CN113084194A

CN113084194A - 一种基于气固原位复合的镁合金3d打印方法

Info

Publication number: CN113084194A
Application number: CN202110339707.5A
Authority: CN
Inventors: 车玉思; 杨瑞瑞; 周燕; 文世峰; 舒永春; 甘杰; 郝振华; 史玉升; 何季麟
Original assignee: China University of Geosciences; Zhengzhou University; Huazhong University of Science and Technology
Current assignee: China University of Geosciences; Zhengzhou University; Huazhong University of Science and Technology
Priority date: 2021-03-30
Filing date: 2021-03-30
Publication date: 2021-07-09
Anticipated expiration: 2041-03-30
Also published as: CN113084194B

Abstract

本发明属于粉末冶金和增材制造相关技术领域，其公开了一种基于气固原位复合的镁合金3D打印方法。所述方法包括采用镁合金粉末利用3D打印技术在成形腔内打印镁合金零件，在打印过程中所述成形腔内的气体为氮源气体与惰性保护气体的混合物。本发明通过改变采用增材制造技术制备镁合金零件过程中的环境气体氛围，使得镁合金中的Mg、Al元素与N元素在激光的高温作用下直接原位生成第二相颗粒，可显著提高镁合金的强度、硬度、韧性及耐磨性，避免了传统方法制备过程中增强相添加剂的团聚不易分散的问题，使其在镁合金基体中分散更加均匀，工艺简单，绿色环保。

Description

一种基于气固原位复合的镁合金3D打印方法

技术领域

本发明属于粉末冶金和增材制造相关技术领域，更具体地，涉及一种基于气固原位复合的镁合金3D打印方法。

背景技术

镁合金是以镁为基体加入其他元素组成的合金，密度比纯镁稍高，具备较高的比强度、比刚度，其比弹性模量与高强铝合金、合金钢大致相同。此外，镁合金在弹性范围内承受载荷时，所吸收的能量比铝高50％左右，更适宜做承受猛烈冲击的零部件，其优异的阻尼性能使其在汽车、航空航天等领域具备较大的应用潜力，同时镁合金的可降解性、生物相容性优良，在骨植入材料方法应用前景广阔。

近年来，航空航天、汽车及电子产品领域对各自零部件的应用愈加苛刻，对镁合金的力学性能提出了更高的要求，采用颗粒增强镁合金材料能显著提高镁基合金的强度、弹性模量、硬度及耐磨性。同时颗粒增强镁合金材料因其成本低廉，强度、刚度高，在先进制造等现代工业化生产领域有广泛的应用前景。

目前，颗粒增强镁合金零件主要是将颗粒增强相作为额外添加剂与镁合金材料通过压力浸渗(例如中国专利CN112176262A)、热等静压(例如中国专利CN110153407A)、浇铸挤压(例如中国专利CN105369094B)以及熔炼浇铸等传统方法进行制备，然而上述传统方法面临着镁合金零件内部气孔、疏松等缺陷以及颗粒增强相不易分散极易团聚的问题，且难以成型含复杂结构，如内部流道、曲面和超细晶格的镁合金零件，极大地限制了颗粒增强镁合金零件的质量及应用潜力，因此，亟需设计一种新的镁合金零件制备技术以解决上述技术问题。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于气固原位复合的镁合金3D打印方法，解决了现有的镁合金制备工艺中增强相添加剂团聚不易分散的技术问题。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种基于气固原位复合的镁合金3D打印方法，其特征在于，所述方法包括采用镁合金粉末利用3D打印技术在成形腔内打印镁合金零件，在打印过程中所述成形腔内的气体为氮源气体与惰性保护气体的混合物。

优选地，所述混合物中氮源气体为NH₃或N₂。

优选地，所述混合物中氮源气体的体积百分比为5％～30％。

优选地，所述镁合金粉末的粒径为10～60μm。

优选地，所述混合中氮源气体的体积百分比为20％～25％，所述镁合金粉末的粒径为30～40μm。

优选地，所述镁合金粉末由AZ系列、AM系列、AS系列、AE系列铸锭镁合金中的一种经气雾化制备而成。

优选地，利用3D打印技术在成形腔内的镁合金基板上打印镁合金零件，所述镁合金基板的材料与所述镁合金粉末的材料相同。

优选地，在打印镁合金零件的过程中对所述镁合金基板辅以振动。

优选地，所述3D打印技术的打印工艺为：激光功率为100W～300W；扫描速度为600mm/s～1200mm/s；铺粉层厚为20μm～60μm；扫描间距为80μm～120μm。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，本发明提供的一种基于气固原位复合的镁合金3D打印方法具有如下有益效果：

1.本发明通过改变采用增材制造技术制备镁合金零件过程中的环境气体氛围，也即在氩气氛围中注入一定比例的氮源气体，使得镁合金中的Mg、A1元素与N元素在激光的高温作用下直接原位生成第二相颗粒，大量原位生成的第二相颗粒可作为镁合金激光加工过程中晶粒的形核点，提高镁合金的形核率，结合激光增材制造快速熔融冷却的特点，使得上述第二相颗粒在镁合金基体中以细小而弥散的方式分布，可显著提高镁合金的强度、硬度、韧性及耐磨性，避免了传统方法制备过程中增强相添加剂的团聚不易分散的问题，使其在镁合金基体中分散更加均匀；

2.本申请中的氮源的气体比例易于调节，可以根据需要控制第二相颗粒的数量进而控制镁合金强度特性；

3.镁合金粉末的粒径控制在10～60μm较小的范围，以增大镁合金粉末的表面积，进而增大与氮源气体的接触程度便于第二相颗粒的生成；

4.镁合金粉末的粒径越小比表面积越大但颗粒与颗粒之间的间隙越小反而不利于与氮源气体的接触。氮源气体的体积半分比越大越利于生成第二相颗粒，但第二相颗粒过多会影响成形，因此，氮源气体的体积百分比进一步优选为20％～25％，所述镁合金粉末的粒径优选为30～40μm，在此组合范围内可以使得既可以得到合理数量的第二相颗粒又可以保证成形质量；

5.在激光加工过程中辅以振动避免了柱状晶粒组织的产生，可得到等轴晶或者具有特定的晶粒类型和尺寸的镁合金零件；

6.本发明在提升镁合金性能方面为进一步节约成本、提高效率及绿色环保等方面提供了新方法、新思路。

附图说明

图1示意性示出了本实施例的3D打印设备的系统图；

图2示意性示出了本实施例的3D打印设备中成形部位的示意图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

1-扫描系统；2-激光；3-激光保护镜；4-惰性保护气进口；5-氮源气体进口；6-成形腔；7-落粉罐；8-镁合金零件；9-镁合金基板；10-基板固定基底；11-超声振动平台；12-升降控制系统；13-混合气出口；14-铺粉辊/刮刀；15-镁合金粉末。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

请参阅图1及图2，本发明提供了一种基于气固原位复合的镁合金3D打印方法，所述方法包括采用镁合金粉末利用3D打印技术在成形腔内打印镁合金零件，在打印过程中所述成形腔内的气体为氮源气体与惰性保护气体的混合物。

3D打印设备包括扫描系统1、铺粉辊/刮刀14、成形腔6，成形腔6上设有惰性保护气进口4、氮源气体进口5、混合气出口13以及激光保护镜3，所述扫描系统1发射激光2，激光2透过激光保护镜3进入成形腔6，所述增材制造设备还包括落粉罐7、超声振动平台11，超声振动平台11下部设有升降控制系统12可以实现上升和下降。

具体步骤如下：

S1：将足量的镁合金粉末15置于落粉罐7内，在增材制造设备操作系统中导入待加工镁合金零件8的3D数字模型；

本公开实施例中，所述镁合金粉末由AZ系列(Mg-Al-Zn)、AM系列(Mg-Al-Mn)、AS系列(Mg-Al-Si)、AE系列(Mg-Al-Re)铸锭镁合金中的一种经气雾化制备而成。所述镁合金粉末的粒径为10～60μm，球形率为99.9％。

S2：将打磨平整、喷砂处理后的镁合金基板9固定于成形缸内，调平镁合金基板9使其表面与铺粉辊/刮刀14的最底端的平均距离不超过一个铺粉层厚；

其中，所述镁合金基板原材料与镁合金粉末材料一致，所述一个铺粉层厚范围为20μm～60μm，本实施例中优选为30μm，40μm或50μm。

S3：关闭成形腔6的舱门，严格控制成形腔内的氮源气与氩气混合物；

所述混合物中氮源气体为NH₃或N₂，所述混合物中氮源气体的体积百分比为5％～30％。本实施例中优选为10％，20％或25％。

所述混合中氮源气体的体积百分比为20％～25％，所述镁合金粉末的粒径为30～40μm。镁合金粉末的粒径越小比表面积越大但颗粒与颗粒之间的间隙越小反而不利于与氮源气体的接触。氮源气体的体积半分比越大越利于生成第二相颗粒，但第二相颗粒过多会影响成形，因此氮源气体的体积百分比进一步优选为20％～25％，所述镁合金粉末的粒径优选为30～40μm，在此组合范围内可以使得既可以得到合理数量的第二相颗粒又可以保证成形质量。

S4：成形腔6内的气体氛围满足需求后，采用合适的3D打印工艺激光增材制造镁合金零件8；

所述3D打印技术的3D打印工艺为：激光功率为100W～300W；扫描速度为600mm/s～1200mm/s；铺粉层厚为20μm～60μm；扫描间距为80μm～120μm；镁合金基板预热温度为150℃～200℃。在增材制造过程中可以在镁合金基板9设置超声辅助装置，以使镁合金基板9产生振动，超声振动频率设置为20kHz。

S5：将镁合金零件8从镁合金基板9上分离下来，经后处理后得到最终的镁合金零件8。

优选采用线切割技术将3D打印完的镁合金零件从基板上分离下来。

上述步骤S3中，所述严格控制成形腔内的氮源气与氩气混合物包括如下步骤：

S31：打开保护气进气阀、泄压阀，通入氩气排除成形腔内的空气，使腔内的氧含量低于50ppm；

S32：打开氮源进气阀，同步控制氮源与氩气的相对流量，使成形腔内氮源气体的体积比例处于5％～30％范围内。

综上所述，本发明提供了一种基于气固原位复合的镁合金3D打印方法。在3D打印增材制造制备镁合金零件的过程中，通过改变成形腔内的气体氛围一在原有的氩气保护气氛中通入适当体积分数的氮源气体，如NH₃、N₂等，使得镁合金粉末中的Mg、Al等元素与气体氛围中的N元素在激光的高温作用下原位生成Mg₃N₂、AlN等第二相，激光增材制造层层叠加及其快速熔融冷却的独特加工方式将使得上述第二相颗粒在镁合金基体中以细小而弥散的方式分布，可显著提高镁合金的强度、硬度、韧性及耐磨性，相较于传统方法，本发明在提升镁合金性能方面为进一步节约成本、提高效率及绿色环保等方面提供了新方法、新思路。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种基于气固原位复合的镁合金3D打印方法，其特征在于，所述方法为：采用镁合金粉末利用3D打印技术在成形腔内打印镁合金零件，在打印过程中所述成形腔内的气体为氮源气体与惰性保护气体的混合物，打印过程中镁合金中的Mg元素和组合元素与氮源气体中的氮元素在激光的高温作用下直接原位生成第二相颗粒，大量原位生成的第二相颗粒作为镁合金激光加工过程中晶粒的形核点，提高镁合金的形核率，使得3D打印过程中所述第二相颗粒在镁合金基体中以细小而弥散的方式分布。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述混合物中氮源气体为NH₃或N₂。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述混合物中氮源气体的体积百分比为5％～30％。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述镁合金粉末的粒径为10～60μm。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述混合中氮源气体的体积百分比为20％～25％，所述镁合金粉末的粒径为30～40μm。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述镁合金粉末由AZ系列、AM系列、AS系列、AE系列铸锭镁合金中的一种经气雾化制备而成。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，利用3D打印技术在成形腔内的镁合金基板上打印镁合金零件，所述镁合金基板的材料与所述镁合金粉末的材料相同。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，在打印镁合金零件的过程中对所述镁合金基板辅以振动。

9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述3D打印技术的打印工艺为：

激光功率为100W～300W；扫描速度为600mm/s～1200mm/s；铺粉层厚为20μm～60μm；扫描间距为80μm～120μm。