[发明专利]丝材低压等离子雾化装置和3D打印高强铝合金粉末的制备方法

说明书

本发明提供了丝材低压等离子雾化装置和3D打印高强铝合金粉末的制备方法，涉及3D打印铝合金技术领域。具体包括将丝材铝合金送入三束等离子射流的汇聚中心，丝材铝合金在高焓的等离子射流加热条件下熔化为铝合金液，随后被超音速射流雾化破碎为铝合金液滴，同时将混合反应气体通入等离子射流中，反应生成的固体产物在雾化破碎的铝合金液滴表面形核生长，冷却凝固形成复合铝合金粉末。该制备方法针对现有3D打印高强铝合金粉末的VIGA制备工艺不足，制备出的复合粉末几乎不含卫星球，提高了粉末的流动性，也不含空心粉缺陷，有利于提高打印制品的致密度。

技术领域

本发明涉及3D打印铝合金技术领域，具体而言，涉及丝材低压等离子雾化装置和3D打印高强铝合金粉末的制备方法。

背景技术

铝合金材料因其具有密度轻、弹性好、比刚度和比强度高、耐磨耐腐蚀性好、抗冲击性好、导电导热性好、良好的成型加工性能以及高的回收再生等一系列优良特性，而在航空、航天、汽车、机械制造、船舶及化学工业中被大量使用。

3D打印技术，即增材制造，相对于传统的减材工艺，是一种通过材料的不断累加实现零部件制备的成型技术。它融合了计算机辅助设计、材料加工与成形技术，以数字模型文件为基础，通过软件与数控系统将被打印材料，按照逐层堆积的方式，实现零部件的制备。随着3D打印技术的发展，铝合金零部件也越来越多的被增材工艺制造，尤其对于一些航空航天领域关键部件的高效低成本制备，以及部分损坏部件的还原修复。但是，目前适合3D打印的铝合金粉末材料种类有限，仍然存在大量的高性能材料不能通过增材工艺制备。

目前，3D打印铝合金粉末是通过真空感应惰性气体雾化(Vacuum Induction GasAtomization,VIGA)方法制备。VIGA工艺原理是真空感应加热熔炼，熔融液体在通过导流管后在环缝式紧耦合喷嘴出口处的超音速射流撞击作用下，雾化破碎，形成的小液滴在表面张力作用下球化，冷却凝固形成球形粉末。

采用VIGA工艺制备的铝合金粉末，比如AlSi10Mg材料，打印组织良好，经过去应力退火后，打印样品的屈服强度为100－200MPa(Trevisan，F.，etal.2017.Martin，J.H.，etal.2017)；为了进一步提高其强度水平，通常将陶瓷氧化物颗粒或以长短纤维(Al₂O₃，ZrO₂)，碳化物(B₄C，TiC，SiC晶须)，氮化物(BN，AlN，TiN)，硼化物(ZrB₂，TiB₂)或石墨加入到铝合金。随着增强相尺寸的降低，金属基复合材料的强度和韧性呈现增加的趋势。学者Gu(Gu，D.，etal.2015)通过行星球磨的方法将纳米TiC颗粒和铝合金AlSi10Mg粉末进行机械混合，得到陶瓷颗粒相在铝合金粉末表面均匀分布的复合粉末，当激光打印功率密度为700J/m时，选区激光熔覆SLM工艺制备的试样显示了较高的硬度值和较低的摩擦系数和磨损，这主要归咎于纳米TiC颗粒在打印试样中的弥散分布。

对于高强铝合金材料，比如6061和7075铝合金，仍然打印困难，打印样品中含有较多的裂纹和孔隙，导致打印样品的力学性能较差，甚至没有力学性能。美国HRL实验室Martin等采用纳米颗粒改性这类难打印的高强铝合金粉末，通过形核剂的添加，改变其熔池凝固行为，使其由粗大的柱晶组织转变为等轴晶组织，解决了在凝固过程中在粗大柱晶之间由于液体的不完全补缩并在随后的冷却拉应力作用下引起开裂的问题，实现了高强铝合金6061和7075的打印(Martin，J.H.，etal.2017)。通过添加形核剂来改变熔池凝固组织的方法同样适合于高体积分数γ｀镍基高温合金材料，尤其针对发动机热端铸造部件的成形或修复领域。但是，如何实现高强铝合金粉末中形核剂的高效添加仍然存在瓶颈。