[发明专利]一种激光增材制造用铝基复合材料粉末及其制备方法

说明书

本发明提供了一种激光增材制造用铝基复合材料粉末的制备方法，以纯铝、Al‑Zr中间合金、Al‑Sc中间合金、Al‑Mn中间合金、Al‑Ti中间合金、工业纯Mg、KBF₄以及K₂TiF₆为原料，采用原位熔体自生控制的方法制备了原位TiB₂微纳米颗粒增强Al‑Mg复合材料，通过高温气雾化方法制备TiB₂颗粒增强铝基复合材料粉末。所述粉末颗粒的中值粒径在3～180μm可控，球形率＞90％，粉体收得率≥60％，激光吸收率≥45％。纳米级TiB₂颗粒均匀弥散分布于铝合金基体中，复合材料晶粒组织为均匀细小的等轴晶。本发明方法制备的铝基复合材料粉末具备良好的激光吸收率，适用于激光增材制造技术，且用于激光增材制造时表现出良好的力学性能。

技术领域

本发明属于材料技术领域，具体地，涉及一种激光增材制造用铝基复合材料粉末及其制备方法。

背景技术

随着现代科学技术的发展，以航空航天、兵器制造等高尖端领域为代表的制造业前沿对材料性能和制备技术提出了越来越苛刻的要求：结构材料除了具有高的比刚度和比模量，也要具备高强度高塑性。高端装备，例如大型飞机，对大型、精密、复杂整体轻质高强韧合金构件提出了越来越迫切的需求，以满足其在高性能、高可靠性、高经济性和高环保性方面的要求。激光增材制造技术可以有效兼顾复杂形状和高性能金属构件快速制造，正在受到解决航空航天制造领域的青睐和关注。

目前商业化的预合金化粉末主要是通过雾化法或旋转电极法制备的，然而受制于激光吸收率等关键技术指标的限制，目前可供使用的合金粉末种类有限。特别是在铝合金激光增材制造领域，由于铝合金激光吸收率较低，目前适合用于激光增材制造的合金粉末仅有Al-Si体系，极大的限制了铝基材料在激光增材制造技术领域的应用。目前，利用该类商业化粉末已经制备出较高尺寸精度的零部件，并在航空航天，汽车，医疗等领域获得了一些应用。例如康明斯巴西、巴西大学理工学院以及加拿大的安大略技术学院最近联合开发的激光增材制造的柴油发动机支架，不仅通过拓扑优化提高了柴油机支架的作用，还为风扇驱动皮带轮提供了锚点。这个零件设计的突出优点是重量最小化、性能改进并降低了燃油成本。但是激光增材制造制备的零件通常具有较高的残余应力及微米级别的裂纹及孔洞等缺陷，进而导致材料疲劳强度、塑性和韧性降低。因而零件生产成品率低、可靠性不足且成本高居不下。因此传统的商业化合金粉末不能完全满足高性能零部件的制造。

发明内容

针对上述材料体系限制及改进需求，本发明的目的是提出一种激光增材制造用铝基复合材料粉末及其制备方法，更进一步地，提出一种激光增材制造用5XXX系原位铝基复合材料粉末及其制备方法，制备出了能同时具备高激光吸收率，颗粒球形率高的铝基复合材料粉末，且工艺操作简单易行，低成本高效率，适合进行批量生产。

本发明的一种激光增材制造用5XXX系原位铝基复合材料粉末的制备方法中，通过原位自生熔体控制的方法，制备出的TiB₂颗粒增强Al-Mg合金复合熔体，再利用自主设计的气雾化设备，实现对原位自生TiB₂颗粒增强Al-Mg复合材料的粉末制备，进而得到均匀弥散分布的微纳米TiB₂颗粒和细小等轴的基体晶粒组织，制备出了高激光吸收率的TiB₂增强Al-Mg复合材料粉末。

同时，由于不同系列的铝合金成分差别较大，因此它们的熔炼工艺、气雾化条件以及制备得到的粉末形态和性能均不相同，本申请专门针对5XXX系列。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

第一方面，本发明提供一种激光增材制造用铝基复合材料粉末，所述铝基复合材料粉末包括基体合金和分布在所述基体合金中的增强相；

所述基体合金包括如下质量分数的各元素组分：Mg 1％～8％；Zr 0.05％～3％、Sc0.05％～3％、Mn 0.05％～2％和Ti 0.01％～1％中的至少一种元素组分；Al为余量；