CN114182129B - 一种高强铝基复合材料及其制备方法 - Google Patents

一种高强铝基复合材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高强铝基复合材料及其制备方法，首先采用等离子球化方法制备表面具有纳米网状微孔结构的的铝合金粉末，粉末为形貌特征为球形、椭圆形，粒度分布为1‑100微米；将铝合金粉末与纳米增强相在混合，使得纳米颗粒粘附在铝合金表面的网状微孔内；最后使用3D打印工艺打印表面粘附纳米增强颗粒的铝合金粉末，获得高强铝基复合材料。其技术优点在于，该方法有效将增强纳米颗粒通过纳米效应牢牢吸附在铝合金粉末表面，避免打印过程粉末扩散，有助于参熔池流体调控，均匀组织。

Description

一种高强铝基复合材料及其制备方法
技术领域
本发明属于铝基材料制备领域，具体涉及一种高强铝基复合材料及其制备方法。
背景技术
铝基复合材料通常指以纯铝或铝合金为基体、通过外加纳米增强体复合而成的金属基复合材料，以获得显著增强的力学性能、热物理性能和电性能等，是一种重要的新型金属材料，目前，已开发了高强型、耐蚀型、损伤容限型、耐热型等系列，并应用于国家电网、航空、航天、电子和交通等领域。当前，金属基纳米复合材料的制备方法主要有搅拌铸造法、粉末冶金、增材制造法。针对增材制造法，主要有以下手段：一是将纳米颗粒与铝合金粉末混合，采用选区激光熔化技术、电子束熔融技术和同轴送粉技术等技术手段制备金属基纳米复合材料，其优点是缩小材料开发周期。但是该方法的主要局限在于纳米颗粒团聚，分散不均匀，且颗粒度小，在激光电子束冲击下，纳米颗粒极易以烟尘形式飞散在腔体上空，随后被送风系统带走，这导致基体组分分布不均匀。二是，预先采用雾化技术，制备了金属基纳米复合铝合金粉末，再采用激光打印，该方法避免了上述问题，但是材料开发周期比较长。
发明内容
为了克服上述铝基复合材料的技术不足，本发明提出了一种高强铝基复合材料的制备方法，首先采用等离子球化方法制备表面具有纳米网状微孔结构的的铝合金粉末，粉末为形貌特征为球形、椭圆形，粒度分布为1-100微米；将铝合金粉末与纳米增强相在混合，使得纳米颗粒粘附在铝合金表面的网状微孔内；最后使用3D打印工艺打印表面粘附纳米增强颗粒的铝合金粉末，获得高强铝基复合材料。
为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：
一种高强铝基复合材料的制备方法，包括以下步骤：
（1）采用等离子球化方法制备表面具有纳米网状微孔结构的球形或椭圆形的铝合金粉末；
（2）将步骤（1）得到的铝合金粉末与纳米增强相再混合，使得纳米增强相粘附在铝合金表面的网状微孔内；
（3）采用3D打印工艺打印表面粘附纳米增强相的铝合金粉末，获得高强铝基复合材料。
进一步地，步骤（1）采用TEKNA-40KW射频等离子体制粉系统，工艺参数为：送粉速率2-20g/min，反应器压力5-15pa，保护气体为氩气和氮气混合气体，氮气比例为0.06-0.09%，载气流量2-15slpm，功率10-25Kw。
保护气体为氩气和氮气混合气体比例对网状微孔的形成有重要影响，AlMgScZr和AlSi10Mg铝合金粉末为例，氮气比例为0.06-0.09%时铝合金表面能出现网状微孔，参见表1和表2。
Figure 969662DEST_PATH_IMAGE002
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网状微孔形成原理：铝合金粉末在经过等离子体加热后，熔化成液滴。处于等离子场内的金属液滴表面原子会被电离，成为游离的电子和离子。电子在电场作用下与氩气原子发生碰撞，电离出大量氩离子和二次电子。氩离子轰击金属液滴影响液滴表面形态，金属液滴固化出现网状微孔。氩气和氮气混合气体比例的影响：在氩气中掺杂一定比例的氮气有助于控制等离子体中活性基团的浓度，影响氩气的激发密度，进而决定金属液滴表面刻蚀速率。
进一步地，步骤（1）得到的铝合金粉末粒度分布为1-100微米，表面具有纳米网状微孔结构；其中纳米网状微孔结构中微孔孔径为50-500nm。
进一步地，所述纳米增强相粒度为10-450nm，优选10-200nm；纳米增强相为TiC、TiB2、ZrB2、TiO2、SiC、ZnO、TiN、AlSi2和碳纳米管中的一种或者多种混合；当纳米增强相为SiC和ZrB2时，SiC和ZrB2质量比为1：6，当纳米增强相为ZnO和TiN，ZnO和TiN质量比为1:4。
进一步地，所述铝合金粉末为2xxx（Al-Cu）系、3xx/4xxx（Al-Si）系、5xxx（Al-Mg）系，6xxx（Al-Mg）系、7xxx（Al-Zn）系和8xxx（Al-Fe）中的一种，但不局限上述材料。
进一步地，步骤（2）具体为：将纳米增强相与铝合金粉末一同置入无水乙醇中，在氩气环境下均匀充分的搅拌混合，再进行干燥并除去未粘附在铝合金粉末表面的纳米增强相；更具体的：在搅拌混合后，在37-45℃烘箱下干燥，干燥后采用过滤筛去除未粘附在铝合金粉末表面的纳米增强相。
进一步地，所述3D打印工艺可以选用选区激光熔化技术、电子束熔融技术或同轴送粉技术。当采用选区激光熔化技术时，铝合金粉末粒度控制在1-63微米，当采用电子束熔融技术时，铝合金粉末粒度控制在63-120微米。
有益效果：
本发明的制备方法有效地将增强纳米颗粒通过纳米效应牢牢吸附在铝合金粉末表面，避免打印过程粉末扩散，有助于参熔池流体调控，均匀组织。
附图说明
图1为实施例1制得的表面具有纳米网状微孔结构的球形或椭圆形的铝合金粉末的扫描电镜图；
图2为网状多孔吸附纳米增强体的铝合金粉末的扫描电镜图。
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，以下结合附图即实施例，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于解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
采用等离子球化方法制备表面具有纳米网状微孔结构的AlMgScZr铝合金粉末，工艺参数为：送粉速率10g/min，反应器压力6pa，保护气体为氩气和氮气混合气体，氮气比例为0.07%，载气流量5slpm，功率11Kw；粉末为形貌特征为球形，粒度分布为1-53微米，由图1和图2可以看出，粉末表面呈现纳米网状结构，表面孔径大小为100±20nm，孔深度为80±10nm；该工艺参数可以制备出高质量的表面具有纳米网状微孔结构的的AlMgScZr铝合金粉末。
实施例2
将实施例1的表面具有纳米网状微孔结构的的AlMgScZr铝合金粉末与TiN纳米增强相在混合，颗粒度为20-50nm；具体的，将TiN纳米增强相与铝合金粉末按照质量比1:99一同置入的500ml无水乙醇，采用搅拌器于氩气环境下均匀充分的搅拌混合；然后在45℃烘箱下干燥；干燥后采用过滤筛去除未粘附在铝合金粉末表面的纳米增强相；采用选区激光熔化技术打印表面粘附TiN纳米增强相的铝合金粉末，工艺参数为：激光功率220W，扫描速度1200mm/s，扫描间距为0.12mm。制备出的高强铝基复合材料，抗拉强度为550Mpa。
实施例3
采用等离子球化方法制备表面具有纳米网状微孔结构的AlSi10Mg铝合金粉末，工艺参数为：送粉速率20g/min，反应器压力8pa，保护气体为氩气和氮气混合气体，氮气比例为0.09%，载气流量10slpm，功率12Kw；在工艺参数下可以制备球形粉末，粒度为1-53微米；同时粉末表面也可以形成具有纳米网状微孔结构的形貌，表面孔径大小为200±50纳米，孔深度为120±30纳米；该工艺参数可以制备出高质量的表面具有纳米网状微孔结构的的AlSi10Mg铝合金粉末。
实施例4
将实施例3得到的铝合金粉末与ZrB2纳米增强相在混合，ZrB2纳米增强相颗粒度为100-120nm；将ZrB2纳米增强相与铝合金粉末按照质量比1:99一同置入的500ml无水乙醇，采用搅拌器于氩气环境下机械均匀充分的搅拌混合；然后在45℃烘箱下干燥；干燥后采用过滤筛去除未粘附在铝合金粉末表面的纳米增强相；采用选区激光熔化技术打印表面粘附ZrB2纳米增强相的铝合金粉末，工艺参数为：激光功率250W，扫描速度1000mm/s，扫描间距为0.11mm。通过上述粉末制备参数和3D打印工艺参数，制备出高强铝基复合材料，抗拉强度为450MPa，高于常规的350MPa。
对比例1
采用等离子球化方法制备表面AlSi10Mg铝合金粉末，工艺参数为：送粉速率20g/min，反应器压力8pa，保护气体为氩气和氮气混合气体，氮气比例为0.10%，载气流量10slpm，功率12Kw；在工艺参数下可以制备球形粉末，粒度为1-53微米，但AlSi10Mg铝合金粉末表面不存在纳米网状微孔结构的形貌。
将上述得到的铝合金粉末与ZrB2纳米增强相在混合，ZrB2纳米增强相颗粒度为100-120nm；将ZrB2纳米增强相与铝合金粉末按照质量比1:99一同置入的500ml无水乙醇，采用搅拌器于氩气环境下机械均匀充分的搅拌混合；然后在45℃烘箱下干燥；干燥后采用过滤筛去除未粘附在铝合金粉末表面的纳米增强相；采用选区激光熔化技术打印表面粘附ZrB2纳米增强相的铝合金粉末，工艺参数为：激光功率250W，扫描速度1000mm/s，扫描间距为0.11mm。通过上述粉末制备参数和3D打印工艺参数，制备出高强铝基复合材料，制备出铝基复合材料，抗拉强度为395MPa。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (8)

1.一种高强铝基复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）采用等离子球化方法制备表面具有纳米网状微孔结构的球形或椭圆形的铝合金粉末；
（2）将步骤（1）得到的铝合金粉末与纳米增强相再混合，使得纳米增强相粘附在铝合金表面的网状微孔内；
（3）采用3D打印工艺打印表面粘附纳米增强相的铝合金粉末，获得高强铝基复合材料；
步骤（1）等离子球化方法的工艺参数为：送粉速率2-20g/min，反应器压力5-15P a，保护气体为氩气和氮气混合气体，氮气比例为0.06-0.09%，载气流量2-15slpm，功率10-25kW；步骤（2）具体为：将纳米增强相与铝合金粉末一同置入无水乙醇中，在氩气环境下均匀充分的搅拌混合，再进行干燥并除去未粘附在铝合金粉末表面的纳米增强相。
2.根据权利要求1所述的高强铝基复合材料的制备方法，其特征在于，步骤（1）得到的铝合金粉末粒度分布为1-100微米，表面具有纳米网状微孔结构。
3.根据权利要求2所述的高强铝基复合材料的制备方法，其特征在于，所述纳米网状微孔结构中微孔孔径为50-500nm。
4.根据权利要求1所述的高强铝基复合材料的制备方法，其特征在于，所述纳米增强相粒度为10-450nm，纳米增强相为TiC、TiB2、ZrB2、TiO2、SiC、ZnO、TiN、AlSi2和碳纳米管中的一种或者多种混合。
5.根据权利要求4所述的高强铝基复合材料的制备方法，其特征在于，当纳米增强相为SiC和ZrB2时，SiC和ZrB2质量比为1：6，当纳米增强相为ZnO和TiN，ZnO和TiN质量比为1:4。
6.根据权利要求1所述的高强铝基复合材料的制备方法，其特征在于，所述铝合金粉末为2xxx（Al-Cu）系、3xx/4xxx（Al-Si）系、5xxx（Al-Mg）系，6xxx（Al-Mg）系、7xxx（Al-Zn）系和8xxx（Al-Fe）中的一种。
7.根据权利要求1所述的高强铝基复合材料的制备方法，其特征在于，所述3D打印工艺选用选区激光熔化技术、电子束熔融技术或同轴送粉技术；当采用选区激光熔化技术时铝合金粉末粒度控制在1-63微米；当采用电子束熔融技术时，铝合金粉末粒度控制在63-120微米。
8.一种如根据权利要求1-7任一项所述的制备方法制得的高强铝基复合材料。
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