[发明专利]3D打印高强度铝合金用金属粉末、打印方法及其应用

说明书

本发明公开了一种3D打印高强度铝合金用金属粉末，用所述金属粉末3D打印高强度铝合金的打印方法及其该3D打印方法的应用。所述3D打印高强度铝合金用金属粉末，包括铝合金微米颗粒，其特征在于，所述铝合金微米颗粒表面从里到外依次修饰有石墨烯和纳米增强颗粒；石墨烯添加量为所述金属粉末总质量的0.3‑0.6％，纳米增强颗粒总添加量为所述金属粉末总质量的1‑3％；所述铝合金微米颗粒的粒径为10μm‑60μm；纳米增强颗粒的粒径为30nm‑60nm。所述金属粉末可打印高强度铝合金，广泛引用于铝合金部件的制造上。

技术领域

本发明涉及一种3D打印高强度铝合金用金属粉末、打印方法及其应用，属于3D打印技术领域。

背景技术

铝合金具有高的比强度、比模量、和良好的断裂韧性、抗疲劳、耐腐蚀的性能，是各个工业部门广泛应用的重要的材料。随着轻量化、结构功能一体化的强劲需求，高强铝合金零件在高速列车等领域应用广泛，但因其焊接性能和铸造性能差，传统加工方法制备困难。而且传统减材加工方式对材料浪费严重，而且难以实现对复杂形面的成形，特别是在成形大型金属构件的情况下，更是成本高昂、浪费严重、制造周期长。

3D打印，也称为增材制造(Additive Manufacturing，AM)，是一个从三维模型数据出发，将材料逐层堆积制造物体的过程，而不是传统的减法制造方法。这种无需原胚和模具的制造方法可以给行业带来新的设计灵活性，减少能源使用和缩短上市时间。目前较为成熟的3D打印方法为激光3D打印，但是，与不锈钢、高温合金、钛合金等其他金属材料相比，铝合金对激光的反射率较高、对激光的吸收率较低、易氧化以及具有较高的导热系数，在3D打印过程中经常发生开裂、翘曲、变形、球化等现象，打印构件存在致密度低、脆化、翘曲、开裂等问题，是3D打印技术中最难打印的材料之一。为了得到优异性能的高强度铝合金结构件，满足航空航天、武器装备产品对铝合金构件的要求，有必要开发一种用于3D打印高强度铝合金的金属粉末及其3D打印方法。

发明内容

本发明的发明目的是提供一种3D打印高强度铝合金用金属粉末，用所述金属粉末3D打印高强度铝合金的打印方法及其该3D打印方法的应用。

本发明实现其发明目的首先提供了一种用于3D打印高强度铝合金用金属粉末，包括铝合金微米颗粒，其特征在于，所述铝合金微米颗粒表面从里到外依次修饰有石墨烯和纳米增强颗粒；石墨烯添加量为所述金属粉末总质量的0.3-0.6％，纳米增强颗粒总添加量为所述金属粉末总质量的1-3％；所述铝合金微米颗粒的粒径为10μm-60μm；纳米增强颗粒的粒径为30nm-60nm。所用的石墨烯层数为3-6层，厚度为2-8nm，直径为4-12μm。

本发明金属粉末的设计原理是：石墨烯是一种由碳原子组成的单原子层结构的材料，凭借其独特的机械、电学、化学及光学等方面的优异性能，受到材料界的极大重视，被认为是一种非常有发展前途的增强体材料。纳米增强颗粒可在3D打印成形过程中产生大量的异质形核质点，显著细化了晶粒，使得晶粒形状由柱状晶变成抗热裂性能高的等轴晶，热裂敏感性大大降低，可实现铝合金无裂纹的3D打印成形。

进一步，按质量百分比计，所述铝合金微米颗粒中元素的组分含量为，Zn：4.7-6.0wt％，Mg：1.5-2.5wt％，Cu：1.6-2.0wt％，Cr：0.15-2.0wt％，Fe：0.15-0.18wt％，Mn：0.01-0.03wt％，Yb：0.3-0.6wt％，Si：≤0.08wt％，Ti≤0.01wt％，余量为Al。

实验验证，以上元素组分含量制备的铝合金微米颗粒球形度高，粒径小，通过3D打印获得的铝合金零部件力学性能优异，其中增加0.3-0.6wt％的Yb元素起到细化作用、变质作用以及微合金化作用。

进一步，本发明所述纳米增强颗粒包括ZrB₂纳米颗粒和/或TiB₂纳米颗粒。