CN115592129B - SiC颗粒增强铝合金复合材料的SLM成型方法 - Google Patents

SiC颗粒增强铝合金复合材料的SLM成型方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了SiC颗粒增强铝合金复合材料的SLM成型方法，包括准备粉料、构建模型、装粉打印、第一次激光成型、破碎、第二次激光成型、破碎……直到第N次成型得到最终的产品成型件；本发明利用SLM设备多次激光成型工艺来生产SiC颗粒增强铝合金复合材料，与现有技术相比生产工艺更加简单、环保，能够轻松加工出复杂外形的产品，同时通过反复的打印、破碎和再成型，增强了SiC和铝合金的结合强度，增强了材料的韧性，使得到的产品组织均匀，晶粒尺寸细小，力学性能明显提升。

Description

SiC颗粒增强铝合金复合材料的SLM成型方法
技术领域
本发明涉及铝合金成型技术领域，特别是涉及SiC颗粒增强铝合金复合材料的SLM成型方法。
背景技术
铝基复合材料是指以铝金属为基体，引入增强体材料与铝金属复合，以期获得更好的性能。按增强体的种类不同，目前的增强类型可以分为颗粒增强、纤维增强、晶须增强三种，由于纤维与晶须两种增强方式的成本较高，颗粒增强铝基复合材料应用最广。颗粒增强铝基复合材料的好坏主要看基体材料与颗粒增强体界面的结合程度以及两者的各项性能差异，目前用的最多的就是SiC颗粒。
现有颗粒增强复合材料的成型技术有熔铸法，热压烧结法等。熔铸法是将SiC颗粒放进液态金属Al中，搅拌均匀后进行铸造，但是熔铸法生产工序复杂，会产生污染废弃，产品质量差。热压烧结需要设备具备一定的抗压抗高温能力，且热压烧结生产的产品形状简单、单一，对复杂外形产品不具备生产能力，同时在生产过程中还需要添加添加剂，也会产生污染。
发明内容
本发明的目的在于提供SiC颗粒增强铝合金复合材料的SLM成型方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
SiC颗粒增强铝合金复合材料的SLM成型方法，包括以下步骤：
S1、准备粉料：利用自动筛粉机筛选出粒径小于10μm 的SiC粉末和粒径小于15μm的铝合金粉末，然后将两种粉末分别放进干燥机中进行干燥处理；将干燥后的两种粉末按比例混合均匀，其中SiC粉末的体积分数为10%~50%，铝合金粉末的体积分数为50%~90%。混合方式可以选择在球磨罐中加入球并抽真空进行混合。混好的粉末进行电镜检测，满足试验方案要求后方可进行后续步骤。
S2、构建模型：根据工程图纸要求，建立待打印件的三维模型，模型的尺寸要完全与图纸对应；将模型文件导入SLM打印设备，通过设备中的软件对模型形状分析后添加支撑材料；打印设备自动对模型进行外形分析和切片处理；根据粉料的特性和配比，添加合适的打印参数。
S3、装粉打印：调平基板使之保持水平，确保产品的形状尺寸精准，质量不出现差错；将粉末均匀铺设到基板上，关闭打印成型仓并向仓内通入氩气，保证打印过程金属粉末不与其他气体接触；打印前，通过加热装置对基板进行预热，防止高温熔化又凝固的SiC与铝合金接触到温度较低的基板因温差过大导致打印产品出现裂纹、变形等缺陷；基板预热后开始打印，打印过程中要时刻观察成型仓状态，有异常需及时终止。
S4、第一次成型，第一次破碎：对S1中的混合粉末进行第一次激光成型，得到第一预制件；将第一预制件破碎球磨成粒径小于15μm的粉末状，干燥处理后，得到第一预制件粉末；
S5、第二次成型，第二次破碎：重复步骤S2-S3，对第一预制件粉末进行第二次激光成型，得到第二预制件；将第二预制件破碎球磨成粒径小于15μm的粉末状，干燥处理后，得到第二预制件粉末；
重复步骤S2-S3对破碎后的粉末进行成型，然后再对成型后的预制件进行破碎，再成型、再破碎，如此循环，直到得到第（N-1）预制件粉末，N为大于等于3的正整数；
S6、第N次激光成型：对第（N-1）预制件粉末进行激光成型，得到产品成型件。
为保证最快的生产速率，预制件的形状以简单为宜，可设置为方形块体。
激光成型的过程中，SiC和铝合金会发生界面反应，生成陶瓷相，多次激光成型之后，生成的陶瓷相增多，使铝合金颗粒包裹在SiC颗粒表面，二者的结合更紧密，得到的产品韧性更强。
进一步的，所述步骤S1、S4和S5中，干燥温度为80℃-100℃，干燥时间为4-5h。
进一步的，所述步骤S2中的打印参数如下：激光功率为30-150W；铺粉层厚为25μm；扫描速度为100-1000mm/s。
进一步的，所述步骤S3中，基板预热至90℃-110℃。
进一步的，所述步骤S4-S6中，激光扫描的方式为分区扫描。
本发明的有益效果是：利用SLM设备多次激光成型工艺来生产SiC颗粒增强铝合金复合材料，相比传统的熔铸法和热压烧结法，生产工艺更加简单、环保，能够轻松加工出复杂外形的产品，同时通过反复的打印、破碎和再成型，增强了SiC和铝合金的结合强度，增强了铝基材料的韧性，使最终生产出的合金样品组织均匀，晶粒尺寸细小，力学性能得到明显提升。
附图说明
图1为本发明中激光的扫描方式示意图；
图2为本发明中SLM激光选区融化技术生产流程图。
具体实施方式
下面结合实施例进一步详细描述本发明的技术方案，但本发明的保护范围不局限于以下所述。
（一）产品打印
S1、准备粉料：
筛粉：准备SiC粉末和铝合金粉末，分别用自动筛粉机筛选出粒径合格的粉末，其中SiC粉末粒径小于10μm，铝合金粉末的粒径小于15μm；本发明实施例1-4、对比例1-4中使用的SiC粉末均为纯度99.9%的形貌为近球形的SiC粉末，铝合金粉末为纯度99.7%形貌为近球形的2024铝合金粉末。
干燥：分别将两种粉末放进干燥机，在80℃-100℃的温度下，干燥4-5h；
混合：按比例将干燥后的两种粉末置于球磨罐中，加入球并抽真空混合24h，其中SiC粉末的体积分数为10%~50%，铝合金粉末的体积分数为50%~90%。
S2、构建模型、添加打印参数：建立待打印件的三维模型，并将模型文件导入SLM打印设备，构建支撑材料，对模型进行切片处理，添加打印参数。打印参数范围如下：激光功率P=30-150W；铺粉层厚D=25μm；扫描速度V=100-1000mm/s。
S3、装粉打印：调平基板，将粉末均匀铺设到基板上，关闭打印成型仓并向仓内通入氩气；基板预热至90℃-110℃，开始打印。
S4、第一次成型，第一次破碎：第一次激光成型得到第一预制件；将第一预制件破碎球磨成粒径小于15μm的粉末，干燥温度和时间与步骤S1相同，得到第一预制件粉末；
S5、第二次成型，第二次破碎：重复步骤S2-S3，对第一预制件粉末进行第二激光成型，得到第二预制件；将第二预制件破碎球磨成粒径小于15μm的粉末，干燥温度和时间与步骤S1相同，得到第二预制件粉末；
重复上述成型、破碎操作直到得到第（N-1）预制件粉末，N为大于等于3的正整数；
S6、第N次激光成型：对第（N-1）预制件粉末进行激光成型，得到产品成型件。
实施例1
步骤S1中：
SiC粉末平均粒径为5.5μm，铝合金粉末平均粒径为7μm；
干燥温度90℃，时间4h；
混合比例：SiC粉末体积分数为20%，铝合金粉末体积分数为80%。
步骤S2中：打印参数：D=25μm， P=90W，V=400mm/s。
步骤S3中：基板预热温度为100℃。
成型次数N=3，经过三次打印，最终得到产品成型件。
实施例2
与实施例1的不同点仅在于：
步骤S1中的混合比例：SiC粉末体积分数为45%，铝合金粉末体积分数为55%。
实施例3
与实施例1不同的是：
步骤S1中：干燥温度80℃，时间5h；混合比例：SiC粉末体积分数为10%，铝合金粉末体积分数为90%。
步骤S2中：打印参数：D=25μm， P=30W，V=100mm/s。
步骤S3中：基板预热温度为90℃。
实施例4
与实施例1不同的是：
步骤S1中：干燥温度100℃，时间5h；混合比例：SiC粉末体积分数为50%，铝合金粉末体积分数为50%。
步骤S2中：打印参数：D=25μm， P=150W，V=1000mm/s。
步骤S3中：基板预热温度为110℃。
实施例5
与实施例1不同的是：
成型次数N=4，经过四次打印，最终得到产品成型件。
对比例1
与实施例1的不同点仅在于：
成型次数N=1，只经过一次打印，以得到的第一预制件作为本对比例的最终产品。
对比例2
与实施例1的不同点仅在于：
成型次数N=2，只经过两次打印，以得到的第二预制件作为本对比例的最终产品。
对比例3
与实施例2的不同点仅在于：
成型次数N=1，只经过一次打印，以得到的第一预制件作为本对比例的最终产品。
对比例4
与实施例2的不同点仅在于：
成型次数N=2，只经过两次打印，以得到的第二预制件作为本对比例的最终产品。
对比例5
与实施例1不同的是：步骤S1中的混合比例：SiC粉末体积分数为60%，铝合金粉末体积分数为40%。
成型次数N=3，经过三次打印，最终得到产品成型件。
（二）产品性能测试
1）分别对实施例1-4、对比例1-4得到的合金打印件进行机加工，加工成标准规格的拉伸试片。拉伸试片按照GB/T228-2002《金属材料室温拉伸试验方法》标准试片制备。
2）将加工后的拉伸试片进行拉伸试验。拉伸实验按照GB/T228-2002《金属材料室温拉伸试验方法》进行。
3）进行相对密度、显微硬度、抗拉强度、屈服强度、延伸率的检验；测试结果如表1所示。
表 1 产品性能数据表
通过上表可以看出，实施例1-4提供的合金相对密度均较大，都在92%以上，显微硬度均较大，都在280HV以上，抗拉强度在390MPa以上，屈服强度在400MPa以上。
将实施例1与对比例1和对比例2进行对比，对比例2相对于对比例1的合金各项性能逐步提升，实施例1相对于对比例2的合金各项性能逐步提升，说明随着成型次数的增加，合金的显微硬度、抗拉强度、屈服强度、延伸率都逐步增加，多次激光成型使SiC与Al界面生成的陶瓷相越来越多，韧性增强。实施例5提供的合金各项性能与实施例1相比虽有提升，但不明显，说明成型次数在第三次之后对合金的性能提升已经非常小。对比例5中的显微硬度、抗拉强度、屈服强度非常大，但是延伸率太小，容易造成脆性断裂。说明在本发明要求的SiC与Al体积比范围内，才能制得强度与韧性都非常优异的合金。
综上所述：
第一，随着激光打印次数的增加，打印的合金样品的韧性增加。说明多次激光打印能够起到明显增强铝基材料韧性的作用。
第二，利用SLM打印SiC颗粒增强铝基复合材料具有十分显著的效果，相比于传统的生产工艺，生产过程简化，生产工艺环保，生产的合金样品力学性能提升明显。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (5)

1.SiC颗粒增强铝合金复合材料的SLM成型方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、准备粉料：筛选粒径小于10μm的SiC粉末和粒径小于15μm的铝合金粉末，分别进行干燥处理；将干燥后的两种粉末按比例混合均匀，其中SiC粉末的体积分数为10%~50%，铝合金粉末的体积分数为50%~90%；
S2、构建模型，添加打印参数；所述步骤S2中的打印参数如下：激光功率为30-150W；铺粉层厚为25μm；扫描速度为100-1000mm/s；
S3、装粉打印；
S4、第一次成型，第一次破碎：第一次激光成型得到第一预制件；将第一预制件破碎球磨成粒径小于15μm的粉末，干燥处理后，得到第一预制件粉末；
S5、第二次成型，第二次破碎：重复步骤S2-S3，对第一预制件粉末进行第二次激光成型，得到第二预制件；将第二预制件破碎球磨成粒径小于15μm的粉末，干燥处理后，得到第二预制件粉末；
重复上述成型、破碎操作直到得到第（N-1）预制件粉末，N为大于等于3的正整数；
S6、第N次激光成型：对第（N-1）预制件粉末进行激光成型，得到产品成型件。
2.根据权利要求1所述的SiC颗粒增强铝合金复合材料的SLM成型方法，其特征在于：所述步骤S1、S4和S5中，干燥温度为80℃-100℃，干燥时间为4-5h。
3.根据权利要求1所述的SiC颗粒增强铝合金复合材料的SLM成型方法，其特征在于：所述步骤S3中，先调平基板，再将粉末均匀铺设到基板上，然后关闭打印成型仓并向仓内通入氩气，基板预热后，开始打印。
4.根据权利要求3所述的SiC颗粒增强铝合金复合材料的SLM成型方法，其特征在于：所述步骤S3中，基板预热至90℃-110℃。
5.根据权利要求1所述的SiC颗粒增强铝合金复合材料的SLM成型方法，其特征在于：所述步骤S4-S6中，激光扫描的方式为分区扫描。
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Denomination of invention: SLM Forming Method of SiC Particle Reinforced Aluminum Alloy Composite Materials

Granted publication date: 20230922

Pledgee: Chengdu financial holding Financing Guarantee Co.,Ltd.

Pledgor: Chengdu Xinshan Aerospace Technology Co.,Ltd.

Registration number: Y2024510000002

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