CN111974986A - 一种铝金属复合粉末及利用该粉末制备的激光增材 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种铝金属复合粉末及利用该粉末制备的激光增材，激光增材所用的铝金属复合粉末以铝合金粉末为基体，添加纳米氧化物陶瓷颗粒，诱导激光熔池凝固过程中铝合金柱状晶组织向等轴晶组织转变，能够有效降低或避免由于凝固收缩导致的空隙和裂纹缺陷，成型后的激光增材致密度可大于等于99％。激光增材还具有空隙和裂纹缺陷少、各向异性低、力学强度高以及加工性能好的特点，显著改善铝合金激光增材制造零部件的综合性能，且具有工艺简单、成本低等优点，适于工业推广。
Description
技术领域
本发明涉及增材制备技术领域，具体涉及一种铝金属复合粉末及利用该粉末制备的激光增材。
背景技术
铝基金属材料，由于具有密度低、比强度高、耐腐蚀以及高导热等结构与功能特性，已经广泛应用于航空、航天、交通及能源等领域。但随着应用领域成本及技术要求的发展，传统的锻造、挤压及车、铣等加工技术，已经难以满足铝金属零部件的复杂精细结构及多功能应用的需求，迫切需要发展新的高效低成本的精细加工技术。激光粉末增材制造技术，包括激光粉末床与激光送粉工艺，根据零部件三维实体数字模型，直接以金属粉末为原料，在激光作用下逐层熔化、累加沉积，直接实现零部件自下而上的加工成型。作为一种革命性的金属成型加工技术，激光粉末增材制造技术应用于铝金属，能够同时兼顾零部件的复杂形状与快速成型，受到航空航天等高端制造领域的关注和青睐。
但是，由于铝的高激光反射、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。激光作用下的高温度梯度，极易引发铝合金熔池凝固过程中的柱状晶生长，柱状晶在温度降低过程中发生大的凝固收缩，由于液相金属不能及时补缩而导致凝固孔洞发生并沿柱状晶晶界进一步发展为凝固裂纹。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铝合金，对于高性能2xxx、5xxx、6xxx及7xxx Al等高端领域应用铝合金，由于其较大的固液凝固区间而引发严重的凝固开裂等制造缺陷，严重限制了高性能铝合金激光增材制造零部件的应用和推广。
近年来，国内外研究者发现，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。纳米粒子的引入，不仅促进铝合金在SLM(选择性激光熔化，Selective laser melting)熔池凝固过程中柱状晶组织向等轴晶转变，且纳米粒子还能强化合金基体带来成型材料力学性能的提高。但随着添加粒子尺寸降低，颗粒比表面积增加、及分子作用力，且由于纳米陶瓷相粒子多与铝金属浸润差，导致纳米粒子在熔池凝固过程中极容易团聚，最终难以有效发挥熔池凝固组织的改善调节作用，甚至增加成型材料的孔洞、裂纹等缺陷发生几率。因此，现有绝大多数通过纳米陶瓷相的添加获得复合粉末，并不能有效解决铝金属熔池凝固过程中的开裂问题，难以实现高性能铝金属材料的激光粉末增材制造的工业应用。
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铝金属复合粉末，该粉末用于制备激光增材，可以克服熔池凝固过程中的成型开裂问题，降低激光增材的凝固空隙和裂纹缺陷。
本发明的目的之二在于提供一种利用该粉末通过激光粉末增材制造技术制备得到的具有凝固空隙和裂纹缺陷少、各向异性低及力学性能好的激光增材，该激光增材制备的零部件可以应用在航空航天等高技术领域。
本发明的目的之一采用如下技术方案实现：
一种铝金属复合粉末，以铝合金粉末为基体，在铝合金粉末的表面均匀分布有纳米氧化物陶瓷颗粒，纳米氧化物陶瓷颗粒的质量百分比为0.2％～5wt％；纳米氧化物陶瓷颗粒为ZrO2、TiO2、Fe2O3、WO3、Nb2O5和MoO3中的一种或几种。以铝合金粉末作为基体，再引入纳米氧化物陶瓷颗粒，不仅促进铝合金在SLM熔池凝固过程中柱状晶组织向等轴晶转变，且纳米氧化物陶瓷颗粒还能强化铝合金基体，带来成型材料力学性能的提高。
进一步，所述铝合金粉末的形状为球形或近球形。
再进一步，所述纳米氧化物陶瓷颗粒尺寸40nm～500nm。
进一步，所述纳米氧化物陶瓷颗粒通过机械球磨、高速搅拌、超声分散、电化学辅助中的一种或几种分散到铝合金的表面。为保证铝金属复合粉末的高流动性，并实现纳米氧化物陶瓷颗粒在基体铝合金粉末表面的均匀分散，通过机械球磨、高速搅拌、超声分散、电化学辅助中一种或多种方式，既避免铝合金粉末变形而导致的流动性降低，又可实现纳米氧化物陶瓷颗粒在铝合金粉末表面的均匀分散。
本发明的目的之二采用如下技术方案实现：
一种激光增材，由上述铝金属复合粉末通过激光粉末床工艺或激光送粉工艺制备而成。在铝合金基体中，采用低固溶度金属元素的陶瓷氧化物纳米颗粒为外加纳米颗粒，在激光高能束作用下，通过陶瓷氧化物纳米颗粒在高温熔池中的铝热还原反应改善与铝金属熔体的浸润效果，促进陶瓷纳米颗粒分散，并抑制柱状晶的生长，以消除铝合金凝固开裂缺陷。
若激光增材由激光粉末床工艺制备而成，铝合金粉末的直径为10μm～80μm。若激光增材由激光送粉工艺制备而成，铝合金粉末的直径为40μm～200μm。
激光增材制成的零部件可以应用到航空航天等高技术领域。
相比现有技术，本发明的有益效果在于：
激光增材所用的铝金属复合粉末以铝合金粉末为基体，添加纳米氧化物陶瓷颗粒，诱导激光熔池凝固过程中铝合金柱状晶组织向等轴晶组织转变，能够有效降低或避免由于凝固收缩导致的空隙和裂纹缺陷，成型后的激光增材致密度可大于等于99％。激光增材还具有空隙和裂纹缺陷少、各向异性低、力学强度高以及加工性能好的特点，显著改善铝合金激光增材制造零部件的综合性能，且具有工艺简单、成本低等优点，适于工业推广。
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
由0.5wt％ZrO2/5083Al复合粉末通过激光粉末床工艺制备成型的激光增材的制备方法，包括以下步骤：
基体铝合金粉末为气雾化球形5083Al，铝合金粉末球形率大于85％，粉末直径介于15μm～50μm，中值粒径28μm；纳米氧化物陶瓷颗粒为ZrO2，平均直径为60nm，质量含量比为0.5wt％。
质量百分比0.5wt％的ZrO2与球形5083Al粉末，以酒精为介质进行超声辅助分散，超声分散完成后在，复合粉末在低温加热真空条件下干燥去除酒精，获得表面均匀分散ZrO2的ZrO2/5083Al铝金属复合粉末。
利用所获得的0.5wt％ZrO2/5083Al铝金属复合粉末，采用激光粉末床工艺进行样品制备，优化工艺条件下可获得无裂纹缺陷的激光增材，致密度为99.6％，抗拉强度达到520MPa，断裂延伸率为9％。
相同激光成型工艺下，基体5083Al合金材料对比样品存在显著裂纹，致密度为97.5％，断裂强度380MPa，断裂延伸率为4.1％。
实施例2
由0.2wt％TiO2/6061Al复合粉末通过激光粉末床工艺成型的激光增材的制备方法，包括以下步骤：
基体铝合金粉末为气雾化球形6061Al，铝合金粉末球形率大于85％，粉末直径介于15μm～50μm，中值粒径30μm；纳米氧化物陶瓷颗粒为TiO2，平均直径为40nm，质量含量比为0.2wt％。
质量百分比0.2wt％的TiO2与球形6061Al粉末，通过电化学辅助利用静电吸附实现TiO2在基体6061Al粉末表面的均匀分散，电化学分散吸附完成后，真空干燥获得0.2wt％TiO2/6061Al金属复合粉末。
利用所获得的0.2wt％TiO2/6061Al金属复合粉末，采用激光粉末床工艺进行样品制备，获得无裂纹缺陷的激光增材，致密度99.4％，抗拉强度达到390MPa，断裂延伸率为～12％。
相同激光成型工艺下，基体6061Al合金材料对比样品存在显著裂纹，致密度97％，断裂强度350MPa，断裂延伸率为4.8％。
实施例3
由2.0wt％WO3/AlSi10Mg复合粉末通过激光粉末床工艺成型的激光增材的制备方法，包括以下步骤：
基体铝合金粉末为气雾化球形AlSi10Mg，铝合金粉末球形率大于90％，粉末直径介于10μm～80μm，中值粒径35μm；纳米氧化物陶瓷颗粒为WO3，平均直径为200nm，质量含量比为2.0wt％。
质量百分比2.0wt％的WO3与球形AlSi10Mg粉末，直接利用高速搅拌进行混合，利用高速搅拌产生的机械剪切力实现纳米WO3在AlSi10Mg粉末表面的均匀混合。
利用所获得的2.0wt％WO3/AlSi10Mg金属复合粉末，采用激光粉末床工艺进行样品制备，获得无裂纹缺陷的激光增材，致密度100％，抗拉强度达到430MPa，断裂延伸率为12％。
相同激光成型工艺下，基体AlSi10Mg合金材料的激光增材存在少量裂纹，致密度为98.5％，断裂强度400MPa，断裂延伸率为7.8％。
实施例4
由5.0wt％Fe2O3/2024Al复合粉末通过激光送粉工艺制备的激光增材的制备方法，包括以下步骤：
基体铝合金粉末为气雾化球形2024Al，铝合金粉末球形率大于80％，粉末直径介于40μm～200μm，中值粒径90μm；纳米氧化物陶瓷颗粒为Fe2O3，平均直径为500nm，质量含量比为5.0wt％。
质量百分比5.0wt％的Fe2O3与球形2024Al粉末，利用低速机械球磨进行分散，分散完成后筛除磨球，获得5.0wt％Fe2O3/2024Al复合金属粉末。
利用所获得的5.0wt％Fe2O3/2024Al金属复合粉末，采用激光送粉工艺进行样品制备，获得无裂纹缺陷的激光增材，致密度99.5％，断裂强度达到650MPa，断裂延伸率为7％。
相同激光成型工艺下，基体2024Al合金材料对比样品存在显著裂纹，致密度96％，断裂强度290MPa，断裂延伸率为3.2％。
实施例5
由1.0wt％MoO3/7075Al复合粉末通过激光送粉工艺制备得到的激光增材的制备方法，包括以下步骤：
基体铝合金粉末为气雾化球形7075Al，铝合金粉末球形率大于85％，粉末直径介于50μm～150μm，中值粒径80μm；纳米氧化物陶瓷颗粒为MoO3，平均直径为100nm，质量含量比为1.0wt％。
质量百分比1.0wt％的MoO3与球形7075Al粉末，利用低速机械球磨进行分散，分散完成后筛除磨球获得1.0wt％MoO3/7075Al复合金属粉末。
利用所获得的1.0wt％MoO3/7075Al金属复合粉末，采用激光送粉工艺进行样品制备，获得无裂纹缺陷的激光增材，致密度为99.1％，抗拉强度达到510MPa，断裂延伸率为6％。
相同激光成型工艺下，基体7075Al合金材料对比样品存在显著裂纹，致密度95.5％，断裂强度250MPa，断裂延伸率为2.2％。
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 (7)
1.一种铝金属复合粉末，其特征在于，以铝合金粉末为基体，在铝合金粉末的表面均匀分布有纳米氧化物陶瓷颗粒，纳米氧化物陶瓷颗粒的质量百分比为0.2％～5wt％；纳米氧化物陶瓷颗粒为ZrO2、TiO2、Fe2O3、WO3、Nb2O5和MoO3中的一种或几种。
2.如权利要求1所述的铝金属复合粉末，其特征在于，所述铝合金粉末的形状为球形或近球形。
3.如权利要求1所述的铝金属复合粉末，其特征在于，所述纳米氧化物陶瓷颗粒尺寸40nm～500nm。
4.如权利要求1所述的铝金属复合粉末，其特征在于，所述纳米氧化物陶瓷颗粒通过机械球磨、高速搅拌、超声分散、电化学辅助中的一种或几种分散到铝合金的表面。
5.一种激光增材，其特征在于，由权利要求1-4任一所述的铝金属复合粉末通过激光粉末床工艺或激光送粉工艺制备而成。
6.如权利要求5所述的激光增材，其特征在于，由激光粉末床工艺制备而成，铝合金粉末的直径为10μm～80μm。
7.如权利要求5所述的激光增材，其特征在于，由激光送粉工艺制备而成，铝合金粉末的直径为40μm～200μm。
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2020
- 2020-08-06 CN CN202010784748.0A patent/CN111974986A/zh active Pending
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