CN114293049B - 一种铝合金粉末及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种铝合金粉末及其制备方法，通过将铝合金粉末、第二相粒子混合进行球磨处理，得到初混粉末；对初混粉末进行热处理，得到热处理的初混粉末；对热处理的初混粉末进行等离子体球化处理，得到含第二相粒子的铝合金粉末，所述第二相粒子具有比铝合金更高的导热率和熔融温度。该方法克服了现有技术中，无法同时兼顾增材制造铝合金材料的导热性能和强度的技术难题。产品在汽车、航空航天、电子通信等领域有广泛的应用前景。

Description

一种铝合金粉末及其制备方法

技术领域

本申请涉及增材制造技术领域，特别是涉及一种含第二相粒子的铝合金粉末及其制备方法。

背景技术

随着汽车、航空航天、电子通信等领域用散热零部件都趋向于小型化和轻量化，对其制造材料的导热性，及其制备工艺提出了更高的要求。Al的导热性仅次于Au/Ag和Cu，达到了237W/(m.k)，且拥有良好的综合性能，被广泛应用于航空航天、汽车、机械制造等行业。但常规的铝合金材料其导电率/导热率都已不能满足散热器件性能的不断提高的要求，提高其散热结构的复杂程度在一定程度上可以优化散热效果，但往往加工复杂，价格昂贵，目前的加工工艺技术无法达到想要的效果。因此急需开发一种高性能/高导热且可制造成型的铝合金材料。

增材制造技术(也称“3D打印”)是基于计算机三维CAD模型，采用逐层堆积的方式直接制造三维物理实体的方法。增材制造技术可以在一台设备快速精密的制造出任意复杂形状和结构的零部件，从而实现“自由制造”。这些技术面向航空航天、武器制造、汽车、模具以及生物医疗等高端制造领域，直接制造三维复杂结构，解决传统制造工艺难以甚至无法加工制造难题。因此，采用增材制造技术制造复杂结构散热零部件将大大提高散热效率，是未来热控领域重要的研究方向。

在目前可用的高导热铝合金材料中，应用最为广泛的铝合金材料为6063铝合金材料，其导热系数达到了207W/(m.k)。但6063铝合金材料由于在快速凝固过程中容易在晶界析出低熔点相，在内应力过大的环境下极易形成微裂纹。因此，目前仍无法用于增材制造技术。而增材制造技术当前可用的铝合金材料中，AlSi10Mg材料的导热率最高，也仅有145W/(m.k)，距离传统高导热铝合金材料仍有较大的差距。

201710251380.X的中国专利通过将氧化石墨烯和铝在冷冻情况下球磨以改善铝合金的导热问题，但产物中的石墨烯难以保持均匀分散，粘接不牢，且氧化石墨烯氧含量过高，不适合进行长期的后处理工艺，影响产品的力学性能。201810687852.0的中国专利申请公开了将石墨烯、硬脂酸以及铝进行冷冻及球磨的处理方式，该方式引入的硬脂酸作为杂质引入，打印过程中在高温作用下发生炭化和汽化，对产品的打印过程和产品最终力学性能造成显著不利影响。

如何同时解决增材制造铝合金材料的导热性能和强度是本领域的技术难题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种铝合金粉末的制备方法及铝合金粉末，通过成分选择和制备工艺的优化，改善了现有技术中增材制造铝合金材料的导热性能和力学强度难以兼顾的问题。

本发明的一方面提供一种铝合金粉末的制备方法，包括下述步骤：

将铝合金粉末、第二相粒子混合进行球磨处理，得到初混粉末；

对初混粉末进行热处理，得到热处理的初混粉末；

对热处理的初混粉末进行等离子体球化处理，得到含第二相粒子的铝合金粉末。

所述第二相粒子具有比铝合金更高的导热率和熔融温度。

根据本发明提供的铝合金粉末的制备方法，所述铝合金粉末优选为AlSi10Mg粉末或者AlSi7Mg粉末。

根据本发明提供的铝合金粉末的制备方法，所述铝合金粉末采用物理或化学方法制备，优选的制备方式包括真空气雾化、气雾化等。

根据本发明提供的铝合金粉末的制备方法，铝合金粉末粒径范围为10-100微米，进一步优选的粒径范围为15-53微米或者20-60微米。

根据本发明提供的铝合金粉末的制备方法，第二相粒子的粒径范围为500nm-30微米。

根据本发明提供的铝合金粉末的制备方法，第二相粒子的粒径范围为500nm-3微米。

根据本发明提供的铝合金粉末的制备方法，铝合金粉末的质量占比为90-99.9％，第二相粒子的质量占比为0.1-10％。

根据本发明提供的铝合金粉末的制备方法，第二相粒子为金刚石粒子或石墨烯粉末。

将二者根据上述质量比混合于球磨设备中，进行球磨造粒，使得第二相粒子黏附于AlSi10Mg合金粉末材料表面。

根据本发明提供的铝合金粉末的制备方法，待球磨结束后，在真空热处理炉中进行粉末的热处理，热处理温度为300-500℃，热处理时间为5-60min。

热处理可以使得第二相粒子可以黏附于AlSi10Mg合金粉末表面，形成更好的界面结合力，使得组合粉末在后续的增材制造过程中具有更好的工艺一致性和流动性。

研究发现，不进行等离子球化处理和热处理，部分石墨烯粉末与铝粒子结合力低，石墨烯粉末游离在粉末中，不仅对于粉末的流动性造成巨大影响，且石墨烯的分散性较差，游离的石墨烯粉末在打印过程中发生飞溅，严重影响打印质量。本发明所述的游离的石墨烯粉末是指未黏附于铝合金粉末表面的石墨烯粉末。

根据本发明提供的铝合金粉末的制备方法，还包括在等离子体球化后，将含第二相粒子的铝合金粉末再与第二相粒子混合，依次进行球磨、热处理、等离子球化处理，得到二次处理的含第二相粒子的铝合金粉末。上述的将含第二相粒子的铝合金粉末再与第二相粒子混合进行球磨、热处理、等离子球化处理的步骤可以重复多次，比如重复2次、3次、4次、5次，得到多次处理的含第二相粒子的铝合金粉末。

研究意外的发现，通过两次处理，可以有效提高第二相粒子的分散效果和打印产品的强度和导热性能，相比于单独延长球磨时间、单独增加等离子体球化处理时间、单独增加热处理时间，具有更好的技术效果。然而研究意外的发现，重复3次以上的上述步骤，技术效果增加反而不明显，可能的原因包括：石墨烯在多次处理后，石墨烯本身会在力和热的作用下，性能产生一定的劣化，结合过长的高温处理时间和工艺成本导致其工业化应用的前景降低。

所述的将含第二相粒子的铝合金粉末再与第二相粒子混合进行球磨、热处理、等离子球化处理的步骤所采用的工艺，可以参照初次将铝合金粉末、第二相粒子混合、球磨、热处理、等离子球化处理的工艺。

研究发现，在一些实施方式中，多次处理的含第二相粒子的铝合金粉末具有更好的力学性能。可能的原因是由于石墨烯具有超高的比表面积，大量的石墨烯加入之后包裹在铝合金粉末表面，限制了石墨烯进一步与铝粉末结合，在等离子体球化之后，部分已经与铝合金粉末实现紧密接触的石墨烯在球化过程中被嵌入铝合金粉末中，或者被变形的铝合金包裹，进入铝合金粉末内部。表面露出新的铝合金表面，新的表面可以与新的石墨烯相结合，实现更加牢固和均匀的分散。

等离子球化的作用还在于，可以露出一定的铝合金，使得其在受到激光作用时，可以熔融并相互粘接。避免了过多与铝合金粉末结合不牢固的石墨烯粉末在一定程度上阻隔铝粉末的熔融粘接。

根据本发明提供的铝合金粉末的制备方法，所述等离子体球化的步骤采用直流层级等离子球化工艺进行粉末球化处理，通过等离子球化使得粉末的球化率大于85％。在一些优选的实施方式中，通过等离子球化使得粉末的球化率大于90％。

在一些优选的实施方式中，等离子体介质气体选用氩气和氢气，氢气作为引弧气体，等离子功率采用35-40kW，送粉速率为20-30g/min，铝合金粉末利用等离子焰体中后段进行球化，最终调节参数使得球化率达到90％以上。

根据本发明提供的铝合金粉末的制备方法，还包括对含第二相粒子的铝合金粉末进行震动处理。

根据本发明提供的铝合金粉末的制备方法，还包括对含第二相粒子的铝合金粉末进行去除游离的第二相粒子的处理。

根据本发明提供的铝合金粉末的制备方法，所述去除游离的第二相粒子的处理包括气流分级。

本发明的另一方面提供一种铝合金粉末，所述铝合金粉末粒径在10-100微米之间，所述铝合金粉末包含第二相粒子，所述第二相粒子的具有比铝合金更高的导热系数，且所述铝合金粉末中游离的第二相粒子的质量占比小于0.1％。

根据本发明提供的铝合金粉末，所述铝合金粉末由上述的制备方法制备得到。

本发明的另一方面提供一种铝合金件的增材制造方法，所述增材制造方法采用上述得到的铝合金粉末，选用以激光器光斑直径为70微米为参考标准，激光功率200-400W，扫描速度500-2000mm/s，单层铺粉层厚25-60微米，扫描线间距80-150微米。

本发明所述的光斑直径为70微米的参考标准是指基于单位面积的扫描功率时间的累计量为标准，可以根据等面扫描能量密度换算成40-200微米光斑直径范围内的其他扫描参数。

根据本发明的铝合金件的增材制造方法，还包括再增材制造之后，对得到的初步铝合金件进行热处理，热处理温度为220-280℃，处理时间为12-36h。

本发明的另一方面还提供一种铝合金件，所述铝合金件由上述的铝合金粉末通过增材制造的方法制备得到。

根据本发明的铝合金件，其抗拉强度≥350MPa，屈服强度≥280MPa，延伸率≥6％。

根据本发明的铝合金件，其导热率可达到：≥200W/(m.k)。

从技术上，本发明涉及的化学成分简单，工艺过程实现较为容易，且可适用于增材制造工艺，从而打印出表面质量高、无内部裂纹、导热系数高、强度高的散热器产品。

从经济效益上，本发明所涉及的高强高导热铝合金材料及其增材制造成型工艺技术，可解决目前因传统高导热铝合金材料不可用于增材制造、常规增材制造可用铝合金材料导热率低等原因导致增材制造技术无法制备高效散热结构的问题，实现散热结构零件轻量化、高效散热和微小化的目标。本发明可推广应用到汽车散热片、家电散热片、航空航天发动机、雷达散热结构中，具有较大的经济价值。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请中的技术方案，下面将结合具体实施例对本申请进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。

下述的AlSi10Mg粉末采用真空气雾化工艺进行自制粉末粒径范围为：15-53微米。

下述的AlSi7Mg粉末采用真空气雾化工艺进行自制粉末粒径范围为：15-53微米。

下述的等离子体球化工艺采用选用氩气和氢气作为等离子体介质，氢气作为引弧气体，等离子功率采用40kW，送粉速率为30g/min，铝合金粉末利用等离子焰体中后段进行球化，最终调节参数使得球化率达到85％以上。

下述的石墨烯粉末选用粉末片径1-3微米，厚度1-5nm的石墨烯微粉。

下述的金刚石粒子购买自河南本纳新材料有限公司的定制微粉，粒径为500nm-5微米。

下述的增材制造过程采用铂力特股份有限公司的S310型号设备。

下述的热处理采用安徽科晶公司的热处理炉。

下述的力学性能参照GB/T-228-87标准进行测试。

下述的导热系数参照GB/T 3651-2008标准进行测试。

实施例一

按照组分比(wt.％)为：AlSi10Mg：95％，金刚石粒子(第二相粒子)：5％。将二者混合于球磨罐中进行球磨造粒，球磨时间2h，球磨转速500rpm，造粒均匀后拿出在真空热处理率中加热380℃热处理2h后取出粉末，放置于增材制造成型设备中进行增材制造。打印参数为：光斑直径70微米，铺粉层厚30微米，激光功率250w，扫描间距120微米，扫描速度1000mm/s,打印完成后，放置于热处理炉中，在180℃温度下，保温24h。产品性能如下表1。

实施例二

按照组分质量百分比，AlSi10Mg为95％，石墨烯为5％，将二者混合于球磨罐中进行球磨得到初混粉末，球磨时间2h，球磨转速500rpm，球磨后将初混粉末在380℃热处理2h，得到热处理的初混粉末。对热处理的初混粉末进行等离子球化处理，得到含石墨烯的铝合金粉末，将含石墨烯的铝合金粉末放置于增材制造成型设备中进行增材制造。打印参数为：光斑直径70微米，铺粉层厚30微米，激光功率250w，扫描间距120微米，扫描速度1000mm/s,打印完成后，放置于热处理炉中，在180℃温度下，保温24h。产品性能如下表1。

实施例三

按照组分质量百分比，AlSi10Mg为97.5％，石墨烯为2.5％，将二者混合于球磨罐中进行球磨得到初混粉末，球磨时间1h，球磨转速500rpm，球磨后将初混粉末在380℃热处理1h，得到热处理的初混粉末。对热处理的初混粉末进行等离子球化处理，得到含石墨烯的铝合金粉末。

按照组分质量百分比，将上一步制的的含石墨烯的铝合金粉末为97.5％，石墨烯为2.5％，将二者混合于球磨罐中进行球磨得到二次混合粉末，球磨时间1h，球磨转速500rpm，将二次混合粉末在380℃热处理1h，得到热处理的二次混合粉末。将热处理的二次混合粉末进行等离子球化处理，得到二次处理的含石墨烯的铝合金粉末。

将二次处理的含石墨烯的铝合金粉末放置于增材制造成型设备中进行增材制造。打印参数为：光斑直径70微米，铺粉层厚30微米，激光功率250w，扫描间距120微米，扫描速度1000mm/s,打印完成后，放置于热处理炉中，在180℃温度下，保温24h。产品性能如下表1。

实施例四

按照组分质量百分比，AlSi10Mg为99％，石墨烯为1％，将二者混合于球磨罐中进行球磨得到初混粉末，球磨时间1h，球磨转速500rpm，球磨后将初混粉末在380℃热处理1h，得到热处理的初混粉末。对热处理的初混粉末进行等离子球化处理，得到含石墨烯的铝合金粉末。

将含石墨烯的铝合金粉末放置于增材制造成型设备中进行增材制造。将热处理的初混粉末放置于增材制造成型设备中进行增材制造。打印参数为：光斑直径70微米，铺粉层厚30微米，激光功率250w，扫描间距120微米，扫描速度1000mm/s,打印完成后，放置于热处理炉中，在180℃温度下，保温24h。产品性能如下表1。

实施例五

按照组分质量百分比，AlSi10Mg为97.5％，石墨烯为2.5％，将二者混合于球磨罐中进行球磨得到初混粉末，球磨时间1h，球磨转速500rpm，球磨后将初混粉末在380℃热处理1h，得到热处理的初混粉末。对热处理的初混粉末进行等离子球化处理，得到含石墨烯的铝合金粉末。

按照组分质量百分比，将上一步制的的含石墨烯的铝合金粉末为97.5％，石墨烯为1.5％，将二者混合于球磨罐中进行球磨得到二次混合粉末，球磨时间0.5h，球磨转速500rpm，将二次混合粉末在380℃热处理0.5h，得到热处理的二次混合粉末。将热处理的二次混合粉末进行等离子球化处理，得到二次处理的含石墨烯的铝合金粉末。

按照组分质量百分比，将上一步制的的含石墨烯的铝合金粉末为99％，石墨烯为1％，将二者混合于球磨罐中进行球磨得到三次混合粉末，球磨时间0.5h，球磨转速500rpm，将三次混合粉末在380℃热处理0.5h，得到热处理的三次混合粉末。将热处理的三次混合粉末进行等离子球化处理，得到三次处理的含石墨烯的铝合金粉末。

按照组分质量百分比，将上一步制的的含石墨烯的铝合金粉末为99％，石墨烯为1％，将二者混合于球磨罐中进行球磨得到三次混合粉末，球磨时间0.5h，球磨转速500rpm，将三次混合粉末在380℃热处理0.5h，得到热处理的三次混合粉末。将热处理的三次混合粉末进行等离子球化处理，得到三次处理的含石墨烯的铝合金粉末。

将三次处理的含石墨烯的铝合金粉末放置于增材制造成型设备中进行增材制造。打印参数为：光斑直径70微米，铺粉层厚30微米，激光功率250w，扫描间距120微米，扫描速度1000mm/s,打印完成后，放置于热处理炉中，在180℃温度下，保温24h。产品性能如下表1。

实施例六

按照组分质量百分比，AlSi10Mg为95％，石墨烯为5％，将二者混合于球磨罐中进行球磨得到初混粉末，球磨时间2h，球磨转速500rpm，球磨后将初混粉末在380℃热处理2h，得到热处理的初混粉末。对热处理的初混粉末进行等离子球化处理，得到含石墨烯的铝合金粉末。

将上述步骤得到的含石墨烯的铝合金粉末置于气流分级设备中，震动筛中震动2分钟，再将其置于气流分级设备中，去除未粘附于铝合金粉末表面的石墨烯粉末，得到分离后的含石墨烯的铝合金粉末。

将分离后的含石墨烯的铝合金粉末放置于增材制造成型设备中进行增材制造。打印参数为：光斑直径70微米，铺粉层厚30微米，激光功率250w，扫描间距120微米，扫描速度1000mm/s,打印完成后，放置于热处理炉中，在180℃温度下，保温24h。产品性能如下表1。

对比例1

按照组分质量百分比，AlSi10Mg为95％，石墨烯为5％，将二者混合于球磨罐中进行球磨得到初混粉末，球磨时间2h，球磨转速500rpm。

将上述步骤得到的初混粉末置于增材制造成型设备中进行增材制造。打印参数为：光斑直径70微米，铺粉层厚30微米，激光功率250w，扫描间距120微米，扫描速度1000mm/s,打印完成后，放置于热处理炉中，在180℃温度下，保温24h。产品性能如下表1。

表1 各实施例增材制造产品性能表

从上述实施例可以看出，通过添加第二相粒子，显著提高了铝合金粉末的导热系数。进行热处理和等离子体球化处理，相比于对比例1，实施例2同时保证了铝合金粉末较好的流动性和第二相粒子较好的分散性的前提下，产品具有较好的产品打印强度。对比实施例2和实施例3及实施例5可以发现，二次处理具有最好的产品性能收益。对比实施例2、实施例6可以发现，在适当去除游离的石墨烯情况下，虽然损失少量的耐热性能，但对于产品强度有大幅度的提升，具有很高的综合性能收益。

Claims (4)

1.一种铝合金粉末的制备方法，其特征在于，包括下述步骤：

将铝合金粉末、第二相粒子混合进行球磨处理，得到初混粉末；

对初混粉末进行热处理，得到热处理的初混粉末；

对热处理的初混粉末进行等离子体球化处理，得到含第二相粒子的铝合金粉末，所述第二相粒子具有比铝合金更高的导热率和熔融温度；

将含第二相粒子的铝合金粉末再与第二相粒子混合，依次进行球磨、热处理、等离子球化处理，得到二次处理的含第二相粒子的铝合金粉末；

所述热处理温度为300-500℃，热处理时间为5-60min；

所述第二相粒子为金刚石粒子或石墨烯粉末；

铝合金粉末的质量占比为90-99.9%，第二相粒子的质量占比为0.1-10%；

铝合金粉末粒径范围为10-100微米，第二相粒子的粒径范围为500nm-30微米。

2.根据权利要求1所述的铝合金粉末的制备方法，其特征在于，还包括对含第二相粒子的铝合金粉末进行震动处理。

3.根据权利要求1所述的铝合金粉末的制备方法，其特征在于，还包括对含第二相粒子的铝合金粉末进行去除游离的第二相粒子的处理。

4.一种铝合金粉末，所述铝合金粉末由权利要求1-3中任一项所述的制备方法制备得到，其特征在于，所述铝合金粉末粒径在10-100微米之间，所述铝合金粉末包含第二相粒子，所述第二相粒子的具有比铝合金更高的导热系数，且所述铝合金粉末中游离的第二相粒子的质量占比小于0.1%。