CN111036899A - 一种颗粒增强铝基复合材料零部件的成形方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种颗粒增强铝基复合材料零部件的成形方法，包括超声清洗并焙烧碳化硅或氧化铝粉体，与铝合金粉体混合球磨，通过电子束选区熔化成形设备进行烧结处理，最后取出成形零部件并进行表面清理，零部件成形完成。本发明通过电子束选区技术实现了颗粒增强铝基复合材料零部件的高效、精确成形。

Description

一种颗粒增强铝基复合材料零部件的成形方法
技术领域
本发明属于材料制备技术领域，具体涉及一种颗粒增强铝基复合材料零部件的成形方法。
背景技术
颗粒增强铝基复合材料具有重量轻、比强度和比模量高、热膨胀系数小、耐高温、耐磨、抗腐蚀和尺寸稳定性好等优异的力学性能和物理性能，在航空航天、船舶、汽车、电子和兵器等许多领域具有广泛的应用前景，成为当今材料科学与工程领域的研究热点之一。在美国和欧洲发达国家，该类复合材料的工业应用已经开始，并且被列为21世纪新材料应用开发的重要方向。
电子束选区技术是近年来一种新兴的先进金属快速成型制造技术，其原理是将零部件的三维实体模型数据导入电子束设备，利用高能电子束扫描预铺设的金属粉体，使得粉体按照三维实体模型的数据发生选区熔融，经过多层累加，进而获得零部件的方法。也是一种制备颗粒增强铝基复合材料的新方法。
传统工艺制备铝基复合材料零部件易产生气孔、夹杂，增强颗粒与AL液润湿性较差、结合面不牢固，严重降低复合材料性能。其高品质、规模化制备尚急需改进。此外，由于铝基复合材料硬度和强度较高，二次加工难度较大，需实现铝基复合材料的高效、精确成形。
发明内容
本发明的目的是提供一种颗粒增强铝基复合材料零部件的成形方法，通过电子束选区技术实现了颗粒增强铝基复合材料零部件的高效、精确成形。
本发明所采用的技术方案是，一种颗粒增强铝基复合材料零部件的成形方法，具体按照以下步骤实施：
步骤1、将碳化硅或氧化铝粉体进行超声清洗处理，并进行焙烧处理，得到预处理粉体；
步骤2、将预处理粉体与铝合金粉体置于球磨机中充分混合球磨，得到混合粉体；
步骤3、向电子束选区熔化成形设备的两个料斗分别装入混合粉体和铝合金粉体，根据待加工零部件性能需要设置两个粉斗的出粉比例，并将待加工零部件的三维模型数据输入电子束选区熔化成形设备；
步骤4、启动电子束选区熔化成形设备进行烧结处理；
步骤5、取出成形零部件并进行表面清理，零部件成形完成。
本发明的特点还在于，
碳化硅或氧化铝粉体粒度为0.1-30μm，铝合金粉体粒度均为30-80μm。
步骤1中超声清洗处理的清洗剂为浓度0.5-5％的氢氟酸溶液，超声清洗时间为1-30分钟。
步骤1中焙烧处理的温度为400-1400℃，焙烧处理时间为30-300分钟。
焙烧处理采用电阻炉或燃气炉。
步骤2中混合球磨的球磨条件为，研磨球为直径2-10mm的ZrO2磨球，球磨机转速100-1000转/分钟，混合球磨时间为1-20小时。
步骤2中，预处理粉体和铝合金粉体的体积分数比为1％-50％。
步骤4具体按照以下步骤实施：
步骤4.1、预热处理
设置预热成形参数：粉床温度300-600℃，扫描速度2000-8000m/s，电压6-50KVA，电流10-50mA，束斑0.1-0.4mm，进行预热处理；
步骤4.2、烧结处理
设置烧结成形参数：粉床温度400-700℃，扫描速度3000-9000m/s，电压10-60KVA，电流10-50mA，束斑0.1-0.4mm，进行烧结处理。
本发明的有益效果是：
本发明一种颗粒增强铝基复合材料零部件的成形方法简单清晰，可操作性强；通过电子束选区技术实现颗粒增强铝基复合材料零部件的高效、精确成形；零部件中颗粒增强相比例调节方便，解决了大比例粉材混合均匀度差的难题；成形时间极短，颗粒增强相在熔融凝固过程中根本来不及发生团聚，零部件颗粒增强相分布均匀；电子束选区技术大大减少了基体铝合金与增强相颗粒之间的界面反应，避免对增强相造成大的损伤，大幅提高了铝基复合材料的强度；近净成形复杂零部件，大幅度降低加工难度，具有重要的理论意义和工程应用价值。
附图说明
图1实施例1所制备的叶轮实物图；
图2实施例2所制备的壳体实物图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明一种颗粒增强铝基复合材料零部件的成形方法，具体按照以下步骤实施：
步骤1、将粒度为0.1-30μm的碳化硅或氧化铝粉体进行超声清洗处理，超声清洗处理的清洗剂为浓度0.5-5％的氢氟酸溶液，超声清洗时间为1-30分钟，并采用电阻炉或燃气炉进行焙烧处理，焙烧处理的温度为400-1400℃，焙烧处理时间为30-300分钟，得到预处理粉体。
步骤2、将预处理粉体与粒度为30-80μm的铝合金粉体置于转速为100-1000转/分钟的球磨机中充分混合球磨，预处理粉体和铝合金粉体的体积分数比为1％-50％，研磨球为直径2-10mm的ZrO2磨球，混合球磨时间为1-20小时得到混合粉体。
步骤3、向电子束选区熔化成形设备的两个料斗分别装入混合粉体和粒度为30-80μm的铝合金粉体，根据待加工零部件性能需要设置两个粉斗的出粉比例，并将待加工零部件的三维模型数据输入电子束选区熔化成形设备。
步骤4、启动电子束选区熔化成形设备进行烧结处理
步骤4.1、预热处理
设置预热成形参数：粉床温度300-600℃，扫描速度2000-8000m/s，电压6-50KVA，电流10-50mA，束斑0.1-0.4mm，进行预热处理；
步骤4.2、烧结处理
设置烧结成形参数：粉床温度400-700℃，扫描速度3000-9000m/s，电压10-60KVA，电流10-50mA，束斑0.1-0.4mm，进行烧结处理。
步骤5、取出成形零部件并进行表面清理，零部件成形完成。
本发明一种颗粒增强铝基复合材料零部件的成形方法与现有铝基复合材料零部件制备方法相比有如下优点：
1)部件中颗粒增强相比例调节方便
电子束选区熔化成形设备有两个料斗，可以实现不同比例粉材的混合，但是，当两种粉材比例差距较大时，较难实现粉材的均匀混合。
本发明的成形方法先采用球磨预制法实现增强相和少量铝合金的均匀混合，再通过料斗的出粉设置进一步调节增强相在部件中的成分比例，在保留两个料斗原有优势的基础上，较好地解决了大比例粉材混合均匀度差的难题。
2)颗粒增强相分布均匀
在传统铸造法制备铝基复合材料的过程中，颗粒增强相在铝合金熔体中漂浮，易于产生团聚，造成部件中的颗粒增强相分布不均匀。
本发明的成形方法通过电子束选区熔化成形设备实现零部件的分层铸造，每层成型厚度只有50-100μm，成型时间极短，颗粒增强相在熔融凝固过程中根本来不及发生团聚，较好地解决了零部件中的颗粒增强相分布不均匀的难题。
3)大幅提高铝合金强度
研究表明，电子束选区技术可以大大减少基体铝合金与增强相颗粒之间的界面反应，避免对增强相造成大的损伤。
本发明的成形方法采用电子束选区技术将氧化物颗粒加入铝合金基体，制备的颗粒增强铝基复合材料比原基体铝合金抗拉强度提高70％以上。
4)近净成形复杂零部件，大幅度降低加工难度
由于铝基复合材料硬度和强度较高，零部件二次加工难度较大，特别是颗粒增强相存在团聚现象，在加工过程中易于引发断续切削，造成刀具的非正常损耗。
本发明的成形方法采用电子束选区技术可以按照提前输入的三维模型数据，直接制造复杂零部件，零部件的尺寸精度达到0.3mm，大幅度减少加工余量、降低加工难度。
实施例1
本实施例提供一种颗粒增强铝基复合材料零部件的成形方法，制备叶轮，具体按照以下步骤实施：
步骤1、将粒度为0.1μm的碳化硅粉体进行超声清洗处理，超声清洗处理的清洗剂为浓度2％的氢氟酸溶液，超声清洗时间为10分钟，并采用电阻炉进行焙烧处理，焙烧处理的温度为900℃，焙烧处理时间为120分钟，得到预处理粉体。
步骤2、将预处理粉体与粒度为60μm的铝合金粉体置于转速为400转/分钟的球磨机中充分混合球磨，预处理粉体和铝合金粉体的体积分数比为40％，研磨球为直径5mm的ZrO2磨球，混合球磨时间为8小时得到混合粉体。
步骤3、向电子束选区熔化成形设备的两个料斗分别装入混合粉体和粒度为60μm的铝合金粉体，根据叶轮性能需要设置混合粉体和铝合金粉体的出粉比例为1:1，并将叶轮的三维模型数据输入电子束选区熔化成形设备。
步骤4、启动电子束选区熔化成形设备进行烧结处理
步骤4.1、预热处理
设置预热成形参数：粉床温度400℃，扫描速度3000m/s，电压30KVA，电流25mA，束斑0.2mm，进行预热处理；
步骤4.2、烧结处理
设置烧结成形参数：粉床温度520℃，扫描速度5000m/s，电压40KVA，电流40mA，束斑0.2mm，进行烧结处理。
步骤5、取出成形叶轮并进行表面清理，如图1所示，叶轮成形完成。
经检测，本实施例成形的叶轮抗拉强度≥438MPa，叶轮的尺寸精度达到0.2mm，由此可知，通过本发明一种颗粒增强铝基复合材料零部件的成形方法制备的叶轮抗拉强度和尺寸精度均较高，有着极高的应用价值。
实施例2
本实施例提供一种颗粒增强铝基复合材料零部件的成形方法，制备壳体，具体按照以下步骤实施：
步骤1、将粒度为0.2μm的碳化硅粉体进行超声清洗处理，超声清洗处理的清洗剂为浓度1％的氢氟酸溶液，超声清洗时间为15分钟，并采用电阻炉进行焙烧处理，焙烧处理的温度为1400℃，焙烧处理时间为120分钟，得到预处理粉体。
步骤2、将预处理粉体与粒度为50μm的铝合金粉体置于转速为800转/分钟的球磨机中充分混合球磨，预处理粉体和铝合金粉体的体积分数比为35％，研磨球为直径5mm的ZrO2磨球，混合球磨时间为6小时得到混合粉体。
步骤3、向电子束选区熔化成形设备的两个料斗分别装入混合粉体和粒度为50μm的铝合金粉体，根据壳体性能需要设置两个粉斗的混合粉体和铝合金粉体的出粉比例为1:2，并将壳体的三维模型数据输入电子束选区熔化成形设备。
步骤4、启动电子束选区熔化成形设备进行烧结处理
步骤4.1、预热处理
设置预热成形参数：粉床温度460℃，扫描速度4000m/s，电压35KVA，电流35mA，束斑0.2mm，进行预热处理；
步骤4.2、烧结处理
设置烧结成形参数：粉床温度550℃，扫描速度6000m/s，电压45KVA，电流45mA，束斑0.2mm，进行烧结处理。
步骤5、取出成形壳体并进行表面清理，如图2所示，壳体成形完成。
经检测，本实施例成形的壳体抗拉强度≥432MPa，壳体的尺寸精度达到0.25mm，由此可知，通过本发明一种颗粒增强铝基复合材料零部件的成形方法制备的壳体抗拉强度和尺寸精度均较高，有着极高的应用价值。
实施例3
本实施例提供一种颗粒增强铝基复合材料零部件的成形方法，具体按照以下步骤实施：
步骤1、将粒度为30μm的氧化铝粉体进行超声清洗处理，超声清洗处理的清洗剂为浓度5％的氢氟酸溶液，超声清洗时间为30分钟，并采用电阻炉或燃气炉进行焙烧处理，焙烧处理的温度为1400℃，焙烧处理时间为300分钟，得到预处理粉体。
步骤2、将预处理粉体与粒度为80μm的铝合金粉体置于转速为1000转/分钟的球磨机中充分混合球磨，预处理粉体和铝合金粉体的体积分数比为50％，研磨球为直径10mm的ZrO2磨球，混合球磨时间为20小时得到混合粉体。
步骤3、向电子束选区熔化成形设备的两个料斗分别装入混合粉体和粒度为80μm的铝合金粉体，根据待加工零部件性能需要设置两个粉斗的出粉比例，并将待加工零部件的三维模型数据输入电子束选区熔化成形设备。
步骤4、启动电子束选区熔化成形设备进行烧结处理
步骤4.1、预热处理
设置预热成形参数：粉床温度600℃，扫描速度8000m/s，电压50KVA，电流50mA，束斑0.4mm，进行预热处理；
步骤4.2、烧结处理
设置烧结成形参数：粉床温度700℃，扫描速度9000m/s，电压60KVA，电流50mA，束斑0.4mm，进行烧结处理。
步骤5、取出成形零部件并进行表面清理，零部件成形完成。
实施例4
本实施例提供一种颗粒增强铝基复合材料零部件的成形方法，具体按照以下步骤实施：
步骤1、将粒度为10μm的碳化硅粉体进行超声清洗处理，超声清洗处理的清洗剂为浓度0.5％的氢氟酸溶液，超声清洗时间为1分钟，并采用电阻炉或燃气炉进行焙烧处理，焙烧处理的温度为400℃，焙烧处理时间为30分钟，得到预处理粉体。
步骤2、将预处理粉体与粒度为50μm的铝合金粉体置于转速为100转/分钟的球磨机中充分混合球磨，预处理粉体和铝合金粉体的体积分数比为1％，研磨球为直径2mm的ZrO2磨球，混合球磨时间为1小时得到混合粉体。
步骤3、向电子束选区熔化成形设备的两个料斗分别装入混合粉体和粒度为50μm的铝合金粉体，根据待加工零部件性能需要设置两个粉斗的出粉比例，并将待加工零部件的三维模型数据输入电子束选区熔化成形设备。
步骤4、启动电子束选区熔化成形设备进行烧结处理
步骤4.1、预热处理
设置预热成形参数：粉床温度300℃，扫描速度2000m/s，电压6KVA，电流10mA，束斑0.1mm，进行预热处理；
步骤4.2、烧结处理
设置烧结成形参数：粉床温度400℃，扫描速度3000m/s，电压10KVA，电流10mA，束斑0.1mm，进行烧结处理。
步骤5、取出成形零部件并进行表面清理，零部件成形完成。
实施例5
本实施例提供一种颗粒增强铝基复合材料零部件的成形方法，具体按照以下步骤实施：
步骤1、将粒度为15μm的氧化铝粉体进行超声清洗处理，超声清洗处理的清洗剂为浓度3％的氢氟酸溶液，超声清洗时间为17分钟，并采用电阻炉或燃气炉进行焙烧处理，焙烧处理的温度为1000℃，焙烧处理时间为180分钟，得到预处理粉体。
步骤2、将预处理粉体与粒度为65μm的铝合金粉体置于转速为700转/分钟的球磨机中充分混合球磨，预处理粉体和铝合金粉体的体积分数比为23％，研磨球为直径7mm的ZrO2磨球，混合球磨时间为12小时得到混合粉体。
步骤3、向电子束选区熔化成形设备的两个料斗分别装入混合粉体和粒度为65μm的铝合金粉体，根据待加工零部件性能需要设置两个粉斗的出粉比例，并将待加工零部件的三维模型数据输入电子束选区熔化成形设备。
步骤4、启动电子束选区熔化成形设备进行烧结处理
步骤4.1、预热处理
设置预热成形参数：粉床温度420℃，扫描速度6000m/s，电压38KVA，电流35mA，束斑0.3mm，进行预热处理；
步骤4.2、烧结处理
设置烧结成形参数：粉床温度550℃，扫描速度7400m/s，电压45KVA，电流45mA，束斑0.3mm，进行烧结处理。
步骤5、取出成形零部件并进行表面清理，零部件成形完成。

Claims (8)

1.一种颗粒增强铝基复合材料零部件的成形方法，其特征在于，具体按照以下步骤实施：
步骤1、将碳化硅或氧化铝粉体进行超声清洗处理，并进行焙烧处理，得到预处理粉体；
步骤2、将预处理粉体置于球磨机中，与铝合金粉体进行充分混合球磨，得到混合粉体；
步骤3、向电子束选区熔化成形设备的两个料斗分别装入混合粉体和铝合金粉体，根据待加工零部件性能需要设置两个粉斗的出粉比例，并将待加工零部件的三维模型数据输入电子束选区熔化成形设备；
步骤4、启动电子束选区熔化成形设备进行烧结处理；
步骤5、取出成形零部件并进行表面清理，零部件成形完成。
2.根据权利要求1所述的一种颗粒增强铝基复合材料零部件的成形方法，其特征在于，所述碳化硅或氧化铝粉体粒度为0.1-30μm，所述铝合金粉体粒度均为30-80μm。
3.根据权利要求1所述的一种颗粒增强铝基复合材料零部件的成形方法，其特征在于，所述步骤1中超声清洗处理的清洗剂为浓度0.5-5％的氢氟酸溶液，超声清洗时间为1-30分钟。
4.根据权利要求1所述的一种颗粒增强铝基复合材料零部件的成形方法，其特征在于，所述步骤1中焙烧处理的温度为400-1400℃，焙烧处理时间为30-300分钟。
5.根据权利要求1或4所述的一种颗粒增强铝基复合材料零部件的成形方法，其特征在于，所述焙烧处理采用电阻炉或燃气炉。
6.根据权利要求1所述的一种颗粒增强铝基复合材料零部件的成形方法，其特征在于，所述步骤2中混合球磨的球磨条件为，研磨球为直径2-10mm的ZrO2磨球，球磨机转速100-1000转/分钟，混合球磨时间为1-20小时。
7.根据权利要求1所述的一种颗粒增强铝基复合材料零部件的成形方法，其特征在于，所述步骤2中，预处理粉体和铝合金粉体的体积分数比为1％-50％。
8.根据权利要求7所述的一种颗粒增强铝基复合材料零部件的成形方法，其特征在于，所述步骤4具体按照以下步骤实施：
步骤4.1、预热处理
设置预热成形参数：粉床温度300-600℃，扫描速度2000-8000m/s，电压6-50KVA，电流10-50mA，束斑0.1-0.4mm，进行预热处理；
步骤4.2、烧结处理
设置烧结成形参数：粉床温度400-700℃，扫描速度3000-9000m/s，电压10-60KVA，电流10-50mA，束斑0.1-0.4mm，进行烧结处理。
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