CN107574338A - 一种用于增材制造的铝基复合粉体材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于增材制造的铝基复合粉体材料，按照重量百分比包括以下原料组分：13～20％的纳米SiC粉末，其余为AlSi10Mg粉末，上述各组份重量百分比之和为100％。其制备方法为：步骤1，称取以下经过抽真空密封保存的原料组分13～20％的纳米SiC粉末，其余为AlSi10Mg粉末；步骤2，将步骤1称取的AlSi10Mg粉末及纳米SiC粉末进行烘干处理；步骤3，将步骤2烘干后的AlSi10Mg粉末及纳米SiC粉末加入球磨机中进行球磨、混料，得到铝基复合粉体材料。本发明制备的复合材料提高了基体的力学性能性能，其制备方法，解决了纳米增强相颗粒在基体中分布不均匀的技术问题。

Description

一种用于增材制造的铝基复合粉体材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及金属粉末材料技术领域，具体地涉及一种用于增材制造的铝基复合粉体材料，本发明还涉及一种用于增材制造的铝基复合粉体材料的制备方法。
背景技术
金属基复合材料不但能够保持金属基体材料的优良性能，在添加增强颗粒后，还具有其它基体所不具备的性能，如，更高的拉伸性能，良好的耐磨性，KIC及更低的裂纹扩展速率等。目前最典型的应用就是Al基复合材料。
纳米SiC颗粒增强的Al基复合材料具有密度低、强度高、塑性好，较高的耐高温和耐磨性等特点，其易于加工且成本低，应用于航空航天及汽车制造领域，极具潜力。传统的制备方法是通过粉末混合后进行热压烧结或热等静压成形，主要有两方面缺点：第一，粉末混合不均匀，或混合后热压烧结过程中产生增强颗粒粉末团聚等，尺寸过大的增强相不但不会起到强化作用，反而大大降低基体性能；第二，使用热压烧结或热等静压成形，难以成形复杂形状工件，且热变形难以控制，尺寸精度无法保证，对于内部型腔复杂的零件更是无法成形与加工；以上两种缺点极大的限制了纳米SiC颗粒增强Al基复合材料的应用。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于增材制造的铝基复合粉体材料，以纳米SiC颗粒为增强相，提高铝合金基体力学性能及耐蚀、耐高温性能。
本发明的另一个目的是提供一种用于增材制造的铝基复合粉体材料的制备方法，解决了现有技术纳米增强相颗粒在基体中分布不均匀的技术问题。
本发明所采用的技术方案是，一种用于增材制造的铝基复合粉体材料，按照重量百分比包括以下原料组分：13～20％的纳米SiC粉末，其余为AlSi10Mg粉末，上述各组份重量百分比之和为100％。
本发明的特点还在于，
纳米SiC粉体材料纯度不低于99.9％，粒度为400～500nm。
AlSi10Mg粉体材料的纯度为不低于99.9％，粒度为15～150μm。
本发明所采用的另一个技术方案是，一种用于增材制造的铝基复合粉体材料的制备方法，包括以下步骤：
步骤1，按照重量百分比称取以下经过抽真空密封保存的原料组分13～20％的纳米SiC粉末，其余为AlSi10Mg粉末，上述各组份重量百分比之和为100％；
步骤2，将步骤1称取的AlSi10Mg粉末及纳米SiC粉末进行烘干处理；
步骤3，将步骤2烘干后的AlSi10Mg粉末及纳米SiC粉末加入球磨机中进行球磨、混料，得到铝基复合粉体材料。
本发明的特点还在于，
步骤1中，纳米SiC粉体材料纯度不低于99.9％，粒度为400～500nm；AlSi10Mg粉体材料的纯度为不低于99.9％，粒度为15～150μm。
步骤2中，烘干处理工艺为：在氩气保护气氛中，100～130℃下保温2小时。
步骤3中，球磨机采用的磨球为不锈钢球，球料比为1:1。
步骤3中，球磨机采用的磨球直径包括Φ6及Φ8，磨球比例为：Φ6:Φ8＝3:2；
步骤3中，球磨机采用的磨球直径包括Φ6、Φ8及Φ20，磨球比例为：Φ6:Φ8:Φ20＝2:2:1；
步骤3中，球磨机的处理工艺为：在转速180～250rpm的条件下，正转15～20min，暂停3～5min，反转20～25min，暂停3～5min，球磨时间为4～5h。
本发明的有益效果是，以纳米SiC颗粒为增强相，添加到AlSi10Mg基体中，在增材制造过程中，一部分纳米SiC颗粒直接熔入基体中，起到强化作用；另一部分与基体AlSi10Mg生成新的Al4SiC4强化相，进一步提高铝合金基体力学性能及耐蚀和耐高温性能，使得基体铝合金材料使用温度范围提升至100℃左右，材料硬度提升至220HV左右。采用本发明制备方法得到的铝基复合粉体材料在三种现有的3D打印设备(EOS M280，BLT S300，BLT S400)中成形，其硬度均提升至220HV左右。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明的一种用于增材制造的铝基复合粉体材料，按照重量百分比包括以下原料组分：13～20％的纳米SiC粉末，其余为AlSi10Mg粉末，上述各组份重量百分比之和为100％。
纳米SiC粉体材料纯度不低于99.9％，粒度为400～500nm。
AlSi10Mg粉体材料的纯度为不低于99.9％，粒度为15～150μm。
上述一种用于增材制造的铝基复合粉体材料的制备方法，包括以下步骤：
步骤1，按照重量百分比称取以下经过抽真空密封保存的原料组分13～20％的纳米SiC粉末，其余为AlSi10Mg粉末，上述各组份重量百分比之和为100％；
步骤1中，纳米SiC粉体材料纯度不低于99.9％，粒度为400～500nm；AlSi10Mg粉体材料的纯度为不低于99.9％，粒度为15～150μm；
步骤2，将步骤1称取的AlSi10Mg粉末及纳米SiC粉末进行烘干处理；
步骤2中，烘干处理工艺为：在氩气保护气氛中，100～130℃下保温2小时；
步骤3，将步骤2烘干后的AlSi10Mg粉末及纳米SiC粉末加入球磨机中进行球磨、混料，得到铝基复合粉体材料；
步骤3中，球磨机采用的磨球为不锈钢球，球料比为1:1；
步骤3中，球磨机采用的磨球直径包括Φ6及Φ8，磨球比例为：Φ6:Φ8＝3:2；
步骤3中，球磨机采用的磨球直径包括Φ6、Φ8及Φ20，磨球比例为：Φ6:Φ8:Φ20＝2:2:1；
步骤3中，球磨机的处理工艺为：在转速180～250rpm的条件下，正转15～20min，暂停3～5min，反转20～25min，暂停3～5min，球磨时间为4～5h。
将应用本发明方法制备得到的铝基复合粉体材料装入3D打印设备的粉筒中，根据零件的三维模型，将模型按一定的厚度切片分层，即将零件的三维形状信息转换成一系列二维轮廓信息，随后在数控***的控制下，用激光通过阵镜控制来熔化金属粉末，直接成形具有特定几何形状的零件。成形过程中金属粉末完全熔化，产生冶金结合，根据零件三维模型逐层打印，制成复杂形状的铝基复合粉体材料零件，铝基复合粉体材料零件成形后，进行热处理，再将零件从基材分离出来，对零件进行最终加工。
使用专门用于增材制造的铝基复合粉体材料，采用选区激光熔化(SLM)工艺成形的铝基复合粉体材料制件，不但成分均匀，具有高强度、耐高温、耐磨损等优良特性，且可以成形任意形状的复杂零件，扩大了该材料在航空航天及汽车领域的应用。
应用本发明方法制备得到的铝基复合粉体材料在现有的3D打印设备(EOS M280，BLT S300，BLT S400)中成形，其硬度均提升至220HV左右。
其中，选区激光熔化是基于离散-堆积理念的增量制造技术，与传统的去除材料加工方法相反，利用高能束激光逐层选择性地熔化金属粉末堆积成形金属零件，具有生产周期短、零件几何形状复杂和材料加工种类繁多等明显优势。
实施例1
一种用于增材制造的铝基复合粉体材料的制备方法，以纳米SiC颗粒为增强相，包括以下步骤：
步骤1，按照重量百分比称取以下经过抽真空密封保存的原料组分13％的纳米SiC粉末，其余为AlSi10Mg粉末，上述各组份重量百分比之和为100％；其中，AlSi10Mg粉体材料的纯度为不低于99.9％，粒度为15μm；纳米SiC粉体材料纯度不低于99.9％，粒度为400nm；
步骤2，将步骤1称取的AlSi10Mg粉末及纳米SiC粉末进行烘干处理；其中，烘干处理工艺为：在氩气保护气氛中，100℃下保温2小时；
步骤3，将步骤2烘干后的AlSi10Mg粉末及纳米SiC粉末加入球磨机中进行球磨、混料，得到铝基复合粉体材料并抽真空密封保存；其中，球磨机的处理工艺为：在转速180rpm的条件下，正转15min，暂停3min，反转20min，暂停3min，如此重复正转-暂停-反转-暂停的过程，球磨时间为4h；球磨机采用的磨球为不锈钢球，球料比为1:1；球磨机采用的磨球直径包括Φ6及Φ8，磨球比例为：Φ6:Φ8＝3:2。
实施例2
一种用于增材制造的铝基复合粉体材料的制备方法，以纳米SiC颗粒为增强相，包括以下步骤：
步骤1，按照重量百分比称取以下经过抽真空密封保存的原料组分20％的纳米SiC粉末，其余为AlSi10Mg粉末，上述各组份重量百分比之和为100％；其中，AlSi10Mg粉体材料的纯度为不低于99.9％，粒度为150μm；纳米SiC粉体材料纯度不低于99.9％，粒度为500nm；
步骤2，将步骤1称取的AlSi10Mg粉末及纳米SiC粉末进行烘干处理；其中，烘干处理工艺为：在氩气保护气氛中，130℃下保温2小时；
步骤3，将步骤1烘干后的AlSi10Mg粉末及纳米SiC粉末加入球磨机中进行球磨、混料，得到铝基复合粉体材料并抽真空密封保存；其中，球磨机的处理工艺为：在转速250rpm的条件下，正转20min，暂停5min，反转25min，暂停5min，如此重复正转-暂停-反转-暂停的过程，球磨时间为4h；球磨机采用的磨球为不锈钢球，球料比为1:1；球磨机采用的磨球直径包括Φ6及Φ8，磨球比例为：Φ6:Φ8＝3:2。
实施例3
一种用于增材制造的铝基复合粉体材料的制备方法，以纳米SiC颗粒为增强相，包括以下步骤：
步骤1，按照重量百分比称取以下经过抽真空密封保存的原料组分14％的纳米SiC粉末，其余为AlSi10Mg粉末，上述各组份重量百分比之和为100％；其中，AlSi10Mg粉体材料的纯度为不低于99.9％，粒度为60μm；纳米SiC粉体材料纯度不低于99.9％，粒度为430nm；
步骤2，将步骤1称取的AlSi10Mg粉末及纳米SiC粉末进行烘干处理；其中，烘干处理工艺为：在氩气保护气氛中，120℃下保温2小时；
步骤3，将步骤2烘干后的AlSi10Mg粉末及纳米SiC粉末加入球磨机中进行球磨、混料，得到铝基复合粉体材料并抽真空密封保存；其中，球磨机的处理工艺为：在转速200rpm的条件下，正转16min，暂停4min，反转21min，暂停4min，如此重复正转-暂停-反转-暂停的过程，球磨时间为5h；球磨机采用的磨球为不锈钢球，球料比为1:1；球磨机采用的磨球直径包括Φ6、Φ8及Φ20，磨球比例为：Φ6:Φ8:Φ20＝2:2:1。
实施例4
一种用于增材制造的铝基复合粉体材料的制备方法，以纳米SiC颗粒为增强相，包括以下步骤：
步骤1，按照重量百分比称取以下经过抽真空密封保存的原料组分15％的纳米SiC粉末，其余为AlSi10Mg粉末，上述各组份重量百分比之和为100％；其中，AlSi10Mg粉体材料的纯度为不低于99.9％，粒度为40μm；纳米SiC粉体材料纯度不低于99.9％，粒度为410nm；
步骤2，将步骤1称取的AlSi10Mg粉末及纳米SiC粉末进行烘干处理；其中，烘干处理工艺为：在氩气保护气氛中，115℃下保温2小时；
步骤3，将步骤2烘干后的AlSi10Mg粉末及纳米SiC粉末加入球磨机中进行球磨、混料，得到铝基复合粉体材料并抽真空密封保存；其中，球磨机的处理工艺为：在转速190rpm的条件下，正转17min，暂停3.5min，反转23min，暂停3.5min，如此重复正转-暂停-反转-暂停的过程，球磨时间为4.5h；球磨机采用的磨球为不锈钢球，球料比为1:1；球磨机采用的磨球直径包括Φ6、Φ8及Φ20，磨球比例为：Φ6:Φ8:Φ20＝2:2:1。
实施例5
一种用于增材制造的铝基复合粉体材料的制备方法，以纳米SiC颗粒为增强相，包括以下步骤：
步骤1，按照重量百分比称取以下经过抽真空密封保存的原料组分19％的纳米SiC粉末，其余为AlSi10Mg粉末，上述各组份重量百分比之和为100％；其中，AlSi10Mg粉体材料的纯度为不低于99.9％，粒度为130μm；纳米SiC粉体材料纯度不低于99.9％，粒度为480nm；
步骤2，将步骤1称取的AlSi10Mg粉末及纳米SiC粉末进行烘干处理；其中，烘干处理工艺为：在氩气保护气氛中，116℃下保温2小时；
步骤3，将步骤2烘干后的AlSi10Mg粉末及纳米SiC粉末加入球磨机中进行球磨、混料，得到铝基复合粉体材料并抽真空密封保存；其中，球磨机的处理工艺为：在转速195rpm的条件下，正转17min，暂停3.5min，反转23min，暂停3.5min，如此重复正转-暂停-反转-暂停的过程，球磨时间为4.5h；球磨机采用的磨球为不锈钢球，球料比为1:1；球磨机采用的磨球直径包括Φ6及Φ8，磨球比例为：Φ6:Φ8＝3:2。
本发明有如下优点：以纳米SiC颗粒为增强相，添加到AlSi10Mg基体中，提高了铝合金基体力学性能及耐蚀和耐高温性能，在增材制造过程中，一部分纳米SiC颗粒直接熔入基体中，起到强化作用；另一部分与基体AlSi10Mg生成新的Al4SiC4强化相，进一步提高铝合金基体力学性能及耐蚀和耐高温性能。使得基体铝合金材料使用温度范围提升至100℃左右，材料硬度提升至220HV左右。应用本发明的制备方法得到的铝基复合粉体材料在三种现有的3D打印设备(EOS M280，BLT S300，BLT S400)中成形，其硬度均提升至220HV左右。

Claims (10)

1.一种用于增材制造的铝基复合粉体材料，其特征在于，按照重量百分比包括以下原料组分：13～20％的纳米SiC粉末，其余为AlSi10Mg粉末，上述各组份重量百分比之和为100％。
2.根据权利要求1所述的一种用于增材制造的铝基复合粉体材料，其特征在于，所述纳米SiC粉体材料纯度不低于99.9％，粒度为400～500nm。
3.根据权利要求1所述的一种用于增材制造的铝基复合粉体材料，其特征在于，所述AlSi10Mg粉体材料的纯度为不低于99.9％，粒度为15～150μm。
4.一种用于增材制造的铝基复合粉体材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，按照重量百分比称取以下经过抽真空密封保存的原料组分13～20％的纳米SiC粉末，其余为AlSi10Mg粉末，上述各组份重量百分比之和为100％；
步骤2，将步骤1称取的AlSi10Mg粉末及纳米SiC粉末进行烘干处理；
步骤3，将步骤2烘干后的AlSi10Mg粉末及纳米SiC粉末加入球磨机中进行球磨、混料，得到铝基复合粉体材料。
5.根据权利要求4所述的一种用于增材制造的铝基复合粉体材料的制备方法，其特征在于，步骤1中，所述纳米SiC粉体材料纯度不低于99.9％，粒度为400～500nm；所述AlSi10Mg粉体材料的纯度为不低于99.9％，粒度为15～150μm。
6.根据权利要求4所述的一种用于增材制造的铝基复合粉体材料的制备方法，其特征在于，步骤2中，烘干处理工艺为：在氩气保护气氛中，100～130℃下保温2小时。
7.根据权利要求4所述的一种用于增材制造的铝基复合粉体材料的制备方法，其特征在于，步骤3中，球磨机采用的磨球为不锈钢球，球料比为1:1。
8.根据权利要求7所述的一种用于增材制造的铝基复合粉体材料的制备方法，其特征在于，步骤3中，球磨机采用的磨球直径包括Φ6及Φ8，磨球比例为：Φ6:Φ8＝3:2。
9.根据权利要求7所述的一种用于增材制造的铝基复合粉体材料的制备方法，其特征在于，步骤3中，球磨机采用的磨球直径包括Φ6、Φ8及Φ20，磨球比例为：Φ6:Φ8:Φ20＝2:2:1。
10.根据权利要求4所述的一种用于增材制造的铝基复合粉体材料的制备方法，其特征在于，步骤3中，球磨机的处理工艺为：在转速180～250rpm的条件下，正转15～20min，暂停3～5min，反转20～25min，暂停3～5min，球磨时间为4～5h。
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