CN109226745A - 一种提高冷喷涂制备铝合金块体材料力学性能的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于增材制造领域，具体涉及一种提高冷喷涂制备铝合金块体材料力学性能的方法。首先将氧化铝颗粒与商业气雾化A380铝合金粉末按照一定比例混合，用球磨机混合均匀；再采用冷气动力喷涂将混合好的粉末喷涂到基体表面，制备出原位夯实的铝合金的块体材料；最后辅以退火热处理。所获得的铝合金块体材料中，孔隙率在0.8％以下，抗拉强度为200～450MPa，屈服强度为120～400MPa，伸长率1％～5.5％，厚度在2cm以上。该方法工艺简单，成本低，制备出的材料组织致密，力学性能提高显著，解决冷喷涂制备的块体材料因颗粒变形不充分，孔隙率高导致的力学性能难以达到应用要求的问题。

Description

一种提高冷喷涂制备铝合金块体材料力学性能的方法
技术领域
本发明属于增材制造领域，具体涉及一种提高冷喷涂制备铝合金块体材料力学性能的方法。
背景技术
采用冷气动力喷涂(也称冷喷涂)沉积金属的增材制造技术是一种非热输入型技术，其原理是高动能粉末颗粒以固态撞击基体材料并瞬间发生严重塑性变形，从而相互结合形成涂层(块体材料)。与传统的增材制造技术相比，冷喷涂增材制造最大的优点是低温，可以制备热敏感金属材料，包括纳米晶金属、非晶金属玻璃、含高蒸汽压元素的合金(如：锌黄铜和7×××系铝锌合金以及形状记忆合金等)。不仅如此，冷喷涂增材制造可以准确调控二元或多元材料中各组分的浓度，形成复合材料和梯度复合材料。目前，美国、英国、德国、加拿大和日本都在开发这种3D打印技术，并已初步开展钛合金零件、铜溅射靶材和Al/Al2O3复合材料热交换器部件的制备工艺研究。课题组在之前的工作中，也用冷喷涂增材制造技术成功制备汽车发动机用的A380铝合金块体材料。作为一项正在发展中的制造技术，冷喷涂增材制造还处于起步阶段，冷喷涂制备的材料孔隙率较高，颗粒结合是以机械互锁的物理结合为主，颗粒边界处缺陷的密度较大，这限制冷喷涂增材制造技术在工业上的应用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种提高冷喷涂增材制造制备铝合金块体材料力学性能的方法，采用在喷涂过程中添加球形大颗粒硬质相的方法，原位夯实喷涂的涂层，利用大尺寸球形硬质相在喷涂过程中的不断撞击夯实，大幅提高材料的致密性，降低冷喷涂材料颗粒边界处的缺陷密度，最后辅助退火热处理消除材料的加工硬化行为，提高材料力学性能，解决冷喷涂增材制造材料由于颗粒结合程度不高孔隙率高导致力学性能差的问题。
本发明的技术方案如下：
一种提高冷喷涂制备铝合金块体材料力学性能的方法，包括以下步骤：
(1)将氧化铝颗粒与商业气雾化A380铝合金粉末按照比例混合，用球磨机混合均匀，得到混合粉末；
(2)采用冷气动力喷涂将混合好的粉末喷涂到基体表面，制备出原位夯实的A380铝合金的块体材料；
(3)采用马弗炉对制备出的A380铝合金块体材料进行热处理；
所获得A380铝合金块体材料中，孔隙率在0.8％以下，抗拉强度为200～450MPa，屈服强度为120～400MPa，伸长率1％～5.5％，厚度在2cm以上。
所述的提高冷喷涂制备铝合金块体材料力学性能的方法，步骤(1)中，氧化铝颗粒的粒度范围为60～150μm，形貌为球形。
所述的提高冷喷涂制备铝合金块体材料力学性能的方法，步骤(1)中，A380铝合金颗粒的粒度范围为20～50μm，形貌为球形。
所述的提高冷喷涂制备铝合金块体材料力学性能的方法，步骤(1)中，混合粉末中，氧化铝颗粒的质量分数为5wt％～20wt％。
所述的提高冷喷涂制备铝合金块体材料力学性能的方法，步骤(2)中，冷气动力喷涂的操作条件为：使用压缩空气为工作气体，气体温度为200～600℃，气体压力为0.5～5.0MPa，喷涂距离为10～40mm。
所述的提高冷喷涂制备铝合金块体材料力学性能的方法，步骤(2)中，制备出的A380铝合金块体材料结构致密，颗粒变形程度高。
所述的提高冷喷涂制备铝合金块体材料力学性能的方法，步骤(3)中，热处理的温度范围为200℃～500℃，保温时间为2h～10h。
本发明的设计思想是：
本发明提供一种提高冷喷涂制备A380铝合金块体材料力学性能的新方法。采用压缩空气或者氮气为气源时，冷喷涂制备的块体材料普遍存在颗粒变形不充分，孔隙率高等缺陷，这些缺陷限制冷喷涂材料的力学性能的提高。常规的改善这种缺陷的方式是通过退火热处理，但是目前大家普遍认为热处理难以完全消除这些缺陷，热处理后的材料力学性能提高的非常有限。采用在喷涂粉末中添加大颗粒硬质相的方式，在喷涂过程中原位夯实材料，大幅降低材料的孔隙率，改善颗粒间的结合，最后辅以退火热处理消除加工硬化，从而大幅提高材料的力学性能。
在喷涂过程中，大的球形硬质相颗粒起到夯实作用，在撞击涂层的同时被弹开，不会沉积在涂层当中。不仅如此，还发现喷涂时这种硬质相的加入可以有效消除喷嘴堵塞的现象，使喷涂温度大幅提高，颗粒获得更多的能量从而沉积时塑性变形更充分，有利于力学性能的改善。本发明拟用冷喷涂A380铝合金和球形氧化铝的混合粉末，原位夯实制备A380铝合金块体材料，辅以退火热处理等工艺，大幅提高该材料的力学性能，强度和延展率指标达到或超过同质铸造材料的强度水平，是常规冷喷涂制备的同质材料的两倍以上。该方法操作简便，易于控制，成本较低，该制备技术在国内外未见报道。
本发明的优点及有益效果是：
1.本发明制备的A380铝合金块体材料，原料易获得，工艺简单，成本低，厚度可控，制备可行性高。
2.本发明方法提高冷喷涂铝合金材料的温度，颗粒因获得更多能量沉积效果好，同时避免堵枪的问题。
3.本发明制备的A380铝合金块体材料，结构致密，缺陷密度小，晶粒尺寸适中，没有铸造形成的粗大晶粒，力学性能大幅提升。
具体实施方式
在具体实施过程中，本发明提高冷喷涂制备铝合金块体材料力学性能的方法，首先将商用球形气雾化A380铝合金粉和大颗粒球形氧化铝粉末按照一定比例用球磨机混合均匀，得到冷喷涂的原始粉末；再采用冷气动力喷涂将制备好的原始粉末喷涂到基体表面，制备出所需厚度的A380铝合金块体材料；最后再辅以合适的退火热处理，制备出力学性能良好的块体材料。该材料是由冷喷涂粉末层层喷涂叠加而形成，氧化铝的夯实效应加上合适的热处理制度，制备出的材料的强度和延展率达到或者超过同质铸造合金的水平，是常规冷喷涂制备的同质材料的两倍以上。该方法具体步骤如下：
步骤1混粉：将氧化铝粉末与喷涂原始粉末A380铝合金粉末按照一定比例混合，用球磨机混合均匀。
其中，氧化铝颗粒的粒度范围为60～150μm，气雾化A380铝合金颗粒的粒度范围为20～50μm，二者形貌均为球形；混合粉末中，氧化铝颗粒的质量分数为5wt％～20wt％。
步骤2喷涂：采用冷喷涂设备将步骤1中所制备的混合粉末直接喷涂到铝合金或不锈钢基体上，形成的厚的沉积层即为所制备的块体材料。冷喷涂设备的操作条件为：温度200～600℃，压力1.5～5.0MPa，喷涂距离10～40mm，采用压缩空气喷涂。
其中，冷喷涂设备请参见中国发明专利(专利号：01128130.8，授权公告号：CN1161188C)提到的一种冷气动力喷涂装置或其他商用冷喷涂、动力喷涂或低压冷喷涂设备。
步骤3热处理：采用马弗炉对制备出的A380铝合金块体材料进行退火热处理。
其中，热处理的温度范围为200℃～500℃，保温时间为2h～10h。
所获得A380铝合金块体材料中，孔隙率在0.8％以下，抗拉强度为200～450MPa，屈服强度为120～400MPa，伸长率1％～5.5％。
下面对本发明的实施例作详细说明，在以发明技术方案为前提下进行实施，给出详细的实施方式和具体操作过程，但本发明的保护范围不限于下面的实施例。
实施例1
选取平均粒度为20μm的A380铝合金球形粉末与平均粒度为60μm的氧化铝球形粉末组成混合粉末，氧化铝的质量分数为5wt％，将混合粉末在球磨机中混合4h左右；随后用冷喷涂设备在不锈钢基体上沉积该合金粉末，使用压缩空气为工作气体，气体温度300℃，气体压力2.0MPa，喷涂距离20mm。同时，将制备出的块体材料在300℃下真空热处理6h。本实施例中，冷喷涂设备的喷嘴未见堵塞，制备出的A380铝合金块体材料厚度为2cm，孔隙率约为0.8％，抗拉强度300MPa，屈服强度210MPa，伸长率约为1.5％。
实施例2
选取平均粒度为30μm的A380铝合金球形粉末与平均粒度为70μm的氧化铝球形粉末组成混合粉末，氧化铝的质量分数为7wt％，将混合粉末在球磨机中混合4h左右；随后用冷喷涂设备在不锈钢基体上沉积该合金粉末，使用压缩空气为工作气体，气体温度350℃，气体压力2.3MPa，喷涂距离20mm。同时，将制备出的块体材料在350℃下真空热处理6h。本实施例中，冷喷涂设备的喷嘴未见堵塞，制备出的A380铝合金块体材料厚度为2cm，孔隙率约为0.6％，抗拉强度340MPa，屈服强度243MPa，伸长率约为2％。
实施例3
选取平均粒度为30μm的A380铝合金球形粉末与平均粒度为100μm的氧化铝球形粉末组成混合粉末，氧化铝的质量分数为10wt％，将混合粉末在球磨机中混合4h左右；随后用冷喷涂设备在不锈钢基体上沉积该合金粉末，使用压缩空气为工作气体，气体温度400℃，气体压力2.5MPa，喷涂距离20mm。同时，将制备出的块体材料在350℃下真空热处理4h。本实施例中，冷喷涂设备的喷嘴未见堵塞，制备出的A380铝合金块体材料厚度为2cm，孔隙率约为0.5％，抗拉强度365MPa，屈服强度250MPa，伸长率约为2.5％。
实施例4
选取平均粒度为30μm的A380铝合金球形粉末与平均粒度为100μm的氧化铝球形粉末组成混合粉末，氧化铝的质量分数为10wt％，将混合粉末在球磨机中混合4h左右；随后用冷喷涂设备在不锈钢基体上沉积该合金粉末，使用压缩空气为工作气体，气体温度460℃，气体压力3MPa，喷涂距离20mm。同时，将制备出的块体材料在350℃下真空热处理4h。本实施例中，冷喷涂设备的喷嘴未见堵塞，制备出的A380铝合金块体材料厚度为2cm，孔隙率约为0.5％，抗拉强度408MPa，屈服强度326MPa，伸长率约为4％。
实施例结果表明，本发明方法操作工艺简单，成本低，制备出的A380铝合金块体材料组织致密，厚度可控，经球形硬质颗粒原位夯实和热处理后力学性能良好。从而，更有效地解决冷喷涂制备的块体材料因颗粒变形不充分，孔隙率高导致的力学性能难以达到应用要求的问题。

Claims (7)

1.一种提高冷喷涂制备铝合金块体材料力学性能的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将氧化铝颗粒与商业气雾化A380铝合金粉末按照比例混合，用球磨机混合均匀，得到混合粉末；
(2)采用冷气动力喷涂将混合好的粉末喷涂到基体表面，制备出原位夯实的A380铝合金的块体材料；
(3)采用马弗炉对制备出的A380铝合金块体材料进行热处理；
所获得A380铝合金块体材料中，孔隙率在0.8％以下，抗拉强度为200～450MPa，屈服强度为120～400MPa，伸长率1％～5.5％，厚度在2cm以上。
2.按照权利要求1所述的提高冷喷涂制备铝合金块体材料力学性能的方法，其特征在于，步骤(1)中，氧化铝颗粒的粒度范围为60～150μm，形貌为球形。
3.按照权利要求1所述的提高冷喷涂制备铝合金块体材料力学性能的方法，其特征在于，步骤(1)中，A380铝合金颗粒的粒度范围为20～50μm，形貌为球形。
4.按照权利要求1所述的提高冷喷涂制备铝合金块体材料力学性能的方法，其特征在于，步骤(1)中，混合粉末中，氧化铝颗粒的质量分数为5wt％～20wt％。
5.按照权利要求1所述的提高冷喷涂制备铝合金块体材料力学性能的方法，其特征在于，步骤(2)中，冷气动力喷涂的操作条件为：使用压缩空气为工作气体，气体温度为200～600℃，气体压力为0.5～5.0MPa，喷涂距离为10～40mm。
6.按照权利要求1所述的提高冷喷涂制备铝合金块体材料力学性能的方法，其特征在于，步骤(2)中，制备出的A380铝合金块体材料结构致密，颗粒变形程度高。
7.按照权利要求1所述的提高冷喷涂制备铝合金块体材料力学性能的方法，其特征在于，步骤(3)中，热处理的温度范围为200℃～500℃，保温时间为2h～10h。
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