CN104226980B - 增强金属粉体材料激光能量吸收效率的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了增强金属粉体材料激光能量吸收效率的方法：首先取金属粉体和碳材料并对碳材料进行纯化，然后将金属粉体和纯化的碳材料混合均匀，接着气雾化处理金属粉体和碳材料混合物得金属/碳复合材料，最后球磨处理气雾化所得金属/碳复合材料；其中，碳材料为碳纳米管、石墨烯、石墨或炭黑，其重量为总重的0.5％～10％。本发明向金属粉体中添加碳材料粉，并先后使用气雾化和球磨工艺进行处理，最终制得的粉体材料粒径均匀、球形度高、激光吸收率可达70％，可以大幅提高其激光加工效率和成型件力学性能，并降低制造成本。

Description

增强金属粉体材料激光能量吸收效率的方法
技术领域
本发明属于三维制造技术领域，涉及增强金属粉体材料激光能量吸收效率的方法。
背景技术
激光加工技术具有加工能力强、效率高、易实现柔性加工、节省材料的优点；激光加工的过程主要表现为待加工材料吸收激光能量并将该能量转化为热能；因此，材料对激光能量的吸收效率对激光加工过程起决定性影响。金属是常见的激光加工材料，但是受自身性能的限制，激光在金属材料表面产生强烈的反射，带走绝大部分能量(激光在金属材料表面的电场形成驻波波节，自由电子受到光波电磁场的强迫振动而产生次波，这些次波产生强烈的反射波，导致能量丧失)；这对长波段激光尤为明显(长波段下，光子能量较低，主要对金属中的自由电子起作用，几乎是全反射的，只有少量的吸收)。
为增强金属表面激光吸收效率，普遍的做法是在金属材料表面涂覆一层电阻率高、自由电子少的涂料。但是，这种方法容易引入杂质，对涂层表面平整度及厚度均匀性有较高的要求，且难以用于金属粉体材料。
随着激光快速成形技术的发展，利用高能量激光束将金属粉末逐层熔化并成形为金属零件的激光快速成型技术获得国内外学者广泛关注。因此，开发一种提高金属粉末激光能量吸收率的新方法成为一种迫切需要。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种增强金属粉体材料激光能量吸收效率的方法。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
增强金属粉体材料激光能量吸收效率的方法，包括：
Stp1：取金属粉体和碳材料并混合均匀；
Stp2：气雾化处理Stp1的金属粉体与碳材料混合物得到金属/碳复合材料；
Stp3：球磨处理Stp2气雾化所得金属/碳材料复合材料。
进一步，Stp1混合金属粉体和碳材料前还包括将碳材料加入浓H2S04/HNO3混酸中进行纯化的步骤。
进一步，Stp1混合金属粉体和碳材料时，首先将碳材料加入乙醇溶液中进行超声波分散，然后向其中加入金属粉体并进行磁力搅拌，最后干燥得到混合均匀的金属粉体与碳材料混合物。
进一步，Stp1的金属粉体粒径为20μm～150μm，碳材料粒径为10nm～1μm。
进一步，Stp1碳材料重量为总重的0.5％～10％。
进一步，Stp1金属粉体为铝合金粉、镁合金粉、钛合金粉、不锈钢粉、钨合金粉、镍基合金粉、钴铬合金粉或铜粉中的一种或多种。
进一步，Stp1碳材料为碳纳米管、石墨烯、石墨或炭黑中的一种或多种。
进一步，Stp2气雾化处理时气体压力0.1MPa～2MPa，熔化温度1000℃～3600℃，气流速度0.1m/s～10m/s。
进一步，Stp3球磨处理时转速300～800rpm，球磨时间0.5～12h，球料比10:1。
本发明的有益效果在于：
本发明增强金属粉体材料激光能量吸收效率的方法，通过向金属粉体中添加碳材料粉，并先后使用气雾化和球磨工艺进行处理，最终制得的粉体材料粒径均匀、球形度高、激光吸收率可达70％(可见-红外光范围内)；可以大幅提高其激光加工效率和成型件力学性能，并降低制造成本。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：
图1为实施例1的工艺流程图。
具体实施方式
下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。
实施例1：
本实施例增强金属粉体材料激光能量吸收效率的方法如图1所示，包括以下步骤：
1)选取99.5份镁合金粉和0.5份碳纳米管粉体；
本步骤所选镁合金粉体粒径为25μm，碳纳米管管壁外径20～30nm，长度为20～30μm，纯度>99.9％；
2)将步骤1)所选碳纳米管加入浓H2S04/HNO3混酸中(体积比3:l)，纯化处理30min，接着对碳材料进行酸洗并用去离子水清洗2～3遍；
3)将步骤2)纯化处理后的碳纳米管粉体加入乙醇溶液中超声处理60min去除其中的碳纳米管粉体中的金属铁等杂质，接着将步骤1)所选镁合金粉加入乙醇溶液进行磁力搅拌混粉(控制混粉时间为4h，磁子转速为30r·min-1)，最后在70℃对磁力搅拌所得粉体进行干燥即得到混合均匀的碳纳米管和镁合金混合物；
4)将步骤3)的混合物加入气雾化装置制备镁合金/碳纳米管复合材料；
本实施例中，雾化气体为氩气，气体压力2MPa，熔化温度1000℃，气流速度1.0m/s；
5)利用高性能球磨装置对步骤4)所得镁合金/碳纳米管复合材料进行球磨化处理；
本实施例中，球磨时转速400rpm，球磨时间6h，球料比10:1；
实施例2：本实施例增强金属粉体材料激光能量吸收效率的方法，包括以下步骤：
1)选取99份铝合金粉和1份石墨烯粉体；
本步骤所选铝合金粉粒径为35μm，石墨烯片层厚度1～50nm，片层宽度0.1～1μm；
2)将步骤1)所选石墨烯粉加入浓H2S04/HNO3混酸中(体积比3:l)，纯化处理30min，接着对石墨烯粉进行酸洗并用去离子水清洗2～3遍；
3)将步骤2)纯化处理后的石墨烯粉加入乙醇溶液中超声处理60min去除其中的杂质，接着将步骤1)所选铝合金粉加入乙醇溶液进行磁力搅拌混粉(控制混粉时间为4h，磁子转速为30r·min-1)，最后在70℃对磁力搅拌所得粉体进行干燥即得到混合均匀的石墨烯和铝合金混合物；
4)将步骤3)的混合物加入气雾化装置制备铝合金/石墨烯复合材料；
本实施例中，雾化气体为氩气，气体压力2MPa，熔化温度1200℃，气流速度2.0m/s；
5)利用高性能球磨装置对步骤4)所得铝合金/石墨烯复合材料进行球磨化处理；
本实施例中，球磨时转速600rpm，球磨时间8h，球料比10:1。
实施例3：
本实施例增强金属粉体材料激光能量吸收效率的方法，包括以下步骤：
1)选取98份铜粉和2份石墨粉；
本步骤所选铜粉粒径为50μm，石墨粉粒径为100nm；
2)将步骤1)所选石墨粉加入浓H2S04/HNO3混酸中(体积比3:l)，纯化处理30min，接着对石墨粉进行酸洗并用去离子水清洗2～3遍；
3)将步骤2)纯化处理后的石墨粉加入乙醇溶液中超声处理60min去除其中的杂质，接着将步骤1)所选铜粉加入乙醇溶液进行磁力搅拌混粉(控制混粉时间为4h，磁子转速为30r·min-1)，最后在70℃对磁力搅拌所得粉体进行干燥即得到混合均匀的石墨和铜粉混合物；
4)将步骤3)的混合物加入气雾化装置制备铜/石墨复合材料；
本实施例中，雾化气体为氩气，气体压力2MPa，熔化温度1500℃，气流速度4.0m/s；
5)利用高性能球磨装置对步骤4)所得铜/石墨复合材料进行球磨化处理；
本实施例中，球磨时转速800rpm，球磨时间12h，球料比10:1。
对上述实施例所制得的复合粉体材料进行性能检测，结果如表1所示：
表1各实施例所得复合粉体材料性能测试
实施例 平均粒径 球形度 激光吸收率
实施例1 25μm ＞95％ 75％
实施例2 35μm ＞95％ 74％
实施例3 50μm ＞95％ 70％
由上表可以看出，采用本发明方法制得的复合粉体材料粒径均匀、球形度高，激光吸收率明显高于70％，可以大幅提高其激光加工效率和成型件力学性能，并降低制造成本。
需要说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。事实上，其他金属粉体如钛合金粉、不锈钢粉、钨合金粉、镍基合金粉、钴铬合金粉采用本发明工艺处理后激光吸收率也得到明显提高；碳材料含量也不限于上述实施例所公开的数值，当碳材料含量为0.5％～10％时均可增强复合粉体材料的激光吸收能力，特别的，碳材料含量为0.5％～5％时效果尤为显著；另外，气雾化处理时气体压力0.1MPa～2MPa，熔化温度1000℃～3600℃，气流速度0.1m/s～10m/s；球磨处理时转速300～800rpm，球磨时间0.5～12h，球料比10:1均可以实现本发明的目标。
最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。

Claims (8)

1.增强金属粉体材料激光能量吸收效率的方法，其特征在于，包括：
Stp1：取金属粉体和碳材料并混合均匀；
Stp2：气雾化处理Stp1的金属粉体与碳材料混合物得到金属/碳复合材料，气雾化处理时气体压力0.1MPa～2MPa，熔化温度1000℃～3600℃，气流速度0.1m/s～10m/s；
Stp3：球磨处理Stp2气雾化所得金属/碳复合材料。
2.根据权利要求1所述增强金属粉体材料激光能量吸收效率的方法，其特征在于：Stp1混合金属粉体和碳材料前还包括将碳材料加入浓H2S04和浓HNO3混酸中进行纯化的步骤。
3.根据权利要求1所述增强金属粉体材料激光能量吸收效率的方法，其特征在于：Stp1混合金属粉体和碳材料时，首先将碳材料加入乙醇溶液中进行超声波分散，然后向其中加入金属粉体并进行磁力搅拌，最后干燥得到混合均匀的金属粉体与碳材料混合物。
4.根据权利要求1所述增强金属粉体材料激光能量吸收效率的方法，其特征在于：Stp1的金属粉体粒径为20μm～150μm，碳材料粒径为10nm～1μm。
5.根据权利要求1所述增强金属粉体材料激光能量吸收效率的方法，其特征在于：Stp1碳材料重量为总重的0.5％～10％。
6.根据权利要求1所述增强金属粉体材料激光能量吸收效率的方法，其特征在于：Stp1金属粉体为铝合金粉、镁合金粉、钛合金粉、不锈钢粉、钨合金粉、镍基合金粉、钴铬合金粉或铜粉中的一种或多种。
7.根据权利要求1所述增强金属粉体材料激光能量吸收效率的方法，其特征在于：Stp1碳材料为碳纳米管、石墨烯、石墨或炭黑中的一种或多种。
8.根据权利要求1所述增强金属粉体材料激光能量吸收效率的方法，其特征在于：Stp3球磨处理时转速300～800rpm，球磨时间0.5～12h，球料比10:1。
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