CN113798501A - 纳米Al2O3增强3D打印铝基复合材料及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开的一种纳米Al2O3增强3D打印铝基复合材料的制备方法，包括以下步骤：步骤1，将纳米Al2O3和Al基球形粉末按照一定的比例，通过球磨机混合得到打印用的复合粉末；步骤2，将步骤1得到的复合粉末置于烘箱中保温后，用筛网进行筛分；步骤3，将经筛分后的混合粉末添加到选区激光熔化成形设备的送粉系统中，然后通过铺粉辊均匀铺粉，当每一层粉铺好之后，扫描系统在计算机的控制下按照设定参数打印，不断重复扫描至成型过程，直至三维零件制造完成，即采用选区激光熔化成形设备进行3D打印成形。该方法制备得到的铝合金组织致密、晶粒细小，力学性能优于传统铸造成形的零件。还提供了由该方法制备得到的复合材料。
Description
技术领域
本发明涉及金属3D打印技术领域，具体涉及一种纳米Al2O3增强3D打印铝基复合材料，还涉及一种纳米Al2O3增强3D打印铝基复合材料的制备方法。
背景技术
随着现代科技的迅速发展，AlSi10Mg合金的强度、韧性及热稳定性难以满足特殊工况下的使用需求，为了进一步扩展铝基复合材料(英文全称AMCs)在高性能结构中的应用，需要对新型高强度铝合金进行深入广泛研究。目前铝合金材料强韧化途径按增强相形式可以分为：连续纤维增强和颗粒增强。其中陶瓷相颗粒增强AMCs能够兼具轻合金与陶瓷相的优良特性，具有比强度高、比模量高、低密度以及良好的尺寸稳定性，制备工艺简单，成本低，目前已成为应用最广泛、发展最为迅速的AMCs材料。常用的陶瓷增强颗粒包括SiC、TiC、TiB2、Al2O3颗粒等，其中Al2O3由于化学性能稳定、导热系数高、热膨胀系数小、耐磨性能好，用作增强相可较大提升复合材料的性能。Al2O3增强相的加入不仅可提高复合材料的耐磨性，还可提高强度、尺寸稳定性等重要性能。因此，选择将Al2O3粉末作为增强相添加到铝合金中，以期获得性能更加优异的轻质铝基复合材料，以推进激光增材制造铝合金的工业化应用进程。在Al2O3增强铝合金基体的研究中，目前针对微米级Al2O3颗粒的研究已经成熟，纳米级Al2O3颗粒对于基体材料的增强性能研究逐渐成为研究的热点。
随着科技进步和工业化的快速发展，传统铸锻件铝合金零部件的结构和性能已不能满足应用要求，现代铝合金制备技术逐渐向着整体成型的复杂形状结构件方向发展。而选区激光熔化技术成形铝合金组织致密、晶粒细小，力学性能优于传统铸造成形的零件，并可一次近净成形形状复杂的结构件，在航空航天、汽车零部件等重要领域有着广泛的应用前景。
发明内容
本发明的第一个目的是提供一种纳米Al2O3增强3D打印铝基复合材料的制备方法，该方法制备得到的铝合金组织致密、晶粒细小，力学性能优于传统铸造成形的零件。
本发明的第二个目的是提供一种纳米Al2O3增强3D打印铝基复合材料，该材料铝合金组织致密、晶粒细小，力学性能优于传统铸造成形的零件。
本发明所采用第一种的技术方案是，一种纳米Al2O3增强3D打印铝基复合材料的制备方法，包括以下步骤：
步骤1，粉末的均匀混合
将纳米Al2O3和Al基球形粉末按照一定的比例，通过球磨机混合得到打印用的复合粉末；
步骤2，烘粉并筛分
将步骤1得到的复合粉末置于烘箱中保温后，用筛网进行筛分；
步骤3，打印成形
将经筛分后的混合粉末添加到选区激光熔化成形设备的送粉系统中，然后通过铺粉辊均匀铺粉，当每一层粉铺好之后，扫描系统在计算机的控制下按照设定参数打印，经激光扫描、预热、熔化以及成型过程，不断重复扫描至成型过程，直至三维零件制造完成，即采用选区激光熔化成形设备进行3D打印成形。
本发明的特征还在于，
步骤1中，复合粉末按照质量百分比由以下原料组成：0.1wt％～30wt％的纳米级Al2O3和70wt％～99.9wt％的Al基球形粉末，以上组分质量百分比之和为100％；球磨混合在含有酒精的液体环境中进行，球磨机转速设置为50～400rpm，采用间歇球磨方式，实际球磨时间为0.5～20h。
步骤2中，在温度设置为50～300℃的烘箱中保温0.1h～40h；用50～600目的筛网进行筛分。
步骤3中选区激光熔化成形工艺参数：激光功率100～400W，扫描速度100～3000mm/s。
本发明所采用第二种的技术方案是，一种纳米Al2O3增强3D打印铝基复合材料，由上述的制备方法制备得到。
本发明的有益效果是：在Al2O3增强铝合金基体的研究中，目前针对微米级Al2O3颗粒的研究已经成熟，而纳米级Al2O3颗粒的性能研究正在逐渐成为研究的热点。本发明方法中使用的纳米Al2O3陶瓷颗粒能够有效提高颗粒的总比表面积，提高表面能，极大地降低Al2O3陶瓷颗粒的烧结温度，快速实现材料的致密化程度。纳米Al2O3陶瓷颗粒能够存于材料的晶格内部和晶格间隙，有效细化晶粒。选区激光熔化成型技术为制造各种高性能复杂形状的三维材料，降低了产品价格和缩短了生产周期，此外，系统中极低的O2浓度可帮助延迟铝的氧化程度。同时，由于激光束与材料的相互作用时间短，熔融物尺寸小，激光感应熔池具有极高的冷却速度，极大地有助于制造高性能的超细晶微结构零件。
附图说明
图1为本发明实施例1中AlSi10Mg粉末SEM形貌；
图2为本发明实施例1中纳米Al2O3与AlSi10Mg混合后的复合粉末SEM形貌；
图3为本发明实施例1中选区激光熔化成形样品；
图4为本发明实施例1中纳米Al2O3增强AlSi10Mg复合粉末成型样品表面SEM形貌。
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。
本发明提供一种纳米Al2O3增强3D打印铝基复合材料的制备方法，包括以下步骤：
步骤1，粉末的均匀混合
将纳米Al2O3和Al基球形粉末按照一定的比例，通过球磨机混合得到打印用的复合粉末；
步骤1中，复合粉末按照质量百分比由以下原料组成：0.1wt％～30wt％的纳米级Al2O3和70wt％～99.9wt％的Al基球形粉末，以上组分质量百分比之和为100％；球磨混合在含有酒精的液体环境中进行，球磨机转速设置为50～400rpm，采用间歇球磨方式，实际球磨时间为0.5～20h。
步骤2，烘粉并筛分
将步骤1得到的复合粉末置于烘箱中保温后，用筛网进行筛分；
步骤2中，在温度设置为50～300℃的烘箱中保温0.1h～40h；用50～600目的筛网进行筛分。
步骤3，打印成形
将经筛分后的混合粉末添加到选区激光熔化成形设备的送粉系统中，然后通过铺粉辊均匀铺粉，当每一层粉铺好之后，扫描系统在计算机的控制下按照设定参数打印，经激光扫描、预热、熔化以及成型过程，不断重复扫描至成型过程，直至三维零件制造完成，即采用选区激光熔化成形设备进行3D打印成形。
步骤3中选区激光熔化成形工艺参数：激光功率100～400W，扫描速度100～3000mm/s。
本发明还提供一种纳米Al2O3增强3D打印铝基复合材料，由上述制备方法制备得到。
实施例1
步骤1，粉末的均匀混合
将纳米Al2O3和Al基球形粉末按照一定的比例，通过球磨机混合得到打印用的复合粉末；复合粉末即2.25wt％的纳米级Al2O3和97.75wt％的Al基球形粉末组成，以上组分质量百分比之和为100％；球磨混合在含有酒精的液体环境中进行，球磨机转速设置为150rpm，采用间歇球磨方式，实际球磨时间为4h；
步骤2，烘粉并筛分
将步骤1得到的复合粉末置于80℃的烘箱中保温4h后，用100目筛网进行筛分。
步骤3，打印成形
将混合粉末添加到选区激光熔化成形设备的送粉系统中，然后通过铺粉辊均匀铺粉，当每一层粉铺好之后，扫描系统在计算机的控制下按照设定参数打印，经激光扫描、预热、熔化以及成型过程，不断重复扫描至成型过程，直至三维零件制造完成，即采用选区激光熔化成形设备进行3D打印成形，激光功率300W，扫描速度200mm/s。
实施例1中，颗粒尺寸为15-53μm的球形AlSi10Mg粉末SEM形貌如图1所示，纳米Al2O3与AlSi10Mg混合后的复合粉末SEM形貌如图2所示，可以看出球磨后的AlSi10Mg存在部分变形，但是其近球形的特征仍保证了良好的铺粉性能。打印后的样品如图3所示，对样品表面进行腐蚀后的高倍SEM如图4所示，可以看到颗粒存在聚集成环状结构的倾向，该准网状结构的形成有利于力学性能的提升。
实施例2
步骤1，粉末的均匀混合
将纳米Al2O3和Al基球形粉末按照一定的比例，通过球磨机混合得到打印用的复合粉末；复合粉末即0.1wt％的纳米级Al2O3和99.9wt％的Al基球形粉末组成，以上组分质量百分比之和为100％；球磨混合在含有酒精的液体环境中进行，球磨机转速设置为50rpm，采用间歇球磨方式，实际球磨时间为20h；
步骤2，烘粉并筛分
将步骤1得到的复合粉末置于50℃的烘箱中保温40h后，用600目筛网进行筛分。
步骤3，打印成形
将混合粉末添加到选区激光熔化成形设备的送粉系统中，然后通过铺粉辊均匀铺粉，当每一层粉铺好之后，扫描系统在计算机的控制下按照设定参数打印，经激光扫描、预热、熔化以及成型过程，不断重复扫描至成型过程，直至三维零件制造完成，即采用选区激光熔化成形设备进行3D打印成形，激光功率100W，扫描速度100mm/s。
实施例3
步骤1，粉末的均匀混合
将纳米Al2O3和Al基球形粉末按照一定的比例，通过球磨机混合得到打印用的复合粉末；复合粉末即30wt％的纳米级Al2O3和70wt％的Al基球形粉末组成，以上组分质量百分比之和为100％；球磨混合在含有酒精的液体环境中进行，球磨机转速设置为400rpm，采用间歇球磨方式，实际球磨时间为0.5h；
步骤2，烘粉并筛分
将步骤1得到的复合粉末置于300℃的烘箱中保温0.1h后，用50目筛网进行筛分。
步骤3，打印成形
将混合粉末添加到选区激光熔化成形设备的送粉系统中，然后通过铺粉辊均匀铺粉，当每一层粉铺好之后，扫描系统在计算机的控制下按照设定参数打印，经激光扫描、预热、熔化以及成型过程，不断重复扫描至成型过程，直至三维零件制造完成，即采用选区激光熔化成形设备进行3D打印成形，激光功率400W，扫描速度3000mm/s。
实施例4
步骤1，粉末的均匀混合
将纳米Al2O3和Al基球形粉末按照一定的比例，通过球磨机混合得到打印用的复合粉末；复合粉末即2.25wt％的纳米级Al2O3和97.75wt％的Al基球形粉末组成，以上组分质量百分比之和为100％；球磨混合在含有酒精的液体环境中进行，球磨机转速设置为50rpm，采用间歇球磨方式，实际球磨时间为2h；
步骤2，烘粉并筛分
将步骤1得到的复合粉末置于80℃的烘箱中保温4h后，用100目筛网进行筛分。
步骤3，打印成形
将混合粉末添加到选区激光熔化成形设备的送粉系统中，然后通过铺粉辊均匀铺粉，当每一层粉铺好之后，扫描系统在计算机的控制下按照设定参数打印，经激光扫描、预热、熔化以及成型过程，不断重复扫描至成型过程，直至三维零件制造完成，即采用选区激光熔化成形设备进行3D打印成形，激光功率300W，扫描速度200mm/s。
实施例5
步骤1，粉末的均匀混合
将纳米Al2O3和Al基球形粉末按照一定的比例，通过球磨机混合得到打印用的复合粉末；复合粉末即2.25wt％的纳米级Al2O3和97.75wt％的Al基球形粉末组成，以上组分质量百分比之和为100％；球磨混合在含有酒精的液体环境中进行，球磨机转速设置为400rpm，采用间歇球磨方式，实际球磨时间为20h；
步骤2，烘粉并筛分
将步骤1得到的复合粉末置于200℃的烘箱中保温20h后，用100目筛网进行筛分。
步骤3，打印成形
将混合粉末添加到选区激光熔化成形设备的送粉系统中，然后通过铺粉辊均匀铺粉，当每一层粉铺好之后，扫描系统在计算机的控制下按照设定参数打印，经激光扫描、预热、熔化以及成型过程，不断重复扫描至成型过程，直至三维零件制造完成，即采用选区激光熔化成形设备进行3D打印成形，激光功率300W，扫描速度200mm/s。
Claims (5)
1.一种纳米Al2O3增强3D打印铝基复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，粉末的均匀混合
将纳米Al2O3和Al基球形粉末按照一定的比例，通过球磨机混合得到打印用的复合粉末；
步骤2，烘粉并筛分
将步骤1得到的复合粉末置于烘箱中保温后，用筛网进行筛分；
步骤3，打印成形
将经筛分后的混合粉末添加到选区激光熔化成形设备的送粉系统中，然后通过铺粉辊均匀铺粉，当每一层粉铺好之后，扫描系统在计算机的控制下按照设定参数打印，经激光扫描、预热、熔化以及成型过程，不断重复扫描至成型过程，直至三维零件制造完成，即采用选区激光熔化成形设备进行3D打印成形。
2.根据权利要求1所述的一种纳米Al2O3增强3D打印铝基复合材料的制备方法，其特征在于，步骤1中，复合粉末按照质量百分比由以下原料组成：0.1wt％～30wt％的纳米级Al2O3和70wt％～99.9wt％的Al基球形粉末，以上组分质量百分比之和为100％；球磨混合在含有酒精的液体环境中进行，球磨机转速设置为50～400rpm，采用间歇球磨方式，实际球磨时间为0.5～20h。
3.根据权利要求1所述的一种纳米Al2O3增强3D打印铝基复合材料的制备方法，其特征在于，步骤2中，在温度设置为50～300℃的烘箱中保温0.1h～40h；用50～600目的筛网进行筛分。
4.根据权利要求1所述的一种纳米Al2O3增强3D打印铝基复合材料的制备方法，其特征在于，步骤3中选区激光熔化成形工艺参数：激光功率100～400W，扫描速度100～3000mm/s。
5.一种纳米Al2O3增强3D打印铝基复合材料，其特征在于，由权利要求1-4任意一项所述的制备方法制备得到。
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