CN110756815A - 一种铝合金复合粉末及其制备方法与应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种铝合金复合粉末及其制备方法与应用。用于SLM成型的铝合金复合粉末常规制备方法为机械球磨法,该类方法会使得铝合金复合粉末产生一定的形变,从而降低流动性。本发明通过球磨‑球化的方式,得到了球形度高、分散效果好的铝合金复合粉末,并且通过表面改性方式大幅度提高了铝合金的激光吸收率。该粉末在SLM成型领域具有广泛的应用前景,并且该工艺方法对其他体系复合粉末的制备也具有指导意义。
Description
技术领域
本发明涉及金属粉末领域,具体涉及一种铝合金复合粉末及其制备方法与应用。
背景技术
铝合金材料具有高的比强度,耐腐蚀等特点,在航空航天、汽车工业领域有广泛的应用前景。随着增材制造技术的发展,铝合金材料应用于选区激光熔化技术(SLM)也备受关注。
SLM成型是指金属粉末在激光束的热作用下完全熔化,经冷却凝固而成型的技术,属于金属粉末增材制造技术的一种。而铝合金具有低激光吸收率的本征特点,从而阻碍了铝合金粉末的应用发展。通过选取合适的材料,对铝合金进行表面改性,提高其激光吸收率,具有重要的研究意义。
SLM成型过程中,流动性决定了打印过程中铺粉的效果,从而影响打印件的表面质量及力学性能等。目前,常用的铝合金复合粉末制备的方法为高能球磨法[Gu Dongdong,et.al,Nanometric TiC reinforced AlSi10Mg nanocomposites:Powder preparation byhigh-energy ball milling and consolidation by selective laser melting,Journalof Composite Materials,49(2014)1639-1651.][Gu Dongdong,et.al,Melt spreadingbehavior,microstructure evolution and wear resistance of selective lasermelting additive manufactured AlN/AlSi10Mg nanocomposite,Surface and CoatingsTechnology,349(2018)279-288.]。由于铝合金材料的相对较软,在球磨过程中往往会造成铝合金的塑性变形,从而影响3D打印成形效果。因此,制备高球形度的铝合金复合粉末对SLM成型来说具有重要的意义。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足,提供一种具有高激光吸收率的铝合金复合粉末及其制备方法与应用。
本发明的目的采用以下技术方案之一实现。
一种铝合金复合粉末的制备方法,包括如下步骤:
(1)将基体材料和表面改性材料进行球磨混合处理;其中,基体材料为微米级金属粉末,表面改性材料为金属陶瓷材料;
(2)将步骤(1)所得混合物进行等离子体球化处理,得铝合金复合粉末。
优选地,骤(1)所述金属粉末为纯铝或铝合金材料;
优选地,所述金属粉末的粒径为15-105μm。
优选地,步骤(1)所述金属粉末在球磨混合前先进行预球磨处理;所述预球磨采用的设备是KEQ-2L行星式球磨机,速度为200-300r/min,时间为0.5-1.5h,高纯氩气作为保护气体。
进一步优选地,在预球磨或球磨混合过程中加入过程控制剂;所述过程控制剂为硬脂酸。
进一步优选地,步骤(1)所述金属陶瓷材料为TiB2、TiC、SiC、ZrC、TiN、AlN、Si3N4、Al2O3和Fe2O3中的一种或多种;
优选地,步骤(1)所述金属陶瓷材料的粒径为500nm-5μm。
优选地,步骤(1)所述球磨混合采用的设备是KEQ-2L行星式球磨机,球磨速度为200-300r/min,球磨时间为3-5h,高纯氩气作为保护气体;球磨时间太短,包覆效果不好,时间过长,影响粉末形状,从而影响球化步骤送粉过程。
优选地,步骤(1)所述球磨混合过程中,表面改性材料的质量占基体材料和表面改性材料总量的5wt.%~20wt.%。
优选地,步骤(2)所述等离子体球化过程,采用的设备为Teksphero-40kW SY165等离子体球化***。
进一步优选地,所述的射频等离子体球化***送粉器探头型号为SI792或SG792,送粉器探头高度为-10mm。
优选地,所述等离子体球化的工艺参数为:功率为30-40kW,压力为15Psia,送粉速率为20-40g/min,氩气鞘气气体流量为50-55slpm,氩气中心气气体流量为12-15Psia,氩气载气气体流量为5-8slpm。
优选地,步骤(2)复合粉末进行等离子体球化后进行清洗和干燥。
进一步优选地,所述清洗的过程,无水乙醇作为清洗介质,将球化后的复合粉末进行超声清洗30min,过滤。重复2-3次。
进一步优选地,所述干燥的过程,温度设置为60℃,保温时间设置为1-2h.
由以上任一项所述的制备方法制得的一种铝合金复合粉末,该复合粉末的结构为金属陶瓷粒子包覆在合金粉末表面。
以上所述的一种铝合金复合粉末主要在金属增材制造应用。
本发明的原理:通过高能球磨法将小粒径的金属陶瓷粉末与铝合金粉末进行机械混合,并初步实现金属陶瓷粒子包覆在铝合金粉末表面,再利用等离子球化过程温度高、冷却速度快的特点,将混合后的复合粉末送入等离子体炬中快速熔融,并在惰性气氛中迅速冷却,熔融的粉末在表面张力的作用下形成高球形度铝合金复合粉末。
与现有技术相比,本发明具有如下有益效果:
1.本发明方法提高了通过常规球磨方法获得的铝合金复合粉末的球形度,即提高了铝合金复合粉末的流动性,并且该复合粉末分散性良好、球化率高。
2.本发明中所制备的铝合金复合粉末,相比于常规的非复合铝合金粉末,激光吸收率得到了大幅度的提高,有利于该粉末在SLM成型过程中吸收激光能量。
附图说明
图1a为原始AlSi10Mg粉末的形貌图。
图1b为TiB2粉末的形貌图。
图2为预球磨后AlSi10Mg粉末形貌图。
图3为机械球磨混粉后铝合金复合粉末形貌图。
图4为球化后铝合金复合粉末形貌图。
图5a为球化后铝合金复合粉末截面图。
图5b为球化后铝合金复合粉末截面Ti元素分布图。
图6为铝合金粉末激光吸收率(曲线1为原始铝合金粉末,曲线2为球化后铝合金复合粉末)。
图7为实施例2中球化后铝合金复合粉末形貌图。
具体实施方式
以下结合实例与附图对本发明的具体实施作进一步的说明,但本发明的实施方式不限于此。
实施例1:
在4个球磨罐中分别装入50g粒径为15-53微米的气雾化AlSi10Mg粉末进行预球磨,球料比为5:1,球磨速度为250r/min,球磨时间为1h,氩气作为保护气体。气雾化AlSi10Mg粉末如图1a所示,大部分为球形或近球形,有小部分为条棒状粉末,并有卫星球。预球磨处理后的铝合金粉末如图2所示,经中低速短时间的球磨后,铝合金粉末产生了轻微塑性变形。
在4个球磨罐中分别装入TiB2(见图1b)和AlSi10Mg粉末,TiB2粉末的含量为粉末总量的10wt.%。球料比为5:1,球磨速度为200r/min,球磨时间为4h,氩气作为保护气体,1wt.%(相对TiB2/AlSi10Mg质量)的硬脂酸作为过程控制剂。如图3所示,TiB2粉末弥散分布在AlSi10Mg表面,并且在较短时间的中低速球磨下,没有产生大的塑性变化,从而仍具有一定的流动性,保证等离子体球化过程能够顺利送粉。
将机械混合后的铝合金复合粉末进行等离子体球化处理。球化工艺:功率为35kW,压力为15Psia,送粉速率为20g/min,氩气鞘气气体流量为55slpm,氩气中心气气体流量为15Psia,氩气载气气体流量为5slpm。等离子体球化后得到的铝合金复合粉末超声清洗并干燥。图4为最终得到的铝合金复合粉末,可见所得铝合金复合粉末具有良好的分散性与高的球形度。由图5a可以看出,复合粉末有良好的致密性,由图5b看出,钛元素(白色部分)分布在粉末外层,即说明金属陶瓷粉末基本分布在AlSi10Mg粉末表面,并形成了近似核壳结构的复合粉末。通过TiB2的对铝合金的表面改性,其激光吸收率得到提高,如图6所示。
实施例2:
在4个球磨罐中分别装入50g粒径为45-105μm的气雾化AlSi10Mg粉末进行预球磨,球料比为5:1,球磨速度为300r/min,球磨时间为1h,氩气作为保护气体。
在4个球磨罐中分别装入TiB2和AlSi10Mg粉末,TiB2粉末的含量为5wt.%。球料比为5:1,球磨速度为200r/min,球磨时间为5h,氩气作为保护气体,1wt.%(相对TiB2/AlSi10Mg质量)的硬脂酸作为过程控制剂。
将机械混合后的铝合金复合粉末进行等离子体球化处理。球化工艺:功率为30kW,压力为15Psia,送粉速率为40g/min,氩气鞘气气体流量为50slpm,氩气中心气气体流量为15Psia,氩气载气气体流量为8slpm。等离子体球化后得到的铝合金复合粉末超声清洗并干燥。
本实施例中,预球磨、机械混合等离子球化等各步骤所得粉末形貌效果与实施例1基本相同,得到的复合粉末如图7所示,与图4基本相同。
实施例3:
在4个球磨罐中分别装入50g粒径为15-53μm的气雾化AlSi10Mg粉末进行预球磨,球料比为5:1,球磨速度为200r/min,球磨时间为1h,氩气作为保护气体。
在4个球磨罐中分别装入TiB2和AlSi10Mg粉末,TiB2粉末的含量为10wt.%。球料比为5:1,球磨速度为300r/min,球磨时间为3h,氩气作为保护气体,1wt.%(相对TiB2/AlSi10Mg质量)的硬脂酸作为过程控制剂。
将机械混合后的铝合金复合粉末进行等离子体球化处理。球化工艺:功率为40kW,压力为15Psia,送粉速率为30g/min,氩气鞘气气体流量为55slpm,氩气中心气气体流量为12Psia,氩气载气气体流量为6slpm。等离子体球化后得到的铝合金复合粉末超声清洗并干燥。
本实施例所得复合粉末的形貌与结构效果与实施例1,2基本一致。
上述实施案例、变体和附图应当提供本发明的实用性和通用性的指示。在不脱离本发明的精神和范围的情况下,还可以利用未提供在此阐明的所有特征和优点的其他实施案例。这类修改和变体被认为在权利要求书限定的本发明范围内。
Claims (10)
1.一种铝合金复合粉末的制备方法,其特征在于,包括如下步骤:
(1)将基体材料和表面改性材料进行球磨混合处理;其中,基体材料为微米级金属粉末,表面改性材料为金属陶瓷材料;
(2)将步骤(1)所得混合物进行等离子体球化处理,得铝合金复合粉末。
2.如权利要求1所述的制备方法,其特征在于,步骤(1)所述金属粉末为纯铝或铝合金材料;所述金属粉末的粒径为15-105μm。
3.如权利要求1所述的制备方法,其特征在于,步骤(1)所述金属粉末在球磨混合前先进行预球磨处理;所述预球磨的速度为200-300r/min,时间为0.5-1.5h,高纯氩气作为保护气体。
4.如权利要求3所述的制备方法,其特征在于,在预球磨或球磨混合过程中加入过程控制剂;所述过程控制剂为硬脂酸。
5.如权利要求1所述的制备方法,其特征在于,步骤(1)所述金属陶瓷材料为TiB2、TiC、SiC、ZrC、TiN、AlN、Si3N4、Al2O3和Fe2O3中的一种或多种;所述金属陶瓷材料的粒径为500nm-5μm。
6.如权利要求1所述的制备方法,其特征在于,步骤(1)所述球磨混合过程中,球磨速度为200-300r/min,球磨时间为3-5h,高纯氩气作为保护气体;所述球磨混合过程中,表面改性材料的质量占基体材料和表面改性材料总量的5wt.%~20wt.%。
7.如权利要求1所述的制备方法,其特征在于,所述等离子体球化过程,采用的设备为Teksphero-40kW SY165等离子体球化***。
8.如权利要求1所述的制备方法,其特征在于,所述等离子体球化的工艺参数为:功率为30-40kW,压力为15Psia,送粉速率为20-40g/min,氩气鞘气气体流量为50-55slpm,氩气中心气气体流量为12-15Psia,氩气载气气体流量为5-8slpm。
9.由权利要求1-8任一项所述的制备方法制得的一种铝合金复合粉末,其特征在于,该复合粉末的结构为金属陶瓷粒子包覆在合金粉末表面。
10.权利要求9所述的一种铝合金复合粉末在金属增材制造中的应用。
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