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一種基于激光3d打印形成的鋁基原位復(fù)合材料及其制備方法

文檔序號(hào):9571714閱讀:1162來源:國知局
一種基于激光3d打印形成的鋁基原位復(fù)合材料及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及顆粒增強(qiáng)鋁基原位復(fù)合材料技術(shù)領(lǐng)域,尤其涉及一種基于激光3D打 印形成的鋁基原位復(fù)合材料及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 鋁及其合金材料具有密度輕、彈性好、比剛度和比強(qiáng)度高、抗沖擊性好、導(dǎo)電導(dǎo)熱 性好,良好的成型加工性能以及高的回收再生性等一系列優(yōu)良特性,被認(rèn)為是"朝陽材料", 現(xiàn)已被廣泛用于交通運(yùn)輸、航空航天、礦物加工等領(lǐng)域。但鋁及其合金均存在硬度低、耐磨 性差等問題,這些問題很大程度地限制了鋁及其合金的應(yīng)用,并且成為鋁合金領(lǐng)域研究發(fā) 展的瓶頸問題。
[0003] 為了解決上述問題,現(xiàn)通常采取的技術(shù)手段為在鋁合金中添加陶瓷顆粒,形成顆 粒增強(qiáng)鋁基原位復(fù)合材料,采用這種方法所得到的顆粒增強(qiáng)鋁基原位復(fù)合材料具備較高的 硬度、較低的密度、較高的強(qiáng)度和較好的耐磨性,以及好的耐高溫性能和好的耐磨性等一系 列優(yōu)良性能。因此,通過添加陶瓷顆粒復(fù)合化是目前解決鋁合金性能方面不足的較佳途徑。
[0004] 但在鋁合金中添加陶瓷顆粒制備鋁基原位復(fù)合材料所采取的技術(shù)手段為鑄造、粉 末冶金、噴涂等,這些技術(shù)手段多采用外加法,且工藝復(fù)雜,成本高。雖然能制備出致密度較 高的鋁基原位復(fù)合材料,但也會(huì)存在如下問題如:這類加工方法的過冷度較小,所制備得到 增強(qiáng)相晶粒發(fā)生粗化、團(tuán)聚,造成材料內(nèi)部存在缺陷,材料的力學(xué)性能差;另外采用外加法 制備鋁基原位復(fù)合材料,在加工過程中溫度較低,陶瓷增強(qiáng)相與鋁基體之間的濕潤性較差, 界面結(jié)合強(qiáng)度較低。而顆粒增強(qiáng)鋁基原位復(fù)合材料的力學(xué)性能卻主要取決于陶瓷增強(qiáng)相與 鋁基體之間的濕潤性、增強(qiáng)相和鋁基體的界面結(jié)合強(qiáng)度。
[0005] 因此,現(xiàn)有的鋁基原位復(fù)合材料,以及現(xiàn)有制備鋁基原位復(fù)合材料的技術(shù)手段均 不能有效地提高鋁合金的強(qiáng)度、耐磨性等力學(xué)性能。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 為解決上述傳統(tǒng)加工方法存在的不足,實(shí)現(xiàn)更有效地提高鋁基原位復(fù)合材料的綜 合力學(xué)性能,本發(fā)明提供了一種基于激光3D打印形成的鋁基原位復(fù)合材料及其制備方法。
[0007] 本發(fā)明的目的之一是提供一種基于激光3D打印形成的鋁基原位復(fù)合材料,所述 鋁基原位復(fù)合材料包括A1基體與分散于A1基體上的Al2Si4〇i。增強(qiáng)相。
[0008] 作為本發(fā)明優(yōu)選的技術(shù)方案,所述鋁基原位復(fù)合材料呈現(xiàn)為半核殼式結(jié)構(gòu),包括 內(nèi)核和外殼。
[0009] 作為本發(fā)明優(yōu)選的技術(shù)方案,所述內(nèi)核中A1基體的平均粒度和外殼中A1基體的 平均粒度的比值范圍為:〇. 44-0. 86。
[0010] 作為本發(fā)明優(yōu)選的技術(shù)方案,所述鋁基原位復(fù)合材料是Al-Si-Mg合金粉末和 A1203粉末的混合料通過3D激光打印工藝而生成;其中,Al-Si-Mg合金粉末的各組成成分 及質(zhì)量百分含量為7-9. 2%的Si,0. 2-0. 48%的Mg,〈0. 1%的其他雜質(zhì)元素,余量為A1。 [0011] 本發(fā)明的另一目的在于提供一種基于激光3D打印形成的鋁基原位復(fù)合材料的制 備方法,包括: 配備原料,所述原料為:質(zhì)量分?jǐn)?shù)比為(4-7):1的Al-Si-Mg合金粉末和A1203粉末的混 合料; 球磨,將混合料采用間歇式球磨工藝進(jìn)行球磨,采用A1203陶瓷球?yàn)榍蚰ソ橘|(zhì),每球磨 10-30 min空冷5-10 min,球磨至混合料的粒徑為1-10 um; 激光成型,A、建立工件的三維CAD模型,并對該三維CAD模型進(jìn)行分層切片處理,每層 的厚度為50~90 μ m ;B、根據(jù)工件的三維CAD模型,將經(jīng)過球磨處理的混合料均勻鋪放在成 型缸基板上,且鋪粉厚度與切片厚度相同;C、采用激光功率為100~150 W的激光束逐行掃 描所鋪粉末形成工件的一個(gè)二維截面;D、成形缸活塞下降,直至成形缸行程等于粉層厚度, 而供粉缸活塞以二倍粉層厚度距離上升,鋪粉裝置再次鋪粉;E、重復(fù)上述B、C兩步驟,直至 三維塊體加工完畢,即可形成在A1基體上分散有Al2Si4〇i。增強(qiáng)相的鋁基原位復(fù)合材料。
[0012] 作為本發(fā)明優(yōu)選的技術(shù)方案,所述Al-Si-Mg合金粉末的平均粒徑在30 um,純度 為99. 7%及以上,A1203粉末的平均粒徑為5 um,純度為99. 5%及以上。
[0013] 作為本發(fā)明優(yōu)選的技術(shù)方案,所述間歇式球磨的球磨介質(zhì)與混合料的重量比為 5:1~10:1 ;所述間歇式球磨的磨球的轉(zhuǎn)速為300~400 r/min,球磨時(shí)間3_9h。
[0014] 作為本發(fā)明優(yōu)選的技術(shù)方案,所述A1203陶瓷球的直徑為Φ8~10 mm。
[0015] 作為本發(fā)明優(yōu)選的技術(shù)方案,所述激光3D打印的光斑直徑為60~100 μ m,掃描速 度為400~700 mm/s,掃描間距為50~80 μπι;所述激光3D打印的分層切片厚度優(yōu)選為50 um ;所述激光3D打印的激光功率優(yōu)選為140 W。
[0016] 作為本發(fā)明優(yōu)選的技術(shù)方案,所述激光3D打印是在氬氣保護(hù)氣氛下進(jìn)行的;所述 氬氣出氣壓力為1~5 KPa。
[0017] 與現(xiàn)有技術(shù)相比,本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn): 1、本發(fā)明提供的鋁基原位復(fù)合材料呈半核殼式結(jié)構(gòu),其內(nèi)核與外殼均包括A1基體與 分散于A1基體上的Al2Si4〇i。增強(qiáng)相,這種相結(jié)構(gòu)使得鋁基原位復(fù)合材料具有較高的的硬 度,并且可承受較大的負(fù)載;其中外殼的晶粒大于內(nèi)核的晶粒,外殼的韌性較高,外殼與外 殼之間可在相鄰半核殼式結(jié)構(gòu)中起到緩沖帶的作用,進(jìn)而大幅減小材料應(yīng)力集中及阻止裂 紋擴(kuò)展;這種內(nèi)硬外韌的半核殼式結(jié)構(gòu)的鋁基原位復(fù)合材料具有優(yōu)異的綜合力學(xué)性能。
[0018] 2、本發(fā)明提供的鋁基原位復(fù)合材料是通過激光熔融重新成型,并非是直接添加硬 質(zhì)相,所得的鋁基原位復(fù)合材料內(nèi)部相與相之間的潤濕性、界面強(qiáng)度都較現(xiàn)有技術(shù)所得到 的鋁基原位復(fù)合材料高,進(jìn)而鋁基原位復(fù)合材料的整體力學(xué)性能得到提高,同時(shí)也跨過鋁 合金發(fā)展的一個(gè)瓶頸。
[0019] 3、本發(fā)明提供的鋁基原位復(fù)合材料的制備方法操作簡便,可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜零件的激 光凈成形或近凈成形,滿足實(shí)際應(yīng)用要求;激光加工過程是基于完全熔化/凝固機(jī)制,過 冷度很大,可以制備出晶粒顯著細(xì)化的組織,從而提高材料的力學(xué)性能;激光成形過程中, Al-Si-Mg合金和A1203在高能激光作用下原位生成A1 。增強(qiáng)相;所得的錯(cuò)基原位復(fù)合 材料,界面濕潤性得到很大程度地提高,材料本身也具有較高的界面強(qiáng)度。
[0020] 4、選用Al-Si-Mg合金,在3D激光打印成型的過程中,Mg元素能夠輔助促進(jìn)金屬 和陶瓷的濕潤性、降低界面能、減小接觸角;但Mg質(zhì)量百分含量控制在0. 2-0. 48%,使得3D 打印過程中形成更多的硬質(zhì)相為Al2SiA。增強(qiáng)相,而非Mg 2Si。
[0021] 說明書附圖 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】作進(jìn)一步詳細(xì)的說明。
[0022] 圖1為本發(fā)明一種基于激光3D打印形成的鋁基原位復(fù)合材料的制備方法的工藝 流程示意圖; 圖2為本發(fā)明制得的鋁基原位復(fù)合材料的200倍下的顯微形貌圖; 圖3為本發(fā)明制得的鋁基原位復(fù)合材料的核殼式結(jié)構(gòu)的形成過程示意圖; 圖4為本發(fā)明制得的鋁基原位復(fù)合材料的半核殼式結(jié)構(gòu)的2000倍下的掃描電鏡圖; 圖5為2000倍顯微鏡下觀察的成型后的鋁基原位復(fù)合材料的半核殼結(jié)構(gòu)的相以及相 形貌、大小的不意圖; 圖6為本發(fā)明實(shí)施例1制得的鋁基原位復(fù)合材料的XRD圖譜; 圖
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