CN111961904A - 一种纳米陶瓷相增强金属基复合材料的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种纳米陶瓷相增强金属基复合材料的制备方法,以金属材料为基体,以陶瓷颗粒作为增强相。采用微米级TiC、TiB2、WC和A12O3中的一种或多种陶瓷颗粒作为原料,添加陶瓷颗粒的质量百分比为1.0~5.0%,通过特定的球磨工艺制备纳米陶瓷均匀分布的金属基复合粉末,通过3D打印技术制备纳米陶瓷相金属基复合材料。所制备的金属基复合材料,纳米陶瓷相分布均匀,具有优异的力学性能。采用微米级陶瓷颗粒,成本低;可以一体成形制备任意复杂形状的零件,提高材料利用率。

Description

一种纳米陶瓷相增强金属基复合材料的制备方法
技术领域
本发明提供一种纳米陶瓷相增强金属基复合材料的制备方法,属于金属基复合材料技术领域。
背景技术
陶瓷颗粒增强金属基复合材料具有高比强、比模量、耐高温、热膨胀系数小、抗磨损、抗腐蚀、尺寸稳定性好等性能优点。传统颗粒增强金属基复合材料往往是强度增加,塑韧性大幅降低。
纳米相增强的金属基复合材料能够在提高强度和硬度等力学性能的同时保持良好的韧性。但是,纳米陶瓷颗粒增强金属基复合材料的制备比微米级和亚微米级的要复杂和困难的多。主要难点在于:①纳米陶瓷颗粒巨大的比表面能使其极易发生团聚,而且陶瓷颗粒与基体金属密度差异大,很难均匀分散,从而降低了增强相对基体金属的强化效应;②陶瓷材料的高熔点,与基体材料的润湿性差、膨胀系数差异较大,导致陶瓷相与基体界面结合差;③直接使用纳米陶瓷颗粒会显著提高原材料的成本。
针对上述问题,国内外进行了探索性的研究。中国专利(CN108080644A)将陶瓷粉末先后与不同比例金属粉末高能球磨,通过粉末冶金烧结后挤压,得到高强高韧金属基复合材料。该方法可以有效提高复合材料的塑韧性,但粉末冶金法二道混粉时间长,效率低,工艺复杂,不可制备大尺寸、形状复杂的坯料,成本高。中国专利(CN101649398B)公开了一种纳米陶瓷颗粒增强金属基分级构型复合材料的制备方法,将纳米级陶瓷颗粒和金属粉末进行高能球磨混合,然后加入到液相线以下30~80℃以下的金属液中制备铸锭;对铸锭进行轧制、挤压、拉拔加工,制备纳米陶瓷颗粒增强金属基复合材料。中国专利(CN107116217A)公开了选择性激光熔化成形法制备TiC增强镍基复合材料的方法,将镍基合金与增强基合金按照配比分别称重,加入的TiC增强相颗粒直径为5-8微米,将称重的粉末放置在低温行星球磨机制备镍基混合粉末,将所制备的镍基混合粉末在选择性激光熔化成形机器上制备镍基复合材料,所制备的合金材料的屈服强度、抗拉强度分别为599.6~649.6MPa和998.5~1079.5MPa。
本发明首次提出采用微米级陶瓷颗粒作为原料,通过特定的球磨工艺制备纳米陶瓷/金属基复合粉末,通过3D打印技术制备纳米陶瓷相增强金属基复合材料。在3D打印过程中,利用Marangoni对流对熔体产生搅拌作用,促进陶瓷颗粒在熔体中重排,实现纳米陶瓷相在熔体中均匀分布,解决了纳米陶瓷相团聚问题,快速凝固得到纳米陶瓷相均匀分布的凝固组织;通过激光或电子束的高温熔化和快速凝固,解决陶瓷增强相与金属基体之间因润湿性差导致的界面缺陷问题;采用微米级陶瓷颗粒,成本低;可以一体成形制备任意复杂形状的零件,提高材料利用率。
发明内容
本发明一种纳米陶瓷相增强金属基复合材料的制备方法,针对纳米陶瓷相增强金属基复合材料制备过程中,纳米陶瓷颗粒易团聚、与基体界面结合差的问题,提出了一种纳米陶瓷相增强金属基复合材料的制备方法,采用微米级陶瓷颗粒作为原料,通过特定的球磨工艺制备纳米陶瓷/金属基复合粉末,通过3D打印技术制备纳米陶瓷相增强金属基复合材料。在3D打印过程中,利用Marangoni对流对熔体产生搅拌作用,促进陶瓷颗粒重排,实现纳米陶瓷相在熔体中均匀分布,快速凝固得到纳米陶瓷相均匀分布的凝固组织,解决了纳米陶瓷相团聚问题;通过激光或电子束的高温熔化和快速凝固,解决陶瓷增强相与金属基体之间因润湿性差导致的界面缺陷问题;然后进行适当参数的去应力退火,得到强度塑性综合性能优异的金属基复合材料制件;同时,可以一体成形制备任意复杂形状的零件,提高材料利用率。
为实现上述技术目的,本发明一种纳米陶瓷相增强金属基复合材料的制备方法,以微米级陶瓷颗粒为原料A,以金属粉末为原料B;先将原料A和部分原料B通过先湿磨后干磨处理,得到纳米陶瓷颗粒均匀分布的复合粉末;然后再将复合粉末和剩余的原料B混合均匀得到混合粉末;采用3D打印快速凝固技术,制备纳米陶瓷颗粒增强的金属基复合材料,对所制备的纳米陶瓷颗粒增强的金属基复合材料进行去应力退火处理,得到样品;去应力退火温度为(0.3-0.45)T℃,时间为1h-3h;所述T为合金的再结晶温度;
本发明一种纳米陶瓷相增强金属基复合材料的制备方法,所述原料A与原料B的质量比为:(1-5):(99-95);所述金属粉末B选自铝合金、铜合金、镁合金、含稀土镍合金、镍基高温合金、铁合金中的一种。本发明中,含稀土镍合金包括含稀土镍基高温合金。
其中,所述微米级陶瓷颗粒选自TiC、SiC、TiB2、WC、A12O3中的至少一种;所述微米级陶瓷颗粒的粒径为1~5μm;
所述金属材料粉末的粒径为15~53μm或53~106μm;
所述3D打印为选区激光熔融(SLM)技术、电子束熔化(EBM)技术、同轴送粉激光成形(LENS)技术中的一种。
本发明一种纳米陶瓷相增强金属基复合材料的制备方法,包括以下步骤:
(1)以微米级陶瓷颗粒为原料A,以金属粉末为原料B;按质量比,原料A:原料B=(1-5):(99-95);配取原料;然后将原料A与一定比例原料B通过先湿磨后干磨处理,得到纳米陶瓷颗粒均匀分布的复合粉末;
(2)将步骤(1)中的复合粉末与剩余原料B装入V型混料机中混合均匀;得到混合粉末;混料时,采用惰性气体进行保护;
(3)根据零件形状在计算机上建立三维CAD模型;利用软件将模型切片分层,并导入增材制造***;通过数控***,利用聚焦的高能激光束对步骤(2)中得到的均匀混合粉末按确定的扫描路线往复扫描,逐层铺粉、熔凝,层层叠加,直至形成三维零件。
(4)对步骤(3)制备的制件在惰性气氛或真空气氛中去应力退火。
其中,所述步骤(1)中先将原料A与一定比例原料B通过先湿磨后干磨处理,所述质量比为1:1~1:5。
本发明一种纳米陶瓷相增强金属基复合材料的制备方法,所述步骤(1)中先通过湿磨处理使微米级陶瓷颗粒破碎,得到纳米陶瓷颗粒均匀分布的复合粉末;湿磨过程以无水乙醇作为球磨介质,球磨参数为:球料比为10:1~5:1,球磨转速为150~300rpm,球磨时间为5~20h;通过干磨处理使前面湿磨团聚的复合粉末分散,干磨过程在惰性气体中进行,球磨参数为:球料比5:1~1:1,球磨转速为100~200rpm,球磨时间为2~10h。
本发明一种纳米陶瓷相增强金属基复合材料的制备方法,所述步骤(3)3D打印前需对步骤(2)得到的混合粉末在真空或惰性气氛中60-150℃干燥2-12h。
本发明一种纳米陶瓷相增强金属基复合材料的制备方法,所述步骤(3)中3D打印所用的基板为不锈钢基板或同类金属材料基板。
本发明一种纳米陶瓷相增强金属基复合材料的制备方法,所述步骤(3)的激光工艺参数如下:激光光斑直径70~110μm,激光功率150~400W,激光扫描速率500~1300mm/s,激光扫描间距60~120μm,铺粉层厚为30~50μm。
本发明一种纳米陶瓷相增强金属基复合材料的制备方法,所述步骤(4)中的去应力退火温度为(0.3-0.4)T℃,时间为1h-3h;所述T为合金的再结晶温度。
本发明一种纳米陶瓷相增强金属基复合材料的制备方法,所述的惰性气体应为氦气、氩气,或氩、氦混合气体,纯度为99.99wt%,其中氧含量小于0.0001wt%。
本发明的优点和积极效果:
(1)本发明针对纳米陶瓷颗粒易团聚、在基体中分布不均匀且与基体界面结合差等问题,提供了一种采用微米陶瓷颗粒制备纳米相增强镍基高温合金的方法,首次提出采用微米陶瓷颗粒作为原料,采用特定的球磨工艺制备纳米陶瓷颗粒均匀分布的复合粉末;采用3D打印技术制备纳米陶瓷相增强镍基高温合金,实现了纳米陶瓷相在合金基体中均匀分布;解决了纳米陶瓷相的团聚、偏聚和分布不均匀,与金属基体之间因润湿性差导致的界面缺陷问题;所制备的制件第二相分布均匀、基体晶粒细小,力学性能优异。
(2)采用微米陶瓷颗粒作为原料,与基体合金粉末混合球磨、并采用特定的球磨工艺球磨,使得微米陶瓷颗粒破碎、纳米化,纳米化的陶瓷颗粒均匀分布在基体粉末表面和/或内部,有效的解决了纳米陶瓷颗粒的团聚问题;同时,也为纳米陶瓷颗粒在熔体中均匀分布提供了必要条件;
(3)本发明先将微米陶瓷颗粒A与部分金属粉末B通过先湿磨后干磨处理,得到纳米陶瓷颗粒均匀分布的复合粉末;通过湿磨处理,使微米陶瓷颗粒快速、均匀破碎并实现纳米化;通过干磨处理,使粉末进一步破碎、均匀分散;采用陶瓷颗粒A与部分金属粉末B混合、球磨,减少了球磨粉末量,提高效率。
(4)对微米陶瓷颗粒原料A与部分金属粉末B采用特定参数的湿磨加干磨处理,使得微米陶瓷颗粒A破碎、纳米化,与金属基体粉末B相互嵌套,得到纳米陶瓷相均匀分布的金属复合粉末,为熔体中均匀分布提供了条件;再将复合粉末与剩余金属粉末B均匀混合,在最大程度上保证了纳米陶瓷粉末的分布均匀;得到了用于3D打印的纳米陶瓷相均匀分布的金属混合粉末;同时,采用本发明的工艺还能最大限度的保证混合粉末的流动性,进而确保3D打印的顺利进行。
(5)本发明提出一种纳米陶瓷相增强金属基复合材料的制备方法,在3D打印成形前,对粉末进行湿磨加干磨处理,得到纳米陶瓷相均匀分布的金属基复合粉末;3D打印过程中,利用Marangoni对流对熔体产生搅拌作用,促进陶瓷颗粒在熔体中重排,抑制颗粒团聚,使纳米陶瓷颗粒在熔体中均匀分布,快速凝固得到纳米陶瓷相均匀分布的凝固组织,改善了组织均匀性;
(6)本发明提出一种纳米陶瓷相增强金属基复合材料的制备方法,通过激光或电子束的高温熔化和快速凝固,解决增强相与金属基体之间因润湿性差导致的界面缺陷问题,使制备的复合材料的增强相保持纳米特性,最终制造出无缺陷,致密度高,显微组织细小致密,力学性能优异的零件;
(7)本发明提出一种纳米陶瓷相增强金属基复合材料的制备方法,在3D打印成形过程中,纳米陶瓷相作为形核质点,细化晶粒,获得等轴晶组织,有效抑制3D打印镍基高温合金开裂现象,获得高性能3D打印制件。
(8)本发明提出一种纳米陶瓷相增强金属基复合材料的制备方法,通过去应力退火可以快速消除3D打印过程产生的残余应力,避免复合材料变形、开裂。
(9)本发明提出一种纳米陶瓷相增强金属基复合材料的制备方法,使用3D打印技术可解决难加工材料的制备和复杂零件的一体成形难题,无需成形模具,缩短了制造周期和成本;
(10)本发明提出一种纳米陶瓷相增强金属基复合材料的制备方法,采用微米陶瓷颗粒作为原料,制备的复合材料增强相尺寸为纳米级别,分布均匀,与基体结合良好,可以同时提高成形件的强度和塑性;本发明采用的微米陶瓷颗粒成本低,方法简单,可以大规模应用。
附图说明
图1为实施例一成形前通过微米级的陶瓷颗粒和René104镍基高温合金粉末进行湿磨加干磨处理,得到的纳米陶瓷颗粒均匀分布的复合粉末形貌扫描电镜(SEM)照片。
图2为实施例一采用激光3D打印技术,制备的纳米陶瓷相增强René104镍基高温合金块体XY面显微组织SEM照片。
图3为实施例一采用激光3D打印技术,制备的纳米陶瓷相增强René104镍基高温合金块体XZ面显微组织SEM照片。
图4为采用中国专利(CN107116217A)的方法制备的复合粉末形貌SEM照片。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例,对本发明做进一步的阐述。
实施例一:
一种纳米陶瓷相增强金属基复合材料的制备方法,以René104镍基高温合金为基体,以平均粒径为1.5μm的TiC陶瓷颗粒为增强相,添加的质量百分比为2.0%。
基体材料是粒径为15~53μm的René104镍基高温合金球形粉末,René104镍基高温合金的组分为:20.6Co~13Cr~3.4Al~3.9Ti~3.8Mo~2.1W~2.4Ta~0.9Nb~0.05Zr~0.03B~0.04C~余量为Ni。
所述一种纳米陶瓷颗粒增强镍基高温合金复合材料的制备步骤如下:
(1)先将所述比例平均粒径为1.5μm的TiC陶瓷颗粒与部分René104镍基高温合金粉末混合(比例为2:3),然后使用高能球磨机进行湿磨加干磨处理,得到纳米陶瓷颗粒均匀分布的复合粉末;
(2)将步骤(1)制备的复合粉末和剩余的镍基高温合金粉末装入V型混料机,使用V型混料机对上述粉末均匀混合,得到混合粉末;
(3)根据零件形状在计算机上建立三维CAD模型;利用软件将模型切片分层,并导入增材制造***;通过数控***,利用聚焦的高能激光束对步骤(2)制备的均匀混合粉末按确定的扫描路线往复扫描,逐层铺粉、熔凝,层层叠加,直至形成三维零件。
(4)对步骤(3)成形的制件在惰性气氛或真空气氛中去应力退火。
所述步骤(1)中湿磨过程以无水乙醇作为球磨介质,球磨参数为:球料比为7.5:1,球磨转速为250rpm,球磨时间为20h;干磨过程在惰性气体中进行,球磨参数为:球料比为5:1,球磨转速为150rpm,球磨时间为8h。
所述步骤(3)的激光工艺参数如下:激光光斑直径70μm,激光功率250W,激光扫描速率900mm/s,激光扫描间距90μm,铺粉层厚为40μm,基板加热温度200℃。
所述步骤(4)中去应力退火温度为500℃,1.5h。
所述的惰性气体为氩气,纯度为99.99wt%,氧含量小于0.0001wt%。
图1为实施例一成形前通过对微米级的陶瓷颗粒和René104合金粉末进行湿磨加干磨处理,得到的纳米陶瓷颗粒均匀分布的复合粉末形貌的扫描电镜(SEM)照片。可以观察到,微米级的TiC陶瓷颗粒破碎为纳米尺寸,与基体René104合金粉末共同形成了纳米陶瓷颗粒均匀分布的复合粉末。
图2为实施例一采用激光3D打印技术,制备的纳米陶瓷相增强René104镍基高温合金块体XY面的显微组织SEM照片。
图3为实施例一采用激光3D打印技术,制备的纳米陶瓷相增强René104镍基高温合金块体XZ面的显微组织SEM照片。
从图2和图3可以观察到,3D打印制备的纳米TiC陶瓷颗粒在René104镍基高温合金基体中分布均匀,制备的复合材料块体晶粒细小、均匀,结构致密。
经测试,所制备样品的屈服强度为1422MPa,抗拉强度为1810MPa,伸长率为6.3%。
实施例二:
一种纳米陶瓷相增强金属基复合材料的制备方法,以AlSi10Mg铝合金为基体,以平均粒径为2μm的SiC陶瓷颗粒为增强相,添加的质量百分比为2.0%。基体材料是粒径为15~53μm的AlSi10Mg铝合金球形粉末。
所述一种纳米陶瓷颗粒增强铝合金复合材料的制备步骤如下:
(1)先将所述比例平均粒径为2μm的SiC陶瓷颗粒与部分AlSi10Mg铝合金粉末混合(比例为1:2),然后使用高能球磨机进行湿磨加干磨处理,得到纳米陶瓷颗粒均匀分布的复合粉末;
(2)将步骤(1)制备的复合粉末和剩余的AlSi10Mg铝合金粉末装入V型混料机中,使用V型混料机对上述粉末均匀混合,得到混合粉末;
(3)根据零件形状在计算机上建立三维CAD模型;利用软件将模型切片分层,并导入增材制造***;通过数控***,利用聚焦的高能激光束对步骤(2)中的均匀混合粉末按确定的扫描路线往复扫描,逐层铺粉、熔凝,层层叠加,直至形成三维零件。
(4)对步骤(3)中形成的制件在惰性气氛或真空气氛中去应力退火。
所述步骤(1)中湿磨过程以无水乙醇作为球磨介质,球磨参数为:球料比为10:1,球磨转速为200rpm,球磨时间为15h;干磨过程在惰性气体中进行,球磨参数为:球料比为3:1,球磨转速为200rpm,球磨时间为8h。
所述步骤(3)的激光工艺参数如下:激光光斑直径70μm,激光功率300W,激光扫描速率1000mm/s,激光扫描间距100μm,铺粉层厚为30μm,基板加热温度100℃。
所述步骤(4)中去应力退火温度为180℃,1.5h。
所述的惰性气体为氩气,纯度为99.99wt%,氧含量小于0.0001wt%。
经测试,所制备样品的屈服强度为342MPa,抗拉强度为395MPa,伸长率为8.4%。
实施例三:
一种纳米陶瓷相增强金属基复合材料的制备方法,以TC4钛合金为基体,以平均粒径为2μm的TiB2陶瓷颗粒为增强相,添加的质量百分比为2.0%。基体材料是粒径为15~53μm的TC4钛合金球形粉末。
所述一种纳米陶瓷颗粒增强钛合金复合材料的制备步骤如下:
(1)先将所述比例平均粒径为2μm的TiB2陶瓷颗粒与部分TC4钛合金粉末混合(比例为1:2),然后使用高能球磨机对混合粉末进行湿磨加干磨处理,得到纳米陶瓷颗粒均匀分布的复合粉末;
(2)将步骤(1)制备的复合粉末和剩余的TC4钛合金粉末装入V型混料机中,使用V型混料机对上述粉末均匀混合,得到混合粉末;
(3)根据零件形状在计算机上建立三维CAD模型;利用软件将模型切片分层,并导入增材制造***;通过数控***,利用聚焦的高能激光束对步骤(2)中的均匀混合粉末按确定的扫描路线往复扫描,逐层铺粉、熔凝,层层叠加,直至形成三维零件。
(4)对步骤(3)中形成的制件在惰性气氛或真空气氛中去应力退火。
所述步骤(1)中湿磨过程以无水乙醇作为球磨介质,球磨参数为:球料比为10:1,球磨转速为200rpm,球磨时间为15h;干磨过程在惰性气体中进行,球磨参数为:球料比为3:1,球磨转速为200rpm,球磨时间为8h。
所述步骤(3)的激光工艺参数如下:激光光斑直径70μm,激光功率300W,激光扫描速率1000mm/s,激光扫描间距100μm,铺粉层厚为30μm,基板加热温度200℃。
所述步骤(4)中去应力退火温度为350℃,时间为2.0h。
所述的惰性气体为氩气,纯度为99.99wt%,氧含量小于0.0001wt%。
经测试,所制备样品的屈服强度为1142MPa,抗拉强度为1225MPa,伸长率为7.6%。
实施例四:
一种纳米陶瓷相增强金属基复合材料的制备方法,以René104镍基高温合金为基体,添加微量稀土Sc元素;以平均粒径为1.5μm的TiC陶瓷颗粒为增强相,添加的质量百分比为2.0%。
基体材料是粒径为15~53μm的René104镍基高温合金球形粉末,René104镍基高温合金的组分为:20.6Co~13Cr~3.4Al~3.9Ti~3.8Mo~2.1W~2.4Ta~0.9Nb~0.05Zr~0.03B~0.04C~0.08Sc余量为Ni。
所述一种纳米陶瓷颗粒增强镍基高温合金复合材料的制备步骤如下:
(1)先将所述比例平均粒径为1.5μm的TiC陶瓷颗粒与部分稀土微合金化的René104镍基高温合金粉末混合(比例为2:3),然后使用高能球磨机进行湿磨加干磨处理,得到纳米陶瓷颗粒均匀分布的复合粉末;
(2)将步骤(1)中的复合粉末和剩余的镍基高温合金粉末装入V型混料机中,使用V型混料机对上述粉末均匀混合,得到混合粉末;
(3)根据零件形状在计算机上建立三维CAD模型;利用软件将模型切片分层,并导入增材制造***;通过数控***,利用聚焦的高能激光束对步骤(2)中的均匀混合粉末按确定的扫描路线往复扫描,逐层铺粉、熔凝,层层叠加,直至形成三维零件。
(4)对步骤(3)中形成的制件在惰性气氛或真空气氛中去应力退火。
所述步骤(1)中湿磨过程以无水乙醇作为球磨介质,球磨参数为:球料比为7.5:1,球磨转速为250rpm,球磨时间为20h;干磨过程在惰性气体中进行,球磨参数为:球料比为5:1,球磨转速为150rpm,球磨时间为8h。
所述步骤(3)的激光工艺参数如下:激光光斑直径70μm,激光功率250W,激光扫描速率900mm/s,激光扫描间距90μm,铺粉层厚为40μm,基板加热温度200℃。
所述步骤(4)中去应力退火温度为450℃,3.0h。
所述的惰性气体为氩气,纯度为99.99wt%,氧含量小于0.0001wt%。
经测试,所制备样品的屈服强度为1439MPa,抗拉强度为1825MPa,伸长率为10.8%。
对比例一:
与实施例一不同的是所述步骤(1)只进行湿磨处理,其他不变。
经测试,所制备样品的屈服强度为1304MPa,抗拉强度为1654MPa,伸长率为3.9%。
对比例二:
与实施例一不同的是所述步骤(1)只进行干磨处理,其他不变。
经测试,所制备样品的屈服强度为1296MPa,抗拉强度为1627MPa,伸长率为3.6%。
对比例三:
与实施例一不同的是所述步骤(1)先干磨后湿磨处理,其他不变。
经测试,所制备样品的屈服强度为1183MPa,抗拉强度为1249MPa,伸长率为2.7%。
对比例四:
与实施例一不同的是所述步骤(1)先湿磨后干磨处理,湿磨过程以无水乙醇作为球磨介质,湿磨参数为:球料比为4:1,球磨转速为200rpm,球磨时间为10h;干磨过程在惰性气体中进行,球磨参数为:球料比为10:1,球磨转速为200rpm,球磨时间为5h。其他不变。
经测试,所制备样品的屈服强度为1354MPa,抗拉强度为1702MPa,伸长率为1.5%。
对比例五:
与实施例一不同的是所述步骤(4)不进行去应力退火,其他不变。
经测试,所制备样品的屈服强度为1339MPa,抗拉强度为1763MPa,伸长率为1.3%。不进行去应力退火,复合材料容易产生裂纹,导致力学性能较差。
对比例六:
以René104镍基高温合金为基体,以平均粒径为5μm的TiC陶瓷颗粒为增强相,添加的质量百分比为2.5%。
基体材料是粒径为15~53μm的René104镍基高温合金球形粉末,René104镍基高温合金的组分为:20.6Co~13Cr~3.4Al~3.9Ti~3.8Mo~2.1W~2.4Ta~0.9Nb~0.05Zr~0.03B~0.04C~余量为Ni。
采用中国专利(CN107116217A)实施例一的方法,制备TiC陶瓷相增强的René104镍基高温合金。所述方法球磨参数为:球磨转速为200r/s,球磨时间为8h。
所述SLM工艺参数为:激光功率200W,扫描速度1000mm/s,加工层厚0.03,扫描间距0.04mm。
图4为采用中国专利(CN107116217A)的方法制备的复合粉末形貌。如图4所示:微米TiC陶瓷颗粒没有形成纳米复合粉末,球磨处理导致球形粉末变为片状,显著降低粉末流动性,不利于3D打印制备优质产品。
经测试,所制备样品的屈服强度为1274MPa,抗拉强度为1591MPa,伸长率为1.5%。

Claims (10)

1.一种纳米陶瓷相增强金属基复合材料的制备方法,其特征在于:以微米级陶瓷颗粒为原料A,以金属粉末为原料B;先将原料A和部分原料B通过先湿磨后干磨处理,得到纳米陶瓷颗粒均匀分布的复合粉末;然后再将复合粉末和剩余的原料B混合均匀得到混合粉末;采用3D打印技术对混合粉末进行成形,制备得到纳米陶瓷颗粒增强金属基复合材料,再对所制备的纳米陶瓷颗粒增强金属基复合材料进行去应力退火处理;应力退火温度为(0.3-0.45)T℃,时间为1h-3h;所述T为合金的再结晶温度;
所述原料A与原料B的质量比为:(1-5):(99-95);所述金属粉末B选自铝合金、铜合金、镁合金、含稀土镍合金、镍基高温合金、铁合金中的一种。
2.根据权利要求1所述的一种纳米陶瓷相增强金属基复合材料的制备方法,其特征在于:
所述微米级陶瓷颗粒选自TiC、SiC、TiB2、WC、A12O3中的至少一种;所述微米级陶瓷颗粒的粒径为1~5μm;
所述金属材料粉末的粒径为15~53μm或53~106μm;
所述3D打印为选区激光熔融(SLM)技术、电子束熔化(EBM)技术、同轴送粉激光成形(LENS)技术中的一种。
3.根据权利要求1所述的一种纳米陶瓷相增强金属基复合材料的制备方法,其特征在于:包括以下步骤:
(1)以微米级陶瓷颗粒为原料A,以金属粉末为原料B;按质量比,原料A:原料B=(1-5):(99-95);配取原料;然后将原料A与一定比例原料B通过先湿磨后干磨处理,得到纳米陶瓷颗粒均匀分布的复合粉末;
(2)将步骤(1)制备的复合粉末与剩余原料B装入V型混料机中混合均匀;得到混合粉末;混料时,采用惰性气体进行保护;
(3)根据零件形状在计算机上建立三维CAD模型;利用软件将模型切片分层,并导入增材制造***;通过数控***,利用聚焦的高能激光束对步骤(2)中得到的均匀混合粉末按确定的扫描路线往复扫描,逐层铺粉、熔凝,层层叠加,直至形成三维零件。
(4)对步骤(3)中制备的制件在惰性气氛或真空气氛中去应力退火。
4.根据权利要求3所述的一种纳米陶瓷相增强金属基复合材料的制备方法,其特征在于:步骤(1)中先将原料A与一定比例原料B通过先湿磨后干磨处理,所述质量比为1:1~1:5。
5.根据权利要求3所述的一种纳米陶瓷相增强金属基复合材料的制备方法,其特征在于:步骤(1)中先通过湿磨处理使微米级陶瓷颗粒破碎,得到纳米陶瓷颗粒均匀分布的复合粉末;湿磨过程以无水乙醇作为球磨介质,球磨参数为:球料比为10:1~5:1,球磨转速为150~300rpm,球磨时间为5~20h;通过干磨处理使前面湿磨团聚的复合粉末分散,干磨过程在惰性气体中进行,球磨参数为:球料比5:1~1:1,球磨转速为100~200rpm,球磨时间为2~10h。
6.根据权利要求3所述的一种纳米陶瓷相增强金属基复合材料的制备方法,其特征在于:步骤(3)3D打印前需对步骤(2)中得到的混合粉末在真空或惰性气氛中60-150℃干燥2-12h。
7.根据权利要求3所述的一种纳米陶瓷相增强金属基复合材料的制备方法,其特征在于:步骤(3)中3D打印所用的基板为不锈钢基板或同类金属材料基板。
8.根据权利要求3所述的一种纳米陶瓷相增强金属基复合材料的制备方法,其特征在于:步骤(3)的激光工艺参数如下:激光光斑直径70~110μm,激光功率150~400W,激光扫描速率500~1300mm/s,激光扫描间距60~120μm,铺粉层厚为30~50μm。
9.根据权利要求3所述的一种纳米陶瓷相增强金属基复合材料的制备方法,其特征在于:步骤(4)中去应力退火温度为(0.3-0.4)T℃,时间为1h-3h;所述T为合金的再结晶温度。
10.根据权利要求3所述的一种纳米陶瓷相增强金属基复合材料的制备方法,其特征在于:所述的惰性气体应为氦气、氩气,或氩、氦混合气体,纯度为99.99wt%,其中氧含量小于0.0001wt%。
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