CN114713818A - 一种激光增材制造用铝基复合粉体材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

一种激光增材制造用铝基复合粉体材料及其制备方法，涉及增材制造材料技术领域，包括以下体积百分比计的组分：非氧化物系陶瓷颗粒2～10％；纳米氧化物颗粒0.5～2％；铝合金粉余量。本发明以铝合金粉为基体，添加微米/亚微米级非氧化物系陶瓷颗粒复合后，在激光熔池凝固过程中，既能避免复合粉体在激光成型过程中的开裂，还能够有效强化铝合金基体。同时在复合粉体表面引入纳米级氧化物颗粒，可在激光高能束作用下，通过纳米氧化物颗粒在激光熔池中的铝热还原反应，形成凝固形核质点以抑制柱状晶生长，进一步抑制凝固裂纹的问题，同时铝热反应生成的纳米质点和纳米氧化铝存在最终成型零部件，亦可实现对铝基金属的强化。

Description

一种激光增材制造用铝基复合粉体材料及其制备方法

技术领域

本发明属于增材制造材料技术领域，具体涉及一种激光增材制造用铝基复合粉体材料及其制备方法。

背景技术

传统的增材制造用铝基复合材料颗粒，由于具有密度低、比强度高、比模量高以及高导热等结构与功能特性，在航空、航天、交通等高端制造领域具有显著的应用前景。随着相关技术领域的发展，传统锻造、挤压及车、铣等加工技术已经实现高效低成本的复杂零部件加工，近净成型加工技术需求日益强烈。作为一种革命性的金属成型加工技术，激光增材制造粉末技术可应用于铝金属，能够同时兼顾零部件的复杂形状与快速成型，受到高端制造领域的广泛关注和青睐。

但是，由于铝金属的高激光反射、高导热及高热膨胀等特点，铝合金在激光增材制造过程中容易形成裂纹等缺陷。在激光作用下的高温度梯度，铝合金熔池凝固过程由于柱状晶生长，液相金属不能及时补缩而导致沿柱状晶生长方向的凝固裂纹。同时，对于传统颗粒强化铝基复合材料，陶瓷颗粒引入复合界面，在反复激光加热冷却过程中，由于基体与颗粒间热膨胀系数的差异，更加剧了凝固裂纹。因此，目前能够实际应用的激光粉末增材制造铝合金主要是一些具有高流动性的AlSi₁₀Mg、AlSi₁₂高Si铸造铝合金。但是，高Si铝铸造合金，强度低、模量低，难以满足高端技术领域对铝合金高性能的要求。对于具有较大的固液凝固区间的变形铝合金及复合材料，则因为激光增材制造过程中的裂纹缺陷而难以成型，进行限制了相关领域高性能铝基金属材料的推广和应用。

随着近年来铝合金激光增材制造研究的进步，抑制激光增材制造过程中的柱状晶生长，是避免和消除铝合金凝固开裂缺陷的有效手段。已有研究发现，通过调节合金成分，如添加Zr、Sc、Ti等元素(Scripta Materialia，2018，145：113–117)，在熔池中形成纳米粒子，或通过添加与基体铝具有较好错配度的LaB₆、TiB₂陶瓷纳米粒子(AdditiveManufacturing 2020，32：101034；Journal of Manufacturing Processes 2020，53：283–292)，可促进凝固形核，一定程度可降低铝合金激光熔池凝固过程中的开裂发生。但是，调控铝合金粉末成分涉及工艺复杂，对合金成分调节对金属粉末制备过程中的熔炼、雾化等均有较高要求，需要针对性的合金成分开发与性能评价，时间与工艺成本大幅提升；而直接添加LaB₆、TiB₂陶瓷纳米粒子，则面临纳米陶瓷颗粒分散不均、团聚及界面结合差问题，而难以有效发挥凝固形核作用。同时，上述方法引入铝基体的纳米粒子含量少，主要在抑制凝固裂纹方面发挥较大作用，而难以对合金基体，尤其是模量性能产生较大影响。

因此，开发既能抑制铝合金激光增材制造凝固裂纹、又能获得相较铝合金基体性能大幅提升的复合粉末制备方法，成为当前发展高端制造领域应用高性能铝基金属复合材料增材制造应用的关键。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明的目的之一在于提供一种激光增材制造用铝基复合粉体材料，其能抑制铝合金在激光增材制造中出现凝固裂纹的问题，又能具备铝合金基体的密度低、比强度高、比模量高和高导热的性能。

本发明的目的之二在于提供一种激光增材制造用铝基复合粉体材料的制备方法，其能提高各掺杂颗粒的分散性，减少团聚，提高掺杂颗粒与铝合金粉的界面结合性能。

本发明的目的之一采用如下技术方案实现：

一种激光增材制造用铝基复合粉体材料，包括以下体积百分比计的组分：

非氧化物系陶瓷颗粒 2～10％；

纳米氧化物颗粒 0.5～2％；

铝合金粉 余量。

优选地，所述非氧化物系陶瓷颗粒分散于铝合金粉中并制成球状复合材料颗粒，所述纳米氧化物颗粒分散于所述球状复合材料颗粒表面。

进一步地，所述非氧化物系陶瓷颗粒为TiB₂、SiC、B₄C、TiC中的一种或两种以上。

进一步地，所述非氧化物系陶瓷颗粒的粒径为0.5～5μm。

进一步地，所述纳米氧化物颗粒为TiO₂和/或ZrO₂。

进一步地，所述纳米氧化物颗粒的粒径为30～100nm。

进一步地，所述铝合金粉中铝元素的含量不低于80wt.％。

进一步地，所述铝合金粉为6061Al合金、2024Al合金、7075Al合金和5083Al合金一种或两种以上。

进一步地，所述激光增材制造用铝基复合粉体材料的粒径为20-150μm，中位粒径为30-90μm。

本发明的目的之二采用如下技术方案实现：

一种激光增材制造用铝基复合粉体材料的制备方法，包括以下步骤：

S1，将铝合金粉和非氧化物系陶瓷颗粒搅拌均匀，制粉，得到陶瓷-铝合金粉复合粉末；

S2，将所述陶瓷-铝合金粉复合粉末筛分后，添加纳米氧化物颗粒，分散处理，得到所述激光增材制造用铝基复合粉体材料。

进一步地，步骤S1中，所述制粉的方法为气雾化制粉法或等离子旋转电极制粉法；

步骤S2中，筛分后的粒径为20-150μm，所述分散处理的操作包括超声分散、球磨分散，高速搅拌分散、电化学辅助分散中的至少一种。

相比现有技术，本发明的有益效果在于：

本发明的一种激光增材制造用铝基复合粉体材料，以铝合金粉为基体，添加微米/亚微米级非氧化物系陶瓷颗粒复合后，在激光熔池凝固过程中非氧化物陶瓷颗粒偏聚小、分散好，既能避免复合粉体在激光成型过程中的开裂，还能够有效强化铝合金基体，相对传统铝合金(模量约为70GPa)，其最终成型零部件的强度、模量得以显著提升。此外，在复合粉体表面引入纳米级氧化物颗粒，可在激光高能束作用下，通过纳米氧化物颗粒在激光熔池中的铝热还原反应，形成凝固形核质点以抑制柱状晶生长，进一步抑制凝固裂纹的问题，同时铝热反应生成的纳米质点和纳米氧化铝存在最终成型零部件，亦可实现对铝基金属的强化。

由本发明的激光增材制造用铝基复合粉体材料激光增材制造成的零部件，对比传统的铝合金材料或变形铝合金材料，其成型性能大幅提升，同时具有空隙、裂纹缺陷少，强度、模量高的特点，在高新技术领域具有广阔应用前景。

本发明的一种激光增材制造用铝基复合粉体材料的制备方法，通过将铝合金粉和非氧化物系陶瓷颗粒搅拌铸造成预混合的锭坯，依次经过制粉、添加纳米氧化物颗粒并分散处理后，实现纳米氧化物颗粒在复合粉体表面的均匀分散，既避免非氧化物系陶瓷颗粒与纳米氧化物颗粒的均匀分散，又能较大程度保留粉体的球形度，以获得高流动性。

具体实施方式

下面，结合具体实施方式，对本发明做进一步描述，需要说明的是，在不相冲突的前提下，以下描述的各实施例之间或各技术特征之间可以任意组合形成新的实施例。

实施例1

一种激光增材制造用铝基复合粉体材料，包括以下体积百分比计的组分：

非氧化物系陶瓷颗粒 10％；

纳米氧化物颗粒 1％；

铝合金粉 余量。

其中，所述非氧化物系陶瓷颗粒为SiC；平均粒径为2μm；所述纳米氧化物颗粒为TiO₂，平均粒径为40nm；所述铝合金粉为商用6061Al合金；复合粉体材料的粒径为20～80μm、中位粒径为38μm。

所述激光增材制造用铝基复合粉体材料的制备方法，包括以下步骤：

S1，将6061Al粉和SiC颗粒搅拌均匀，铸造获得SiC/6061Al复合材料锭坯，通过高压Ar气雾化装置获得SiC/6061Al球形粉末；

S2，将所述SiC/6061Al球形粉末筛分出粒径为20～80μm的粉末后，添加纳米TiO₂颗粒，以酒精为介质进行超声分散，得到获得表面均匀分散纳米TiO₂的SiC/6061Al复合粉体材料。

实施例2

一种激光增材制造用铝基复合粉体材料，包括以下体积百分比计的组分：

非氧化物系陶瓷颗粒 2％；

纳米氧化物颗粒 2％；

铝合金粉 余量。

其中，所述非氧化物系陶瓷颗粒为TiB₂；平均粒径为1μm；所述纳米氧化物颗粒为ZrO₂，平均粒径为100nm；所述铝合金粉为商用2024Al合金；复合粉体材料的粒径为20～60μm、中位粒径为42μm。

所述激光增材制造用铝基复合粉体材料的制备方法，包括以下步骤：

S1，将2024Al合金粉和TiB₂颗粒搅拌均匀，铸造获得TiB₂/2024Al复合材料锭坯，通过高压Ar气雾化装置获得TiB₂/2024Al球形粉末；

S2，将所述TiB₂/2024Al球形粉末筛分出粒径为20～60μm的粉末后，添加纳米ZrO₂颗粒，通过高速剪切装置进行机械分散，得到获得表面均匀分散纳米ZrO₂的TiB₂/2024Al复合粉体材料。

实施例3

一种激光增材制造用铝基复合粉体材料，包括以下体积百分比计的组分：

非氧化物系陶瓷颗粒 10％；

纳米氧化物颗粒 0.5％；

铝合金粉 余量。

其中，所述非氧化物系陶瓷颗粒为TiB₂；平均粒径为5μm；所述纳米氧化物颗粒为ZrO₂，平均粒径为30nm；所述铝合金粉为商用7075Al合金；复合粉体材料的粒径为60～120μm、中位粒径为72μm。

所述激光增材制造用铝基复合粉体材料的制备方法，包括以下步骤：

S1，将7075Al合金粉和TiB₂颗粒搅拌均匀，铸造获得TiB₂/7075Al复合材料锭坯，通过等离子旋转电极制粉装置获得TiB₂/7075Al球形粉末；

S2，将所述TiB₂/7075Al球形粉末筛分出粒径为60～120μm的粉末后，添加纳米ZrO₂颗粒，通过电化学辅助分散，得到获得表面均匀分散纳米ZrO₂的TiB₂/7075Al复合粉体材料。

实施例4

一种激光增材制造用铝基复合粉体材料，包括以下体积百分比计的组分：

非氧化物系陶瓷颗粒 5％；

纳米氧化物颗粒 2％；

铝合金粉 余量。

其中，所述非氧化物系陶瓷颗粒为B₄C；平均粒径为0.5μm；所述纳米氧化物颗粒为体积比1:1的ZrO₂颗粒和TiO₂颗粒，平均粒径分别为100nm和30nm；所述铝合金粉为商用5083Al合金；复合粉体材料的粒径为50～150μm、中位粒径为90μm。

所述激光增材制造用铝基复合粉体材料的制备方法，包括以下步骤：

S1，将5083Al合金粉和B₄C颗粒搅拌均匀，铸造获得B₄C/5083Al复合材料锭坯，通过等离子旋转电极制粉装置获得B₄C/5083Al球形粉末；

S2，将所述B₄C/5083Al球形粉末筛分出粒径为50～150μm的粉末后，添加纳米级ZrO₂颗粒和TiO₂颗粒，通过球磨装置机械分散，得到获得表面均匀分散纳米ZrO₂、TiO₂颗粒的B₄C/5083Al复合粉体材料。

性能测试

将实施例1-4的激光增材制造用铝基复合粉体材料，采用激光送粉工艺进行激光增材制造成型，打印成零部件并测试其机械性能，结果如表1所示。

表1

项目	致密度/％	抗拉强度/MPa	模量/GPa
				实施例1	99.6	480	78
实施例2	99.9	620	75
				实施例3	99.8	680	81
实施例4	99.5	620	79

参照表1，本发明实施例1-4的激光增材制造用铝基复合粉体材料，采用激光送粉工艺进行激光增材制造成零部件，其致密度在99.5％以上，抗拉强度480MPa以上，模量在75GPa以上；证明本发明的铝基复合粉体材料其能抑制铝合金在激光增材制造中出现凝固裂纹的问题，提高致密度，又能提高铝合金基体的性能，具有比强度高、比模量高的特点。

上述实施方式仅为本发明的优选实施方式，不能以此来限定本发明保护的范围，本领域的技术人员在本发明的基础上所做的任何非实质性的变化及替换均属于本发明所要求保护的范围。

Claims (10)

1.一种激光增材制造用铝基复合粉体材料，其特征在于，包括以下体积百分比计的组分：

非氧化物系陶瓷颗粒 2～10％；

纳米氧化物颗粒 0.5～2％；

铝合金粉 余量。

2.如权利要求1所述的激光增材制造用铝基复合粉体材料，其特征在于：所述非氧化物系陶瓷颗粒为TiB₂、SiC、B₄C、TiC中的一种或两种以上。

3.如权利要求1或2所述的激光增材制造用铝基复合粉体材料，其特征在于：所述非氧化物系陶瓷颗粒的粒径为0.5～5μm。

4.如权利要求1所述的种激光增材制造用铝基复合粉体材料，其特征在于：所述纳米氧化物颗粒为TiO₂和/或ZrO₂。

5.如权利要求1或4所述的激光增材制造用铝基复合粉体材料，其特征在于：所述纳米氧化物颗粒的粒径为30～100nm。

6.如权利要求1所述的激光增材制造用铝基复合粉体材料，其特征在于：所述铝合金粉中铝元素的含量不低于80wt.％。

7.如权利要求1或6所述的激光增材制造用铝基复合粉体材料，其特征在于：所述铝合金粉为6061Al合金、2024Al合金、7075Al合金和5083Al合金一种或两种以上。

8.如权利要求1所述的激光增材制造用铝基复合粉体材料，其特征在于：所述激光增材制造用铝基复合粉体材料的粒径为20-150μm，中位粒径为30-90μm。

9.一种权利要求1-8任一项所述的激光增材制造用铝基复合粉体材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1，将铝合金粉和非氧化物系陶瓷颗粒搅拌均匀，制粉，得到陶瓷-铝合金粉复合粉末；

S2，将所述陶瓷-铝合金粉复合粉末筛分后，添加纳米氧化物颗粒，分散处理，得到所述激光增材制造用铝基复合粉体材料。

10.如权利要求9所述的激光增材制造用铝基复合粉体材料的制备方法，其特征在于：步骤S1中，所述制粉的方法为气雾化制粉法或等离子旋转电极制粉法；

步骤S2中，筛分后的粒径为20-150μm，所述分散处理的操作包括超声分散、球磨分散，高速搅拌分散、电化学辅助分散中的至少一种。