[发明专利]一种三维打印用球形金属基纳米陶瓷复合材料的制备方法及产品

说明书

本发明涉及一种三维打印用球形金属基纳米陶瓷复合材料的制备方法及产品，属于材料技术领域，该方法中首选制备金属液，然后使金属液形成具有椎体结构的旋转金属液膜，再通过高压气体同步携带纳米陶瓷颗粒，实现气固两相喷射金属熔体液膜，从而制得纳米陶瓷颗粒在金属球形粉末表面均匀分布的球形金属基纳米陶瓷复合材料，该方法解决了依靠球磨等机械力混合两种材料时纳米材料易发生团聚，从而导致成分与粒径分布不均的问题。并且通过控制金属液膜顶角的度数，可以保证复合材料具有高的产率。由该方法制备的复合材料，由于纳米陶瓷颗粒在金属球形粉末表面均匀分布，有利于提高粉末的导热性以及对激光的吸收率，从而有效提高金属激光增材制造的效率。

技术领域

本发明属于材料技术领域，具体涉及一种三维打印用球形金属基纳米陶瓷复合材料的制备方法及产品。

背景技术

随着航空航天、国防军工等领域对轻质、高强高硬、高导热、高耐磨等合金材料的需求愈加强烈，金属基纳米陶瓷复合材料的设计与制备已成为国内外研究的热点。借助纳米陶瓷颗粒(常用的纳米陶瓷包括Al₂O₃、TiC、TiB₂、SiC、SiO₂等)增强获得的金属基复合材料可显著提高传统合金材料的力学性能，已经被广泛研究并在实际工程中获得应用。

目前，金属基纳米陶瓷复合材料主要通过原位生成、粉末冶金、搅拌铸造等传统工艺制备，但是对于单件、大型件和复杂结构件的制造时，这些工艺制造周期长、成本高，技术难度大，且难以实现具有复杂结构的复合材料结构件的一体化制造。

激光选区熔化成形(Selective Laser Melting，SLM)是国际上先进的金属材料复杂结构零部件成型工艺，其主要利用激光根据规划路径单点扫描，分层铺粉，逐层叠加的方式实现金属结构的“净成形”。目前，利用该技术已经实现了钛合金、铝合金、不锈钢等多种金属复杂结构件的直接制造，并且在航空航天、生物医疗植入体等方面获得重要应用。因此，将金属基纳米陶瓷复合材料与SLM成型工艺相结合，能够很好地实现以具有高强、高硬、高耐磨性等优异力学性能的金属基纳米陶瓷复合材料为原料的复杂结构件的快速成型。但是，目前国内外对以金属基纳米陶瓷复合材料为原料的激光增材制造工艺研究相对较少，其中，南京航空航天大学顾冬冬等人主要以球磨的方法制备金属基纳米陶瓷复合粉末为原料，利用SLM技术进行成型，然而，纳米陶瓷颗粒之间因强烈的范德瓦尔力以及极大的表面张力而极易团聚，依靠传统球磨等机械力混合的方式很难使纳米陶瓷颗粒在合金粉体中均匀分散，纳米颗粒的团聚易导致局部应力集中，从而在加载过程中成为裂纹源。上海交通大学王浩伟等人主要采用混合盐法，通过原位反应制备金属基纳米陶瓷复合材料，再利用气雾化装置制备球形的复合粉末并进行SLM成型，这种方法虽解决了纳米陶瓷颗粒的团聚问题，但材料适应性有限，并非所有金属基纳米陶瓷复合材料均可通过此法制备。

因此，急需一种适应性好，不易团聚，粒径分布均匀的能适用于SLM成型的金属基纳米

陶瓷复合材料的制备方法。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的之一在于提供一种三维打印用球形金属基纳米陶瓷复合材料的制备方法；目的之二在于提供一种三维打印用球形金属基纳米陶瓷复合材料。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

1、一种三维打印用球形金属基纳米陶瓷复合材料的制备方法，所述方法包括如下步骤：

(1)将金属原料熔化后去除杂质，获得金属液；

(2)将步骤(1)中获得的金属液通过具有螺旋结构的压力旋流导流管，形成具有椎体结构的旋转金属液膜，同步开启环列式高压气体喷嘴向所述旋转金属液膜内喷入掺杂有纳米陶瓷颗粒的高压气体，从而形成所述纳米陶瓷颗粒在金属球形粉末表面均匀分布的球形金属基纳米陶瓷复合材料。