[发明专利]一种微纳结构的高活性球形铝合金及其制备方法和应用

说明书

本发明提供一种微纳结构的高活性球形铝合金及其制备方法和应用。本发明通过对反应溶剂的筛选，配合冷冻干燥工艺，可以实现通过静电自组装工艺在高活性的铝合金球体表面负载纳米活性颗粒，纳米活性粒子通过范德华力原位、均匀且定量地包裹在微米金属球表面，实现了铝合金粉末的个性化定制化制备，使铝合金具有更高的球形度和流动性，满足增材制造技术对原料的性能要求，使其可以广泛应用于增材制造技术领域中，尤其适用于激光3D打印中。

技术领域

本发明涉及合金材料技术领域，尤其是一种微纳结构的高活性球形铝合金及其制备方法和应用。

背景技术

具有优异机械性能的轻质高强、多功能先进金属结构材料可满足结构轻量化和结构-功能一体化设计需求，是航空航天、汽车制造、电子电器及国防军工等领域发展不可替代的关键基础材料。为减轻结构件整体重量，进一步提升材料的综合性能，常需要进行轻质、高强铝合金材料的研发及试制，但需对组成元素的物理性能进行详细理论计算及充分优化后再对一种新材料进行开发的方法，往往耗时耗力，且需要复杂后热处理的流程才可能达到目标材料的性能。如中国专利CN105483455A公开了一种高强高导的铝合金材料以及其热处理工艺，为保证铝合金材料具有极佳的机械和物理性能，发明人对该专利中的铝合金材料中添加了Sc、Er等稀土元素，以提升其机械强度。之后，其对该铝合金材料先进行固溶处理后，又对固溶合金进行了超长时间的时效处理(144小时)，才可达到强硬度高且电导率好的目的，后处理工艺复杂繁琐且耗时耗力。

因此，为了更好地解决上述问题，研究人员使用增材制造技术(又称3D打印技术)进行了多种铝合金、金属基铝合金材料的开发工作，如中国专利CN104759625A公开了一种使用机械球磨法对多种单质粉末进行混合后，再进行激光3D打印的方法，得到了可以快速一体化成形高性能铝合金的制备方法。尽管该方法可以制得具有复杂结构的铝合金件，但在使用球磨混粉时，微纳米颗粒是通过机械混合的外加引入法进入到金属基体粉末中的，在长时间的球磨过程中不仅会造成粉末变形、球形度下降等问题，而且在纳米颗粒/金属粉末混合时容易发生纳米颗粒团聚现象。在降低粉末流动性的同时，也造成了高硬微/纳米颗粒在后续成形件中的偏聚效应，影响强化相/基体间的结合质量，进而导致裂纹产生，降低材料的机械性能。此外，传统的机械混粉方式仅适用于将惰性的微纳米陶瓷颗粒与目标强化金属进行混合，而将高活性纳米颗粒(如：Al、Ti、Cu、C、Si等纳米粒子)与活性铝合金粉末材料进行球磨时，一方面由于其硬度相对较低，容易造成粉末变形，冷焊在球磨罐中，导致其难以从罐中取出，且取出的粉末因表面活性颗粒氧化，无法用于后续的增材制造等过程；另一方面由于微纳活性粒子的活性较高，在混粉过程中极易出现自燃，甚至爆炸等现象。

因此，如何开发适用于增材制造技术的高流动性、易制备且球形度高的铝合金粉末，以进一步获得用该类粉末开发的高性能增材制造铝合金零件成为了当下亟需攻克的“卡脖子”难题。

发明内容

基于此，本发明的目的在于，针对增材制造用高活性球形铝合金粉体材料表面原位掺杂其他高活性纳米颗粒困难、处理工艺复杂、耗时长的问题，提供一种快速制备微纳结构的高活性球形铝合金的制备方法。

本发明的另一目的在于，提供由所述制备方法制备得到的微纳结构的高活性球形铝合金。

本发明的另一目的在于，提供所述微纳结构的高活性球形铝合金在增材制造技术领域中的应用。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种微纳结构的高活性球形铝合金的制备方法，包括如下步骤：

S1.使用离子表面活性剂对前处理后的微米级铝合金球形粉末和纳米级活性颗粒进行改性，使得到的改性微米级铝合金球形粉末和改性纳米级活性颗粒分别带上不同种类的电荷；

S2.将改性微米级铝合金球形粉末以及改性纳米级活性颗粒分别分散到反应溶剂中，得到改性微米级铝合金球形粉末的溶液A和含有改性纳米级活性颗粒的溶液B，将溶液A和溶液B混合均匀后，沉淀后得到高活性球形铝合金粗产物；