[发明专利]一种铝金属复合粉末及利用该粉末制备的激光增材

说明书

本发明公开了一种铝金属复合粉末及利用该粉末制备的激光增材，激光增材所用的铝金属复合粉末以铝合金粉末为基体，添加纳米氧化物陶瓷颗粒，诱导激光熔池凝固过程中铝合金柱状晶组织向等轴晶组织转变，能够有效降低或避免由于凝固收缩导致的空隙和裂纹缺陷，成型后的激光增材致密度可大于等于99％。激光增材还具有空隙和裂纹缺陷少、各向异性低、力学强度高以及加工性能好的特点，显著改善铝合金激光增材制造零部件的综合性能，且具有工艺简单、成本低等优点，适于工业推广。

技术领域

本发明涉及增材制备技术领域，具体涉及一种铝金属复合粉末及利用该粉末制备的激光增材。

背景技术

铝基金属材料，由于具有密度低、比强度高、耐腐蚀以及高导热等结构与功能特性，已经广泛应用于航空、航天、交通及能源等领域。但随着应用领域成本及技术要求的发展，传统的锻造、挤压及车、铣等加工技术，已经难以满足铝金属零部件的复杂精细结构及多功能应用的需求，迫切需要发展新的高效低成本的精细加工技术。激光粉末增材制造技术，包括激光粉末床与激光送粉工艺，根据零部件三维实体数字模型，直接以金属粉末为原料，在激光作用下逐层熔化、累加沉积，直接实现零部件自下而上的加工成型。作为一种革命性的金属成型加工技术，激光粉末增材制造技术应用于铝金属，能够同时兼顾零部件的复杂形状与快速成型，受到航空航天等高端制造领域的关注和青睐。

但是，由于铝的高激光反射、高导热及高热膨胀等特点，铝合金在激光增材制造过程中容易形成裂纹等缺陷。激光作用下的高温度梯度，极易引发铝合金熔池凝固过程中的柱状晶生长，柱状晶在温度降低过程中发生大的凝固收缩，由于液相金属不能及时补缩而导致凝固孔洞发生并沿柱状晶晶界进一步发展为凝固裂纹。因此，目前能够实际应用的激光粉末增材制造铝合金主要是一些具有高流动性的AlSi10Mg、AlSi12高Si铝合金，对于高性能2xxx、5xxx、6xxx及7xxx Al等高端领域应用铝合金，由于其较大的固液凝固区间而引发严重的凝固开裂等制造缺陷，严重限制了高性能铝合金激光增材制造零部件的应用和推广。

近年来，国内外研究者发现，抑制激光增材制造过程中的柱状晶生长是避免和消除铝合金凝固开裂缺陷的有效手段。纳米粒子的引入，不仅促进铝合金在SLM(选择性激光熔化，Selective laser melting)熔池凝固过程中柱状晶组织向等轴晶转变，且纳米粒子还能强化合金基体带来成型材料力学性能的提高。但随着添加粒子尺寸降低，颗粒比表面积增加、及分子作用力，且由于纳米陶瓷相粒子多与铝金属浸润差，导致纳米粒子在熔池凝固过程中极容易团聚，最终难以有效发挥熔池凝固组织的改善调节作用，甚至增加成型材料的孔洞、裂纹等缺陷发生几率。因此，现有绝大多数通过纳米陶瓷相的添加获得复合粉末，并不能有效解决铝金属熔池凝固过程中的开裂问题，难以实现高性能铝金属材料的激光粉末增材制造的工业应用。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明的目的之一在于提供一种铝金属复合粉末，该粉末用于制备激光增材，可以克服熔池凝固过程中的成型开裂问题，降低激光增材的凝固空隙和裂纹缺陷。

本发明的目的之二在于提供一种利用该粉末通过激光粉末增材制造技术制备得到的具有凝固空隙和裂纹缺陷少、各向异性低及力学性能好的激光增材，该激光增材制备的零部件可以应用在航空航天等高技术领域。

本发明的目的之一采用如下技术方案实现：

一种铝金属复合粉末，以铝合金粉末为基体，在铝合金粉末的表面均匀分布有纳米氧化物陶瓷颗粒，纳米氧化物陶瓷颗粒的质量百分比为0.2％～5wt％；纳米氧化物陶瓷颗粒为ZrO₂、TiO₂、Fe₂O₃、WO₃、Nb₂O₅和MoO₃中的一种或几种。以铝合金粉末作为基体，再引入纳米氧化物陶瓷颗粒，不仅促进铝合金在SLM熔池凝固过程中柱状晶组织向等轴晶转变，且纳米氧化物陶瓷颗粒还能强化铝合金基体，带来成型材料力学性能的提高。