[发明专利]一种可用于三维打印的球形金属基稀土纳米复合粉末的制备方法及产品

说明书

技术领域

本发明属于新材料领域，具体涉及一种可用于三维打印的球形金属基稀土纳米复合粉末的制备方法及产品。

背景技术

近年来，在金属基复合材料的发展中，轻金属(铝、锂、镁、钛等纯金属及其合金)基复合材料的发展尤为迅速。纳米材料具有超细晶粒和大量内界面的特殊微观结构，从而具有诸多特殊的力学和理化性能，添加纳米材料可以有效提高轻金属基复合材料的抗拉强度、硬度、耐磨性等，并能改变轻金属的导电、导热及热膨胀系数等物理性能。因此，纳米材料轻金属基复合材料的制备成为研究的热点。目前，轻金属基复合材料的制备方法只要有粉末冶金、放电等离子烧结、搅拌铸造、压力浸渗、喷射沉积等。然而，这些方法难以制备具有复杂结构的轻金属基复合材料，从而制约了轻金属基复合材料的应用和发展。

随着三维打印技术的兴起，国内外的科研人员开始将纳米材料增强轻金属基复合材料与三维打印技术(主要包括激光选区熔化SLM，电子束选区熔化EBM，激光近净成型LENS等)相结合，利用纳米材料可显著改善轻金属基体力学性能的优势和三维打印可制造复杂结构件的特点，实现轻金属基纳米复合材料复杂结构件的快速成型。目前轻金属常用的纳米增强材料包括纳米陶瓷颗粒(Al₂O₃、TiC、TiB、SiC、SiO₂、B₄C、金刚石)、纳米碳材料(碳纤维、碳纳米管、石墨烯等)，主要通过高能球磨的方法与轻金属粉末混合，再通过铺粉或光内送粉的方式实现快速熔化成形。这种方法存在以下弊端：(1)纳米材料之间由于强烈的范德瓦尔力以及极大的表面张力而发生团聚，并且纳米材料与轻金属的密度差异较大，这些团聚和比重差异导致纳米材料在轻金属粉末中很难均匀分散，从而在轻金属基纳米复合材料三维打印的零部件中形成应力集中点，导致裂纹和脆性。(2)具有较强延展性的轻金属粉末在研磨球的作用下容易发生挤压变形，形状由球形转变为片状或粒球状，粉末的流动性降低，压实密度减小。(3)纳米材料与轻金属基体相之间的润湿性很差，同时它们之间的热膨胀系数的差异较大，导致在成形过程中形成的液相不能均匀铺展，同时再随后的凝固过程中产生较大的收缩应力而出现裂纹。(4)球磨过程的热积累作用，易导致轻金属粉末的氧含量急剧升高，球磨过程需要在真空或保护气氛中进行，增加了制造成本。

发明内容

为了避免现有技术采用球磨的方式制备可用于三维打印的粉末存在的弊端，本发明的目的在于提供一种可用于三维打印的球形金属基稀土纳米复合粉末的制备方法及产品，此方法制备的产品能更有效的应用于三维打印技术。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

1、一种可用于三维打印的球形金属基稀土纳米复合粉末的制备方法，包括如下步骤：

(1)将轻金属原料加入感应电炉的坩埚中，将坩埚抽真空充氩气，调控感应电流加热使轻金属原料融化成液态熔体；

(2)控制轻金属熔体温度高于其熔点50～100℃范围内，将0-20.0wt％纳米材料加入到金属熔体中并保证均匀分散形成混合熔体，并调控感应电流强度为5～25A；

(3)向步骤(2)形成的混合熔体中加入0-1.0wt％的稀土材料并保证均匀分散，所述稀土材料包括La、Nd、Re、Sm、Ce或Y中的一种或几种；

(4)对烧损的元素进行补损以调整合金的化学成分，并用步骤(1)同样的方法再进行一次重熔并均匀分散成复合材料熔体；

(5)开启高纯氩气，由一路气流集中到雾化喷嘴，保持雾化气压和功率，混合均匀的复合材料熔体由输液管流出，自由降落一段距离后在高压气体作用下被破碎为球形小液滴，并快速冷凝成球形粉末颗粒，得到球形金属基稀土纳米复合粉末。

优选的，所述轻金属为铝、锂、镁、钛或其合金。

优选的，步骤(1)控制坩埚内真空度在6.0×10^-3Pa以下，氩气的压力0-0.1MPa，感应电流强度5-45A。

优选的，所述纳米材料为纳米陶瓷颗粒和/或纳米碳材料，所述纳米陶瓷颗粒为Al₂O₃、TiC、TiB、SiC、SiO₂、B₄C、金刚石中的一种或几种，所述纳米碳材料为碳纤维、碳纳米管、石墨烯的一种或几种。

优选的，所述纳米陶瓷颗粒和纳米碳材料的尺寸为0.1nm-500nm，纯度不低于99.9％。