一種基于激光3d打印形成的鋁基原位復(fù)合材料及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及顆粒增強(qiáng)鋁基原位復(fù)合材料技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于激光3D打 印形成的鋁基原位復(fù)合材料及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 鋁及其合金材料具有密度輕、彈性好、比剛度和比強(qiáng)度高、抗沖擊性好、導(dǎo)電導(dǎo)熱 性好，良好的成型加工性能以及高的回收再生性等一系列優(yōu)良特性，被認(rèn)為是"朝陽材料"， 現(xiàn)已被廣泛用于交通運(yùn)輸、航空航天、礦物加工等領(lǐng)域。但鋁及其合金均存在硬度低、耐磨 性差等問題，這些問題很大程度地限制了鋁及其合金的應(yīng)用，并且成為鋁合金領(lǐng)域研究發(fā) 展的瓶頸問題。
[0003] 為了解決上述問題，現(xiàn)通常采取的技術(shù)手段為在鋁合金中添加陶瓷顆粒，形成顆 粒增強(qiáng)鋁基原位復(fù)合材料，采用這種方法所得到的顆粒增強(qiáng)鋁基原位復(fù)合材料具備較高的 硬度、較低的密度、較高的強(qiáng)度和較好的耐磨性，以及好的耐高溫性能和好的耐磨性等一系 列優(yōu)良性能。因此，通過添加陶瓷顆粒復(fù)合化是目前解決鋁合金性能方面不足的較佳途徑。
[0004] 但在鋁合金中添加陶瓷顆粒制備鋁基原位復(fù)合材料所采取的技術(shù)手段為鑄造、粉 末冶金、噴涂等，這些技術(shù)手段多采用外加法，且工藝復(fù)雜，成本高。雖然能制備出致密度較 高的鋁基原位復(fù)合材料，但也會存在如下問題如：這類加工方法的過冷度較小，所制備得到 增強(qiáng)相晶粒發(fā)生粗化、團(tuán)聚，造成材料內(nèi)部存在缺陷，材料的力學(xué)性能差；另外采用外加法 制備鋁基原位復(fù)合材料，在加工過程中溫度較低，陶瓷增強(qiáng)相與鋁基體之間的濕潤性較差， 界面結(jié)合強(qiáng)度較低。而顆粒增強(qiáng)鋁基原位復(fù)合材料的力學(xué)性能卻主要取決于陶瓷增強(qiáng)相與 鋁基體之間的濕潤性、增強(qiáng)相和鋁基體的界面結(jié)合強(qiáng)度。
[0005] 因此，現(xiàn)有的鋁基原位復(fù)合材料，以及現(xiàn)有制備鋁基原位復(fù)合材料的技術(shù)手段均 不能有效地提高鋁合金的強(qiáng)度、耐磨性等力學(xué)性能。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 為解決上述傳統(tǒng)加工方法存在的不足，實(shí)現(xiàn)更有效地提高鋁基原位復(fù)合材料的綜 合力學(xué)性能，本發(fā)明提供了一種基于激光3D打印形成的鋁基原位復(fù)合材料及其制備方法。
[0007] 本發(fā)明的目的之一是提供一種基于激光3D打印形成的鋁基原位復(fù)合材料，所述 鋁基原位復(fù)合材料包括A1基體與分散于A1基體上的Al2Si4〇i。增強(qiáng)相。
[0008] 作為本發(fā)明優(yōu)選的技術(shù)方案，所述鋁基原位復(fù)合材料呈現(xiàn)為半核殼式結(jié)構(gòu)，包括 內(nèi)核和外殼。
[0009] 作為本發(fā)明優(yōu)選的技術(shù)方案，所述內(nèi)核中A1基體的平均粒度和外殼中A1基體的 平均粒度的比值范圍為：〇. 44-0. 86。
[0010] 作為本發(fā)明優(yōu)選的技術(shù)方案，所述鋁基原位復(fù)合材料是Al-Si-Mg合金粉末和 A1203粉末的混合料通過3D激光打印工藝而生成；其中，Al-Si-Mg合金粉末的各組成成分 及質(zhì)量百分含量為7-9. 2%的Si，0. 2-0. 48%的Mg，〈0. 1%的其他雜質(zhì)元素，余量為A1。 [0011] 本發(fā)明的另一目的在于提供一種基于激光3D打印形成的鋁基原位復(fù)合材料的制 備方法，包括： 配備原料，所述原料為：質(zhì)量分?jǐn)?shù)比為（4-7):1的Al-Si-Mg合金粉末和A1203粉末的混 合料； 球磨，將混合料采用間歇式球磨工藝進(jìn)行球磨，采用A1203陶瓷球?yàn)榍蚰ソ橘|(zhì)，每球磨 10-30 min空冷5-10 min，球磨至混合料的粒徑為1-10 um; 激光成型，A、建立工件的三維CAD模型，并對該三維CAD模型進(jìn)行分層切片處理，每層 的厚度為50~90 μ m ;B、根據(jù)工件的三維CAD模型，將經(jīng)過球磨處理的混合料均勻鋪放在成 型缸基板上，且鋪粉厚度與切片厚度相同；C、采用激光功率為100~150 W的激光束逐行掃 描所鋪粉末形成工件的一個二維截面；D、成形缸活塞下降，直至成形缸行程等于粉層厚度， 而供粉缸活塞以二倍粉層厚度距離上升，鋪粉裝置再次鋪粉；E、重復(fù)上述B、C兩步驟，直至 三維塊體加工完畢，即可形成在A1基體上分散有Al2Si4〇i。增強(qiáng)相的鋁基原位復(fù)合材料。
[0012] 作為本發(fā)明優(yōu)選的技術(shù)方案，所述Al-Si-Mg合金粉末的平均粒徑在30 um，純度 為99. 7%及以上，A1203粉末的平均粒徑為5 um，純度為99. 5%及以上。
[0013] 作為本發(fā)明優(yōu)選的技術(shù)方案，所述間歇式球磨的球磨介質(zhì)與混合料的重量比為 5:1~10:1 ;所述間歇式球磨的磨球的轉(zhuǎn)速為300~400 r/min，球磨時間3_9h。
[0014] 作為本發(fā)明優(yōu)選的技術(shù)方案，所述A1203陶瓷球的直徑為Φ8~10 mm。
[0015] 作為本發(fā)明優(yōu)選的技術(shù)方案，所述激光3D打印的光斑直徑為60~100 μ m，掃描速 度為400~700 mm/s，掃描間距為50~80 μπι;所述激光3D打印的分層切片厚度優(yōu)選為50 um ;所述激光3D打印的激光功率優(yōu)選為140 W。
[0016] 作為本發(fā)明優(yōu)選的技術(shù)方案，所述激光3D打印是在氬氣保護(hù)氣氛下進(jìn)行的；所述 氬氣出氣壓力為1~5 KPa。
[0017] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)： 1、本發(fā)明提供的鋁基原位復(fù)合材料呈半核殼式結(jié)構(gòu)，其內(nèi)核與外殼均包括A1基體與 分散于A1基體上的Al2Si4〇i。增強(qiáng)相，這種相結(jié)構(gòu)使得鋁基原位復(fù)合材料具有較高的的硬 度，并且可承受較大的負(fù)載；其中外殼的晶粒大于內(nèi)核的晶粒，外殼的韌性較高，外殼與外 殼之間可在相鄰半核殼式結(jié)構(gòu)中起到緩沖帶的作用，進(jìn)而大幅減小材料應(yīng)力集中及阻止裂 紋擴(kuò)展；這種內(nèi)硬外韌的半核殼式結(jié)構(gòu)的鋁基原位復(fù)合材料具有優(yōu)異的綜合力學(xué)性能。
[0018] 2、本發(fā)明提供的鋁基原位復(fù)合材料是通過激光熔融重新成型，并非是直接添加硬 質(zhì)相，所得的鋁基原位復(fù)合材料內(nèi)部相與相之間的潤濕性、界面強(qiáng)度都較現(xiàn)有技術(shù)所得到 的鋁基原位復(fù)合材料高，進(jìn)而鋁基原位復(fù)合材料的整體力學(xué)性能得到提高，同時也跨過鋁 合金發(fā)展的一個瓶頸。
[0019] 3、本發(fā)明提供的鋁基原位復(fù)合材料的制備方法操作簡便，可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜零件的激 光凈成形或近凈成形，滿足實(shí)際應(yīng)用要求；激光加工過程是基于完全熔化/凝固機(jī)制，過 冷度很大，可以制備出晶粒顯著細(xì)化的組織，從而提高材料的力學(xué)性能；激光成形過程中， Al-Si-Mg合金和A1203在高能激光作用下原位生成A1 。增強(qiáng)相；所得的錯基原位復(fù)合 材料，界面濕潤性得到很大程度地提高，材料本身也具有較高的界面強(qiáng)度。
[0020] 4、選用Al-Si-Mg合金，在3D激光打印成型的過程中，Mg元素能夠輔助促進(jìn)金屬 和陶瓷的濕潤性、降低界面能、減小接觸角；但Mg質(zhì)量百分含量控制在0. 2-0. 48%，使得3D 打印過程中形成更多的硬質(zhì)相為Al2SiA。增強(qiáng)相，而非Mg 2Si。
[0021] 說明書附圖 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】作進(jìn)一步詳細(xì)的說明。
[0022] 圖1為本發(fā)明一種基于激光3D打印形成的鋁基原位復(fù)合材料的制備方法的工藝 流程示意圖； 圖2為本發(fā)明制得的鋁基原位復(fù)合材料的200倍下的顯微形貌圖； 圖3為本發(fā)明制得的鋁基原位復(fù)合材料的核殼式結(jié)構(gòu)的形成過程示意圖； 圖4為本發(fā)明制得的鋁基原位復(fù)合材料的半核殼式結(jié)構(gòu)的2000倍下的掃描電鏡圖； 圖5為2000倍顯微鏡下觀察的成型后的鋁基原位復(fù)合材料的半核殼結(jié)構(gòu)的相以及相 形貌、大小的不意圖； 圖6為本發(fā)明實(shí)施例1制得的鋁基原位復(fù)合材料的XRD圖譜； 圖