[发明专利]一种3D打印用原位纳米复相陶瓷增强铝合金粉末及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于增材制造技术领域，涉及一种原位纳米复相陶瓷增强铝合金粉末及其制备方法，特别是一种3D打印用原位纳米复相陶瓷增强铝合金粉末及其制备方法，该铝合金粉末适用于3D打印高性能铝合金构件。

背景技术

近年来，随着激光技术与智能制造技术的进步，基于增材制造原理的3D打印技术取得飞速发展。3D打印技术不再依赖于传统的切削刀具、夹具及模具，而利用空间三维模型进行逐层制造，成形速度快、精度高，从而实现“自由制造”。尤其对于空间形状复杂、薄壁的零部件，3D打印技术显得更为优越，实现传统加工方法难以制造的复杂结构零件的成形，并大幅减少加工工序，缩短加工周期。因此，3D打印技术在汽车、航天航空、医疗等诸多领域取得了应用，已日益融入社会生产生活中。目前，已成功于3D打印的金属粉末有铝合金、钛合金、钢及镍合金等。其中，铝合金因密度低、比强度高，导热、耐蚀性优良等优点，已成为3D打印领域中广泛应用的一种轻合金粉末，如，6061、AlSi10Mg、AlSi12及Al-Zn等。

随着航空航天、汽车制造等领域对3D打印铝合金零部件的强度、耐磨性等综合性能的要求不断提高，单一铝合金粉末已无法满足其性能需求。因纳米陶瓷颗粒优异的增强效应，众多研究机构将纳米陶瓷增强颗粒（如BC₄、TiC等）加入铝合金粉末通过球磨法获得进行3D打印颗粒增强铝合金混合粉末，以增强铝合金构件的综合性能。但因纳米陶瓷颗粒存在巨大的比表面积使其团聚效应明显而难以分散，经球磨的纳米陶瓷颗粒增强铝合金混合粉末易出现纳米陶瓷颗粒的团聚，严重影响纳米颗粒在铝合金混合粉末中的分布状态，即使经过较长时间的球磨仍无法消除纳米陶瓷颗粒的团聚，进而导致3D打印铝合金构件化学成分、组织不均匀及综合性能的下降；另一方面，相对于陶瓷颗粒而言，硬度较低的铝合金粉末经过球磨后，易造成其变形，极易降低粉末的球形度低，大幅减弱铝合金混合粉末在粉床中的流动性和松装密度，增加铺粉难度，导致其在3D打印过程中易产生孔隙等缺陷，进而对铝合金构件的性能产生较大影响。更为重要的是，经球磨的铝合金混合粉末中铝合金与纳米陶瓷增强颗粒的界面润湿性差，界面结合强度弱，其3D打印构件在服役过程中极易产生裂纹而提前失效。因此，开发一种高性能、流动性优良的3D打印用纳米陶瓷增强铝合金粉末显得尤为重要，能显著3D打印铝合金构件的综合性能，具有良好的经济效益。

中国专利CN1180383“TiB2颗粒陶瓷增强铝合金金属基复合材料”第一种方法包含的步骤是：在铝或铝合金液中分散一种陶瓷相（二硼化钛相），该陶瓷相与冰晶石或其它氟化物熔剂粉末混合，并将该混合物与铝或铝合金相一起在700℃到1000℃之间的温度下熔化。第二种方法中，氟化物熔剂被熔融铝或者其合金元素（Mg，Ca）原位还原生成不同晶粒尺寸和尺寸分布的TiB2微晶，通过确定熔剂和合金组成及工艺温度可预先确定微晶的尺寸和尺寸分布。但其存在的问题是因熔剂Li2TiF6与LiBF4的添加导致原位反应熔炼过程中出现较多熔渣，难以完全清除，在铝合金中易残留而产生杂质，降低铝合金的性能；另一方面熔剂Li2TiF6与LiBF4原位反应生成TiB2陶瓷相，需消耗较多的能量，消耗更多的能源。而本发明中利用基于放热的铝热反应原位生成TiB2陶瓷相，大幅降低能源的消耗，同时不产生熔渣，粉末内部缺陷少，纯度高，有利于增材制造成形构件性能的提高，显著提升服役性能与经济价值。

发明内容

为克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种3D打印用原位纳米复相陶瓷增强铝合金粉末及其制备方法，通过本申请方法制备的纳米颗粒增强的铝合金粉末具有综合性能优异：粒径分布均匀、球形度高、松装密度高、流动性优良、优异金属/陶瓷界面结合等特性，并能完全满足不同3D打印铝合金构件的需求。

为实现上述技术目的，本发明采取具体的技术方案为，一种3D打印用原位纳米复相陶瓷增强铝合金粉末，包括铝合金基体、以及同时原位生长于铝合金基体上的Al2O3相与TiB2相。

作为本发明改进的技术方案，Al2O3相与TiB2相是采用B2O3粉末、TiO2粉末直接与铝合金基体反应并生成于铝合金基体上，B2O3粉末、TiO2粉末与铝合金基体的摩尔比为1：1：（15～50）。

本发明的另一目的在于提供一种3D打印用原位纳米复相陶瓷增强铝合金粉末的制备方法，包括如下步骤：

步骤一、采用感应熔炼技术，在惰性气体的保护下，在1200～1900℃下于坩埚中熔炼铝合金块体，得到铝合金熔体；