层厚为1-3mm。
通过上述3D打印方法打印出的铝合金试样，按照GB/T 228-2010标准在室温条件下测定了试样的力学性能为：抗拉强度800-970MPa、屈服强度600-770MPa、延伸率13-16％。
所述3D打印方法可应用于高铁列车零部件的打印，所述零部件包括吸能防爬装置、受电弓的金属部分、设备舱框架和构架。
实施例一
一种3D打印高强度铝合金用金属粉末，包括铝合金微米颗粒，所述铝合金微米颗粒表面从里到外依次修饰有石墨烯和纳米增强颗粒；石墨烯添加量为所述金属粉末总质量的0.4％，纳米增强颗粒总添加量为所述金属粉末总质量的2％；所述铝合金微米颗粒的粒径为30μm-50μm；纳米增强颗粒的粒径为30nm-60nm。
按质量百分比计，所述铝合金微米颗粒中元素的组分含量为，Zn：5wt％，Mg：2wt％，Cu：1.8wt％，Cr：1.0wt％，Fe：0.16wt％，Mn：0.02wt％，Yb：0.5wt％，Si：≤0.08wt％，Ti≤0.01wt％，余量为Al。
本例中所述纳米增强颗粒包括ZrB2纳米颗粒和TiB2纳米颗粒。
本例中所述3D打印高强度铝合金用金属粉末由以下方法制备：
S1、将粒径为30μm-50μm，平均球形度≥0.95的铝合金微米颗粒加入到质量分数为1.5％的十六烷基三甲基溴化铵水溶液中，通过超声使铝合金微米颗粒在十六烷基三甲基溴化铵水溶液中充分分散(超声分散50min)，然后经过搅拌、洗涤、过滤，得到十六烷基三甲基溴化铵修饰的带正电荷的铝合金微米颗粒，所述铝合金微米颗粒的质量与质量分数为1％的十六烷基三甲基溴化铵水溶液的体积比为1g：1ml；
S2、将100g步骤S1得到的带正电荷的铝合金微米颗粒加入150ml去离子水中，搅拌或超声分散得到铝合金微米颗粒悬浮液；将石墨烯加入去离子水中，超声充分分散得到石墨烯分散液(0.3g/50ml)，将石墨烯分散液加入到铝合金微米颗粒悬浮液中，充分搅拌，使得带负电荷的石墨烯通过静电吸引吸附到带正电荷的铝合金微米颗粒表面，得到表面修饰有石墨烯的铝合金微米颗粒悬浮液；
S3、将2g纳米增强颗粒加入到10ml去离子水中，超声充分分散得到纳米增强颗粒悬浮液，并将所述增强颗粒悬浮液加入步骤S2得到的表面修饰有石墨烯的铝合金微米颗粒悬浮液中，充分搅拌，使得纳米增强颗粒吸附在石墨烯表面，然后过滤，冷冻干燥；得到石墨烯和纳米增强颗粒修饰的铝合金微米颗粒；
S4、将步骤S3制得的石墨烯和纳米增强颗粒修饰的铝合金微米颗粒进行筛分处理，得到粒度为30μm-50μm的细小均匀粉末；
S5、将步骤S4筛分处理得到的粉末装舟置于真空脱气炉，进行真空脱气，即可得到用于3D打印高强度铝合金的金属粉末。真空脱气的条件为：在1.3*10-2Pa真空下，在250℃下保温5h。
用上述3D打印用高强度铝合金金属粉末进行3D打印的方法，包括以下步骤：a、构建所需制备零件构件的三维模型并将其输入3D打印编辑软件中，编辑后进行二维化处理，得到二维切片数据并将其导入选区熔化成形设备，设定熔化沉积扫描路径和加工工艺参数；b、通过设置在成形基板上方的感应加热装置预热成形基板，密封选区熔化成形设备的工作台并充入氩气保护；c、按照所述二维切片数据的切片厚度，将所述用于3D打印高强度铝合金的金属粉末在成形基板上进行一层铺粉；d、选区熔化成形设备的热源按照预先设定的扫描路径，选择性地对成形基板上的金属粉末进行扫描，粉末熔化并凝固，形成熔覆层，即完成一个层面的扫描；e、完成步骤d中一个层面扫描后，成形基板下降一个层厚的距离，并将所述用于3D打印高强度铝合金的金属粉末在步骤d中形成的熔覆层上进行一层铺粉；f、重复上述步骤d-e-d，直至零件构件加工完成；然后关闭系统，待部件冷却至室温时取出；其特征在于：所述选区熔化成形设备的热源为激光-TIG复合热源，激光与TIG电弧通过旁轴复合；每完成步骤d中一个层面扫描后，用红外测温仪对所述层面熔覆层表面温度进行监测，通过对冷却时间的控制或者感应加热装置对熔覆层的辅助加热，当熔覆层表面温度为预先设定的冲击温度时，对熔覆层进行超声冲击处理；超声冲击处理后，通过对冷却时间的控制或者感应加热装置对熔覆层的辅助加热，当熔覆层表面温度为预先设定的扫描温度时，进行步骤e，开始下一个层面的扫描；
本例中所述预先设定的扫描温度为250℃。
本例中所述预先设定的冲击温度为200℃；超声冲击处理的参数为：冲击频率20kHz，冲击电流1.5A，冲击振幅20μm，冲击速度1m/min，往复冲击次数为3次。
本例中所述激光-TIG复合热源中的激光为振动激光，其产生方式是：振动驱动器驱动激光头内部镜片机械振动，镜片的机械振动带动激光器产生的激光振动，形成振动激光。所述振动激光的振动频率为80Hz，振动激光的振动方式和振幅可根据实际需要打印的零件构件选择，振动方式为：以焊缝为对称中心，激光按设定的频率沿垂直于扫描路径的方向进行线性振动；激光头1.0内部镜片与振动驱动器相连，受振动驱动器驱动产生机械振动。
本例中所述步骤d选区熔化成形设备的热源进行选区熔化扫描的参数为：激光波长为830nm，激光功率为400W，激光离焦量为0mm，扫描速度为0.8m/min，焊接电流为300A，层厚为2mm。
通过上述3D打印方法打印出的铝合金试样，按照GB/T 228-2010标准在室温条件下测定了试样的力学性能为：抗拉强度907MPa、屈服强度708MPa、延伸率15.3％。
实施例二
一种3D打印高强度铝合金用金属粉末，包括铝合金微米颗粒，所述铝合金微米颗粒表面从里到外依次修饰有石墨烯和纳米增强颗粒；石墨烯添加量为所述金属粉末总质量的0.3％，纳米增强颗粒总添加量为所述金属粉末总质量的1％；所述铝合金微米颗粒的粒径为10μm-40μm；纳米增强颗粒的粒径为30nm-60nm。
按质量百分比计，所述铝合金微米颗粒中元素的组分含量为，Zn：4.7wt％，Mg：1.5wt％，Cu：2.0wt％，Cr：0.15wt％，Fe：0.18wt％，Mn：0.03wt％，Yb：0.6wt％，Si：≤0.08wt％，Ti≤0.01wt％，余量为Al。
本例中所述纳米增强颗粒包括ZrB2纳米颗粒。
本例中所述3D打印高强度铝合金用金属粉末由以下方法制备：
S1、将粒径为10μm-40μm，平均球形度≥0.95的铝合金微米颗粒加入到质量分数为1.5％的十六烷基三甲基溴化铵水溶液中，通过超声使铝合金微米颗粒在十六烷基三甲基溴化铵水溶液中充分分散(超声分散30min)，然后经过搅拌、洗涤、过滤，得到十六烷基三甲基溴化铵修饰的带正电荷的铝合金微米颗粒，所述铝合金微米颗粒的质量与质量分数为1％的十六烷基三甲基溴化铵水溶液的体积比为1g：1ml；
S2、将100g步骤S1得到的带正电荷的铝合金微米颗粒加入150ml去离子水中，搅拌或超声分散得到铝合金微米颗粒悬浮液；将石墨烯加入去离子水中，超声充分分散得到石墨烯分散液(0.3g/50ml)，将石墨烯分散液加入到铝合金微米颗粒悬浮液中，充分搅拌，使得带负电荷的石墨烯通过静电吸引吸附到带正电荷的铝合金微米颗粒表面，得到表面修饰有石墨烯的铝合金微米颗粒悬浮液；
S3、将2g纳米增强颗粒加入到10ml去离子水中，超声充分分散得到纳米增强颗粒悬浮液，并将所述增强颗粒悬浮液加入步骤S2得到的表面修饰有石墨烯的铝合金微米颗粒悬浮液中，充分搅拌，使得纳米增强颗粒吸附在石墨烯表面，然后过滤，冷冻干燥；得到石墨烯和纳米增强颗粒修饰的铝合金微米颗粒；
S4、将步骤S3制得的石墨烯和纳米增强颗粒修饰的铝合金微米颗粒进行筛分处理，得到粒度为10μm-40μm的细小均匀粉末；
S5、将步骤S4筛分处理得到的粉末装舟置于真空脱气炉，进行真空脱气，即可得到用于3D打印高强度铝合金的金属粉末。真空脱气的条件为：在1.3*10-2Pa真空下，在200℃下保温6h。
用上述3D打印用高强度铝合金金属粉末进行3D打印的方法，包括以下步骤：a、构建所需制备零件构件的三维模型并将其输入3D打印编辑软件中，编辑后进行二维化处理，得到二维切片数据并将其导入选区熔化成形设备，设定熔化沉积扫描路径和加工工艺参数；b、通过设置在成形基板上方的感应加热装置预热成形基板，密封选区熔化成形设备的工作台并充入氩气保护；c、按照所述二维切片数据的切片厚度，将所述用于3D打印高强度铝合金的金属粉末在成形基板上进行一层铺粉；d、选区熔化成形设备的热源按照预先设定的扫描路径，选择性地对成形基板上的金属粉末进行扫描，粉末熔化并凝固，形成熔覆层，即完成一个层面的扫描；e、完成步骤d中一个层面扫描后，成形基板下降一个层厚的距离，并将所述用于3D打印高强度铝合金的金属粉末在步骤d中形成的熔覆层上进行一层铺粉；f、重复上述步骤d-e-d，直至零件构件加工完成；然后关闭系统，待部件冷却至室温时取出；其特征在于：所述选区熔化成形设备的热源为激光-TIG复合热源，激光与TIG电弧通过旁轴复合；每完成步骤d中一个层面扫描后，用红外测温仪对所述层面熔覆层表面温度进行监测，通过对冷却时间的控制或者感应加热装置对熔覆层的辅助加热，当熔覆层表面温度为预先设定的冲击温度时，对熔覆层进行超声冲击处理；超声冲击处理后，通过对冷却时间的控制或者感应加热装置对熔覆层的辅助加热，当熔覆层表面温度为预先设定的扫描温度时，进行步骤e，开始下一个层面的扫描；
本例中所述预先设定的扫描温度为240℃。
本例中所述预先设定的冲击温度为230℃；超声冲击处理的参数为：冲击频率18kHz，冲击电流1.6A，冲击振幅18μm，冲击速度0.8m/min，往复冲击次数为3次。
本例中所述激光-TIG复合热源中的激光为振动激光，其产生方式是：振动驱动器驱动激光头内部镜片机械振动，镜片的机械振动带动激光器产生的激光振动，形成振动激光。所述振动激光的振动频率为100Hz，振动激光的振动方式和振幅可根据实际需要打印的零件构件选择，振动方式为：激光按设定的频率沿以扫描路径为对称中心的圆形轨迹进行振动；激光头1.0内部镜片与振动驱动器相连，受振动驱动器驱动产生机械振动。
本例中所述步骤d选区熔化成形设备的热源进行选区熔化扫描的参数为：激光波长为800nm，激光功率为500W，激光离焦量为0mm，扫描速度为1.0m/min，焊接电流为400A，层厚为3mm。
实施例三
一种3D打印高强度铝合金用金属粉末，包括铝合金微米颗粒，所述铝合金微米颗粒表面从里到外依次修饰有石墨烯和纳米增强颗粒；石墨烯添加量为所述金属粉末总质量的0.6％，纳米增强颗粒总添加量为所述金属粉末总质量的3％；所述铝合金微米颗粒的粒径为40μm-60μm；纳米增强颗粒的粒径为30nm-60nm。
按质量百分比计，所述铝合金微米颗粒中元素的组分含量为，Zn：6.0wt％，Mg：2.5wt％，Cu：1.6wt％，Cr：2.0wt％，Fe：0.15wt％，Mn：0.01wt％，Yb：0.3wt％，Si：≤0.08wt％，Ti≤0.01wt％，余量为Al。
本例中所述纳米增强颗粒包括TiB2纳米颗粒。
本例中所述3D打印高强度铝合金用金属粉末由以下方法制备：
S1、将粒径为40μm-60μm，平均球形度≥0.95的铝合金微米颗粒加入到质量分数为1.5％的十六烷基三甲基溴化铵水溶液中，通过超声使铝合金微米颗粒在十六烷基三甲基溴化铵水溶液中充分分散(超声分散60min)，然后经过搅拌、洗涤、过滤，得到十六烷基三甲基溴化铵修饰的带正电荷的铝合金微米颗粒，所述铝合金微米颗粒的质量与质量分数为1％的十六烷基三甲基溴化铵水溶液的体积比为1g：1ml；
S2、将100g步骤S1得到的带正电荷的铝合金微米颗粒加入150ml去离子水中，搅拌或超声分散得到铝合金微米颗粒悬浮液；将石墨烯加入去离子水中，超声充分分散得到石墨烯分散液(0.3g/50ml)，将石墨烯分散液加入到铝合金微米颗粒悬浮液中，充分搅拌，使得带负电荷的石墨烯通过静电吸引吸附到带正电荷的铝合金微米颗粒表面，得到表面修饰有石墨烯的铝合金微米颗粒悬浮液；
S3、将2g纳米增强颗粒加入到10ml去离子水中，超声充分分散得到纳米增强颗粒悬浮液，并将所述增强颗粒悬浮液加入步骤S2得到的表面修饰有石墨烯的铝合金微米颗粒悬浮液中，充分搅拌，使得纳米增强颗粒吸附在石墨烯表面，然后过滤，冷冻干燥；得到石墨烯和纳米增强颗粒修饰的铝合金微米颗粒；
S4、将步骤S3制得的石墨烯和纳米增强颗粒修饰的铝合金微米颗粒进行筛分处理，得到粒度为40μm-60μm的细小均匀粉末；
S5、将步骤S4筛分处理得到的粉末装舟置于真空脱气炉，进行真空脱气，即可得到用于3D打印高强度铝合金的金属粉末。真空脱气的条件为：在1.3*10-2Pa真空下，在300℃下保温4h。
用上述3D打印用高强度铝合金金属粉末进行3D打印的方法，包括以下步骤：a、构建所需制备零件构件的三维模型并将其输入3D打印编辑软件中，编辑后进行二维化处理，得到二维切片数据并将其导入选区熔化成形设备，设定熔化沉积扫描路径和加工工艺参数；b、通过设置在成形基板上方的感应加热装置预热成形基板，密封选区熔化成形设备的工作台并充入氩气保护；c、按照所述二维切片数据的切片厚度，将所述用于3D打印高强度铝合金的金属粉末在成形基板上进行一层铺粉；d、选区熔化成形设备的热源按照预先设定的扫描路径，选择性地对成形基板上的金属粉末进行扫描，粉末熔化并凝固，形成熔覆层，即完成一个层面的扫描；e、完成步骤d中一个层面扫描后，成形基板下降一个层厚的距离，并将所述用于3D打印高强度铝合金的金属粉末在步骤d中形成的熔覆层上进行一层铺粉；f、重复上述步骤d-e-d，直至零件构件加工完成；然后关闭系统，待部件冷却至室温时取出；其特征在于：所述选区熔化成形设备的热源为激光-TIG复合热源，激光与TIG电弧通过旁轴复合；每完成步骤d中一个层面扫描后，用红外测温仪对所述层面熔覆层表面温度进行监测，通过对冷却时间的控制或者感应加热装置对熔覆层的辅助加热，当熔覆层表面温度为预先设定的冲击温度时，对熔覆层进行超声冲击处理；超声冲击处理后，通过对冷却时间的控制或者感应加热装置对熔覆层的辅助加热，当熔覆层表面温度为预先设定的扫描温度时，进行步骤e，开始下一个层面的扫描；
本例中所述预先设定的扫描温度为260℃。
本例中所述预先设定的冲击温度为160℃；超声冲击处理的参数为：冲击频率19kHz，冲击电流0.4A，冲击振幅19μm，冲击速度0.9m/min，往复冲击次数为3次。
本例中所述激光-TIG复合热源中的激光为振动激光，其产生方式是：振动驱动器驱动激光头内部镜片机械振动，镜片的机械振动带动激光器产生的激光振动，形成振动激光。所述振动激光的振动频率为50Hz，振动激光的振动方式和振幅可根据实际需要打印的零件构件选择，振动方式为：以焊缝为对称中心，激光按设定的频率沿垂直于扫描路径的方向进行线性振动；激光头1.0内部镜片与振动驱动器相连，受振动驱动器驱动产生机械振动。
本例中所述步骤d选区熔化成形设备的热源进行选区熔化扫描的参数为：激光波长为850nm，激光功率为300W，激光离焦量为0mm，扫描速度为0.6m/min，焊接电流为200A，层厚为1mm。

Claims (10)

1.一种3D打印高强度铝合金用金属粉末，包括铝合金微米颗粒，其特征在于，所述铝合金微米颗粒表面从里到外依次修饰有石墨烯和纳米增强颗粒；石墨烯添加量为所述金属粉末总质量的0.3-0.6％，纳米增强颗粒总添加量为所述金属粉末总质量的1-3％；所述铝合金微米颗粒的粒径为10μm-60μm；纳米增强颗粒的粒径为30nm-60nm。
2.根据权利要求1所述的3D打印高强度铝合金用金属粉末，其特征在于，按质量百分比计，所述铝合金微米颗粒中元素的组分含量为，Zn：4.7-6.0wt％，Mg：1.5-2.5wt％，Cu：1.6-2.0wt％，Cr：0.15-2.0wt％，Fe：0.15-0.18wt％，Mn：0.01-0.03％，Yb：0.3-0.6wt％，Si：≤0.08wt％，Ti≤0.01wt％，余量为Al。
3.根据权利要求1所述的3D打印高强度铝合金用金属粉末，其特征在于，所述纳米增强颗粒包括ZrB2纳米颗粒和/或TiB2纳米颗粒。
4.根据权利要求3所述的3D打印高强度铝合金用金属粉末，其特征在于，所述用于3D打印高强度铝合金用金属粉末由以下方法制备：
S1、将粒径为10μm-60μm，平均球形度≥0.95的铝合金微米颗粒加入到十六烷基三甲基溴化铵水溶液中，通过超声使铝合金微米颗粒在十六烷基三甲基溴化铵水溶液中充分分散，然后经过搅拌、洗涤、过滤，得到十六烷基三甲基溴化铵修饰的带正电荷的铝合金微米颗粒；
S2、将步骤S1得到的带正电荷的铝合金微米颗粒加入去离子水中，搅拌或超声分散得到铝合金微米颗粒悬浮液；将石墨烯加入去离子水中，超声充分分散得到石墨烯分散液，将石墨烯分散液加入到铝合金微米颗粒悬浮液中，充分搅拌，使得带负电荷的石墨烯通过静电吸引吸附到带正电荷的铝合金微米颗粒表面，得到表面修饰有石墨烯的铝合金微米颗粒悬浮液；
S3、将纳米增强颗粒加入到去离子水中，超声充分分散得到纳米增强颗粒悬浮液，并将所述增强颗粒悬浮液加入表面修饰有石墨烯的铝合金微米颗粒悬浮液中，充分搅拌，使得纳米增强颗粒吸附在石墨烯表面，然后过滤，冷冻干燥；得到石墨烯和纳米增强颗粒修饰的铝合金微米颗粒；
S4、将步骤S3制得的石墨烯和纳米增强颗粒修饰的铝合金微米颗粒进行筛分处理，得到粒度为10μm-60μm的细小均匀粉末；
S5、将步骤S4筛分处理得到的粉末装舟置于真空脱气炉，进行真空脱气，即可得到用于3D打印高强度铝合金的金属粉末。
5.一种用权利要求1-4任一所述的3D打印用高强度铝合金金属粉末进行3D打印的方法，包括以下步骤：a、构建所需制备零件构件的三维模型并将其输入3D打印编辑软件中，编辑后进行二维化处理，得到二维切片数据并将其导入选区熔化成形设备，设定熔化沉积扫描路径和加工工艺参数；b、通过设置在成形基板上方的感应加热装置预热成形基板，密封选区熔化成形设备的工作台并充入氩气保护；c、按照所述二维切片数据的切片厚度，将所述用于3D打印高强度铝合金的金属粉末在成形基板上进行一层铺粉；d、选区熔化成形设备的热源按照预先设定的扫描路径，选择性地对成形基板上的金属粉末进行扫描，粉末熔化并凝固，形成熔覆层，即完成一个层面的扫描；e、完成步骤d中一个层面扫描后，成形基板下降一个层厚的距离，并将所述用于3D打印高强度铝合金的金属粉末在步骤d中形成的熔覆层上进行一层铺粉；f、重复上述步骤d-e-d，直至零件构件加工完成；然后关闭系统，待部件冷却至室温时取出；其特征在于：所述选区熔化成形设备的热源为激光-TIG复合热源，激光与TIG电弧通过旁轴复合；每完成步骤d中一个层面扫描后，用红外测温仪对所述层面熔覆层表面温度进行监测，通过对冷却时间的控制或者感应加热装置对熔覆层的辅助加热，当熔覆层表面温度为预先设定的冲击温度时，对熔覆层进行超声冲击处理；超声冲击处理后，通过对冷却时间的控制或者感应加热装置对熔覆层的辅助加热，当熔覆层表面温度为预先设定的扫描温度时，进行步骤e，开始下一个层面的扫描。
6.根据权利要求5所述的3D打印方法，其特征在于，所述预先设定的扫描温度为240-260℃。
7.根据权利要求5所述的3D打印方法，其特征在于，所述预先设定的冲击温度为160-230℃；超声冲击处理的参数为：冲击频率18-20kHz，冲击电流0.4-1.6A，冲击振幅18-20μm，冲击速度0.8-1m/min，往复冲击次数为3次。
8.根据权利要求5所述的3D打印方法，其特征在于，所述激光-TIG复合热源中的激光为振动激光，其产生方式是：振动驱动器驱动激光头内部镜片机械振动，镜片的机械振动带动激光器产生的激光振动，形成振动激光。
9.根据权利要求5所述的3D打印方法，其特征在于，所述步骤d选区熔化成形设备的热源进行选区熔化扫描的参数为：激光波长为800-850nm，激光功率为300-500W，扫描速度为0.6m/min～1m/min，焊接电流为200-400A，层厚为1-3mm。
10.根据权利要求5所述的3D打印方法的应用，其特征在于，所述3D打印方法应用于高铁列车零部件的打印，所述零部件包括吸能防爬装置、受电弓的金属部分、设备舱框架和构架。
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