CN113084152A - 一种增材制造用铝合金粉末及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种增材制造用铝合金粉末及其制备方法和应用，利用少量的石墨烯粉体、氧化锆粉体与铝合金粉体混合，氧化锆粉体混合能够防止石墨烯的团聚，石墨烯可以于基体发生界面反应生成碳化物，均匀分散在晶界和晶内，产生钉扎作用，通过Orowan强度增加位错密度，通过异质形核细化晶粒，促进更多的载荷从基质转移到石墨烯中，从而起到强化效果，改善双相增强相的空间分布，提高界面结合强度，提高增强相与基体的润湿性，改善粉末流动性，提高复合粉体的质量，同时结合石墨烯和氧化锆粉的耐高温、耐磨损、耐腐蚀的增强相，从t相(四方相)向m相(单斜相)转变时会产生约5％的体积膨胀，阻碍基体中的裂纹扩展，产生相增韧。
Description
技术领域
本发明属于增材制造金属基纳米复合材料领域，具体涉及到一种增材制造用铝合金粉末及其制备方法和应用。
背景技术
增材制造技术又称为3D打印技术，是相对于传统的机加工等“减材制造”技术而言的。它基于堆积原理，通过将二维截面逐点累积进而制造出三维实体。该技术能实现三维数字化模型到实体零件的直接制备，使零件结构轻量化、性能复合化。与传统制造技术相比，增材制造技术具有无模具、柔性高、周期短、不受零件结构和材料限制等优点。增材制造技术有望成为“第三次工业革命”的代表性技术。
激光选区融化技术(SLM)是一种基于材料逐层堆叠制造原理的激光增材制造技术，该技术在制造方面具有超高自由度，可以实现任意复杂外形结构件的精密一体化成形，且无需多余的后续加工。在制造复杂结构、增加材料的利用率、减少成本以及在生产过程中实现快速冷却方面具有很显著优势。激光选区熔化技术在航空航天、汽车制造、生物医学等领域已呈现出良好的应用前景，是近年来金属增材制造领域的研究热点。
铝合金因其密度低，机械性能优异，还兼具多种特性，已成为军事国防、航空航天等高技术领域不可缺少的轻量化结构材料和功能材料，在航空航天、交通运输等领域具有广泛的应用前景和研究价值。应用SLM技术成形单件或小批量铝合金零件可以大大提高材料利用率、缩短制造周期、降低制造成本，但是对于SLM技术而言，铝基材料是典型的难加工材料，大部分铝合金对激光的反射率很高，使得激光的利用铝较少，且在打印过程中往往会存在孔隙和裂缝问题，严重影响成形件的力学性能。目前铝合金增材制造成形件的强度和韧性往往无法满足一些关键部件的使用要求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种增材制造用铝合金粉末及其制备方法和应用，以克服现有技术的不足。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种增材制造用铝合金粉末，按质量比包括98.2％-99.4％铝合金粉体，0.3％-0.9％石墨烯粉体和0.3％-0.9％氧化锆粉体。
进一步的，铝合金粉体采用AlSi10Mg铝合金粉体，AlSi10Mg铝合金粉体的粒径为15-53um。
进一步的，石墨烯粉体的粒径为1um，石墨烯粉体的薄膜厚度为1-10层。
进一步的，氧化锆粉末的粒径为30-50nm。
一种增材制造用铝合金粉末制备方法，包括以下步骤：
S1，将铝合金粉体、石墨烯粉体和氧化锆粉体复合均匀得到复合材料，铝合金粉体、石墨烯粉体和氧化锆粉体的质量比为98.2％-99.4％：0.3％-0.9％：0.3％-0.9％；
S2，将复合材料进行干燥处理后保存得到增材制造用铝合金粉末。
进一步的，铝合金粉体、石墨烯粉体和氧化锆粉体复合均匀过程中加入酒精复合均匀。
进一步的，铝合金粉体采用AlSi10Mg铝合金粉体，AlSi10Mg铝合金粉体的粒径为15-53um。
进一步的，石墨烯粉体的粒径为1um，石墨烯粉体的薄膜厚度为1-10层，氧化锆粉末的粒径为30-50nm。
进一步的，步骤S2中先将复合材料在干燥箱烘干后，在真空环境下进行干燥；干燥箱烘干的温度为65-85℃，时间为2-3h；真空干燥的温度为105-115℃，时间为10-12h。
一种铝合金粉末的3D打印成形方法，采用激光选区熔化技术对铝合金粉末进行打印成型。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明一种增材制造用铝合金粉末，按质量比混合得到铝合金粉末材料，能够在SLM成型过程中，能够有效利用石墨烯和氧化锆双相增强铝合金粉末，氧化锆可以包覆在石墨烯的表面，可以有效降低石墨烯的团聚，改善双相纳米增强相的空间分布，提高增强相与基体的润湿性，改善粉末流动性，同步提高复合材料的强度和塑性。
一种增材制造用铝合金粉末制备方法及应用，利用少量的石墨烯粉体与铝合金粉体混合，利用氧化锆粉体混合能够防止石墨烯的团聚，在成型过程中，石墨烯可以于基体发生界面反应生成碳化物，均匀分散在晶界和晶内，产生钉扎作用，通过Orowan强度增加位错密度，同时可以通过异质形核细化晶粒，促进更多的载荷从基质转移到石墨烯中，从而起到强化效果，利用氧化锆粉体混合能够防止石墨烯的团聚，改善双相增强相的空间分布，提高界面结合强度，提高增强相与基体的润湿性，改善粉末流动性，提高复合粉体的质量。同时利用石墨烯粉体和氧化锆粉体两种增强相的协同作用，可以使强化效果得到进一步的提高；石墨烯的高强度特性，将其与铝合金制备成复合材料，有望提高铝合金的强度，同时结合氧化锆粉的耐高温、耐磨损、耐腐蚀的增强相，从t相(四方相)向m相(单斜相)转变时会产生约5％的体积膨胀，阻碍基体中的裂纹扩展，产生相增韧。
进一步的，在混合搅拌时加入酒精，利用酒精能够使石墨烯粉体和氧化锆粉体与铝合金粉体分散更均匀，且能够降低铝合金的氧化程度。
附图说明
图1为本发明实施例中制备流程图。
图2为本发明实施例中石墨烯粉体金相图。
图3为本发明实施例中AlSi10Mg铝合金粉体、石墨烯粉体和氧化锆粉体复合后的粉体金相图。
图4为本发明实施例一中增材制造用铝合金粉末经激光选区熔化成形后微观组织图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
一种增材制造用铝合金粉末，按质量比包括98.2％-99.4％铝合金粉体，0.3％-0.9％石墨烯粉体和0.3％-0.9％氧化锆粉体。
铝合金粉体采用AlSi10Mg铝合金粉体，AlSi10Mg铝合金粉体的粒径为15-53um。
石墨烯粉体的粒径为1um，石墨烯粉体的薄膜厚度为1-10层；氧化锆粉末的粒径为30-50nm。
如图1所示，一种增材制造用铝合金粉末的制备方法，包括以下步骤：
S1，将铝合金粉体、石墨烯粉体和氧化锆粉体进行复合得到复合材料；
具体采用匀质机搅拌将铝合金粉体、石墨烯粉体和氧化锆粉体进行复合。
铝合金粉体、石墨烯粉体和氧化锆粉体的质量比为98.2％-99.4％：0.3％-0.9％：0.3％-0.9％；进行复合过程中，在铝合金粉体、石墨烯粉体和氧化锆粉体的混合物中加入酒精后搅拌均匀；匀质机的转速调整为1300-1800r/min，搅拌时间为1-3min。具体的，混合过程中酒精能够将复合材料浸润，利用酒精能够使石墨烯粉体和氧化锆粉体与铝合金粉体分散更均匀，且能够降低铝合金的氧化程度。
其中，铝合金粉体采用AlSi10Mg铝合金粉体，AlSi10Mg铝合金粉体的粒径为15-53um。
石墨烯粉体的粒径为1um，石墨烯粉体的薄膜厚度为1-10层，氧化锆粉末的粒径为30-50nm。
S2，将复合材料进行干燥处理后保存得到增材制造用铝合金粉末。
具体的，先将复合材料在干燥箱烘干后，在真空环境下进行干燥；干燥箱烘干的温度为65-85℃，时间为2-3h；真空干燥的温度为105-115℃，时间为10-12h。
如图2、图3所示，本发明将铝合金粉体、石墨烯粉体和氧化锆粉体按质量比混合后，在混合搅拌时加入酒精，利用酒精能够使石墨烯粉体和氧化锆粉体与铝合金粉体分散更均匀，且能够降低铝合金的氧化程度；利用少量的石墨烯粉体与铝合金粉体混合，利用氧化锆粉体混合能够防止石墨烯的团聚，在成型过程中，石墨烯可以于基体发生界面反应生成碳化物，均匀分散在晶界和晶内，产生钉扎作用，通过Orowan强度增加位错密度，同时可以通过异质形核细化晶粒，促进更多的载荷从基质转移到石墨烯中，从而起到强化效果，利用氧化锆粉体混合能够防止石墨烯的团聚，改善双相增强相的空间分布，提高界面结合强度，提高增强相与基体的润湿性，改善粉末流动性，提高复合粉体的质量。同时利用石墨烯粉体和氧化锆粉体两种增强相的协同作用，可以使强化效果得到进一步的提高。
一种增材制造用铝合金粉末的应用，将上述方法得到的增材制造用铝合金粉末采用激光选区熔化技术(SLM)进行打印成型，能够得到高强度和高韧性的零部件结构。
如图4所示，本申请将复合得到的铝合金粉末利用激光选区熔化(SLM)技术打印成型，对打印的样件进行抗拉强度测试，样件的抗拉强度达到了485MPa，与未经复合的AlSi10Mg铝合金粉体打印的样件抗拉强度相比，本申请铝合金粉末材料制备得到的试件抗拉强度得到了提高。在打印成型材料没有孔隙和裂缝存在，利用石墨烯的高强度特性，将其与铝合金制备成复合材料，提高了铝合金的强度，同时利用纳米氧化锆颗粒耐高温、耐磨损、耐腐蚀的增强相，从t相(四方相)向m相(单斜相)转变时会产生约5％的体积膨胀，阻碍基体中的裂纹扩展，产生相增韧。
实施例1
(1)称重994gAlSi10Mg铝合金粉体、3g石墨烯粉体和3g氧化锆粉体；
(2)将AlSi10Mg铝合金粉体、石墨烯粉体和氧化锆粉体放入匀质机中，加入适量酒精，然后将匀质机转速设置为1500r/s，搅拌时间设置为1min。进行搅拌，得到混合浆料；
(3)将混合浆料在干燥机中烘干3H，烘干温度设置为75℃；再将干燥机烘干后的粉末在真空中干燥12H，干燥温度设置为110℃；
(4)将得到的复合粉体利用激光选区熔化(SLM)技术打印成型。
成型后的零件的微观组织如图4所示，形成的材料双相纳米增强相空间分布均匀，对上述得到的材料进行强度测试，其中抗拉强度达到483Mpa，屈服强度达到330Mpa，延伸率为9.8％；而采用纯AlSi10Mg材料成型得到的零件，其抗拉强度为450Mpa，屈服强度为314Mpa，延伸率为6％，由此可见，本申请复合材料试件抗拉强度得到了提高。
实施例2
(1)称重988gAlSi10Mg铝合金粉体、6g石墨烯粉体和6g氧化锆粉体；
(2)将AlSi10Mg铝合金粉体、石墨烯粉体和氧化锆粉体放入匀质机中，加入适量酒精，然后将匀质机转速设置为1500r/s，搅拌时间设置为1min。进行搅拌，得到混合浆料；
(3)将混合浆料在干燥机中烘干3H，烘干温度设置为75℃；再将干燥机烘干后的粉末在真空中干燥12H，干燥温度设置为110℃；
(4)将得到的复合粉体利用激光选区熔化(SLM)技术打印成型。
对上述得到的材料进行强度测试，其中抗拉强度达到532Mpa，屈服强度达到356Mpa，延伸率为7.6％，实施例2中的材料抗拉强度同样得到了提高。
实施例3
(1)称重982gAlSi10Mg铝合金粉体、9g石墨烯粉体和9g氧化锆粉体；
(2)将AlSi10Mg铝合金粉体、石墨烯粉体和氧化锆粉体放入匀质机中，加入适量酒精，然后将匀质机转速设置为1500r/s，搅拌时间设置为1min。进行搅拌，得到混合浆料；
(3)将混合浆料在干燥机中烘干3H，烘干温度设置为75℃；再将干燥机烘干后的粉末在真空中干燥12H，干燥温度设置为110℃；
(4)将得到的复合粉体利用激光选区熔化(SLM)技术打印成型。
对上述得到的材料进行强度测试，其中抗拉强度达到455Mpa，屈服强度达到325Mpa，延伸率为4.3％，实施例3中的材料抗拉强度和屈服强度达得到了提高，而延伸率有所下降，整体提高了力学性能。
Claims (10)
1.一种增材制造用铝合金粉末，其特征在于，按质量比包括98.2％-99.4％铝合金粉体，0.3％-0.9％石墨烯粉体和0.3％-0.9％氧化锆粉体。
2.根据权利要求1所述的一种增材制造用铝合金粉末，其特征在于，铝合金粉体采用AlSi10Mg铝合金粉体，AlSi10Mg铝合金粉体的粒径为15-53um。
3.根据权利要求1所述的一种增材制造用铝合金粉末，其特征在于，石墨烯粉体的粒径为1um，石墨烯粉体的薄膜厚度为1-10层。
4.根据权利要求1所述的一种增材制造用铝合金粉末，其特征在于，氧化锆粉末的粒径为30-50nm。
5.一种增材制造用铝合金粉末制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1，将铝合金粉体、石墨烯粉体和氧化锆粉体复合均匀得到复合材料，铝合金粉体、石墨烯粉体和氧化锆粉体的质量比为98.2％-99.4％：0.3％-0.9％：0.3％-0.9％；
S2，将复合材料进行干燥处理后保存得到增材制造用铝合金粉末。
6.根据权利要求5所述的一种增材制造用铝合金粉末制备方法，其特征在于，铝合金粉体、石墨烯粉体和氧化锆粉体复合均匀过程中加入酒精复合均匀。
7.根据权利要求5所述的一种增材制造用铝合金粉末制备方法，其特征在于，铝合金粉体采用AlSi10Mg铝合金粉体，AlSi10Mg铝合金粉体的粒径为15-53um。
8.根据权利要求5所述的一种增材制造用铝合金粉末制备方法，其特征在于，石墨烯粉体的粒径为1um，石墨烯粉体的薄膜厚度为1-10层，氧化锆粉末的粒径为30-50nm。
9.根据权利要求5所述的一种增材制造用铝合金粉末制备方法，其特征在于，步骤S2中先将复合材料在干燥箱烘干后，在真空环境下进行干燥；干燥箱烘干的温度为65-85℃，时间为2-3h；真空干燥的温度为105-115℃，时间为10-12h。
10.一种基于权利要求1或权利要求5所述方法得到的铝合金粉末的3D打印成形方法，其特征在于，采用激光选区熔化技术对铝合金粉末进行打印成型。
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