CN117840424A - 用于增材制造的铝基复合金属粉末 - Google Patents

用于增材制造的铝基复合金属粉末 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于增材制造的铝基复合金属粉末，包括铝合金基体粉末以及添加在铝合金基体粉末中的陶瓷颗粒；陶瓷颗粒的添加量是1.5wt.％—8.0wt.％；铝合金基体粉末包括(以质量百分比计)Zn的含量是0.2‑7.0％、Mg的含量是1.0‑3.5％、Cu的含量是1.0‑5.5％、Zr的含量是不高于0.2％、Fe的含量是不高于0.5％、Si的含量是不高于0.4％、Mn的含量是不高于0.9％、Ti的含量是不高于0.2％、Cr的含量是不高于0.3％、O以及N的总含量是不高于0.05％，余量是Al。本发明可消除热裂纹以及可提高材料的强度。

Description

用于增材制造的铝基复合金属粉末
技术领域
本发明属于金属材料领域，涉及一种铝基复合金属粉末，尤其涉及一种用于增材制造的铝基复合金属粉末。
背景技术
在航空航天领域，某些关键结构件需要综合性能优异(高强度、轻量化、高导热等)的材料作为替代，常见的钢、钛等材料密度大且导热性能差、而轻质铝合金刚性和耐磨性又不足。铝基复合材料无疑是一种优质的选择，其结合了铝合金的韧性和陶瓷颗粒等增强相高强度和高模量的特性，将低密度、高刚性、高强度、优异的耐磨性、热膨胀系数可控等诸多优点集于一体，已经被广泛应用于航天器件结构本体、辅助结构等中。
近年来，增材制造技术由于其成形尺寸精度高、可实现结构功能一体化、力学性能比铸件更好等优点而蓬勃发展。将增材制造技术与复合材料相结合无疑成为了研究热点，对于增材制造铝基复合材料的研究也取得了一些进展，例如TiB2增强AlSi10Mg的抗拉强度已经超过了500MPa，但是也主要集中在常规的Al-Si系材料中，传统高强铝合金由于其打印开裂问题，针对传统高强铝基复合粉末材料的研究微乎其微。
发明内容
为了解决背景技术中存在的上述技术问题，本发明提供了一种可消除热裂纹以及可提高材料的强度的用于增材制造的铝基复合金属粉末。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案是：
一种用于增材制造的铝基复合金属粉末，其特征在于：所述用于增材制造的铝基复合金属粉末包括铝合金基体粉末以及添加在铝合金基体粉末中的陶瓷颗粒；所述陶瓷颗粒的添加量是a，所述1.5wt.％≤a≤8.0wt.％；所述铝合金基体粉末包括Zn、Mg、Cu、Zr、Fe、Si、Mn、Ti、Cr、O以及N；以质量百分比计，所述Zn的含量是0.2-7.0％、Mg的含量是1.0-3.5％、Cu的含量是1.0-5.5％、Zr的含量是不高于0.2％、Fe的含量是不高于0.5％、Si的含量是不高于0.4％、Mn的含量是不高于0.9％、Ti的含量是不高于0.2％、Cr的含量是不高于0.3％、O以及N的总含量是不高于0.05％，余量是Al。
上述陶瓷颗粒的添加量是a，所述1.5wt.％≤a≤5.0wt.％。
上述陶瓷颗粒的添加量是a，所述5.0wt.％≤a≤8.0wt.％。
上述陶瓷颗粒是TiC、TiB2、SiC和/或Al2O3。
铝合金基体粉末包括Zn、Mg、Cu、Zr、Fe、Si、Mn、Ti、Cr、O以及N；以质量百分比计，所述Zn的含量是5.5-6.5％、Mg的含量是2.5-3.0％、Cu的含量是1.5-2.0％、Zr的含量是不高于0.2％、Fe的含量是不高于0.5％、Si的含量是不高于0.4％、Mn的含量是不高于0.3％、Ti的含量是不高于0.2％、Cr的含量是不高于0.28％、O以及N的总含量是不高于0.05％，余量是Al；
或者，所述铝合金基体粉末包括Zn、Mg、Cu、Zr、Fe、Si、Mn、Ti、Cr、O以及N；以质量百分比计，所述Zn的含量是0.2-0.5％、Mg的含量是1.5-1.8％、Cu的含量是4.1-4.6％、Zr的含量是不高于0.2％、Fe的含量是不高于0.5％、Si的含量是不高于0.5％、Mn的含量是0.4-0.8％、Ti的含量是不高于0.2％、Cr的含量是不高于0.3％、O以及N的总含量是不高于0.05％，余量是Al。
一种针对如前所述的用于增材制造的铝基复合金属粉末的制备方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：
1)制备铝合金基体粉末，所述铝合金基体粉末的粒径不大于180um，所述铝合金基体粉末的球形度不小于0.8，所述铝合金基体粉末的空心粉率不大于10％；
2)获取陶瓷颗粒，所述陶瓷颗粒的粒径不大于1μm；
3)采用球磨法，将铝合金基体粉末和陶瓷颗粒混合，制备得到用于增材制造的铝基复合金属粉末。
上述陶瓷颗粒是纳米陶瓷颗粒。
上述步骤3)中球磨法所采用的球磨设备是全方位行星式球磨机，所述球磨法的工作参数是：球料比2：1～6：1，转速100-400rpm，球磨时间2～24h。
一种3D打印铝基合金的方法，其特征在于，方法包括：将用于增材制造的铝基复合金属粉末送入3D打印设备，待成形室腔体密闭后通入惰性气体，并根据铝基合金制件的分层扫描数据进行3D打印。
如前所述的方法制备得到的铝基合金制件。
本发明与现有技术相比的有益效果：
本发明提供了一种用于增材制造的铝基复合金属粉末，该材料以打印易裂传统高强铝合金为基础，通过添加如TiC、TiB2、SiC、Al2O3等陶瓷颗粒，通过球磨混粉的方式将陶瓷颗粒分散在基体粉末中，在打印成形时，陶瓷颗粒首先作为α-Al的异质形核位点，细化晶粒，使熔池内部粗大的柱状晶转变为细小的等轴晶粒，从而消除了组织中的热裂纹，保证了组织的致密性，进一步的，陶瓷颗粒可作为增强相，变形时阻碍位错移动，提高材料的强度。
附图说明
图1(a)是纳米陶瓷颗粒的微观形貌，(b)是纳米陶瓷颗粒与铝合金粉通过球磨混合后的微观形貌；
图2(a)和(c)分别是标准化学成分的7XXX系铝合金和2XXX系铝合金粉末经打印后的金相组织；(b)和(d)分别是添加1.5～8.0wt％纳米陶瓷颗粒修饰的7XXX系铝合金和2XXX系铝合金粉末经打印后的金相组织；
图3是在标准化学成分的7XXX系铝合金中添加0.1～1.5wt％TiC时的复合粉末经3D打印成形后的组织；
图4是本发明在标准化学成分的7XXX系铝合金中添加1.5～5.0wt％TiC时的复合粉末经3D打印成形后的应力应变曲线；
图5是本发明在标准化学成分的7XXX系铝合金中添加5.0～8.0wt％TiC时的复合粉末经3D打印成形后的应力应变曲线；
图6是标准化学成分的2XXX系铝合金中添加0.1～1.5wt％TiC时的复合粉末经3D打印成形后的组织；
图7是本发明在标准化学成分的2XXX系铝合金中添加1.5～5.0wt％TiC时的复合粉末经3D打印成形后的应力应变曲线；
图8是本发明在标准化学成分的2XXX系铝合金中添加1.5～5.0wt％TiB2时的复合粉末经3D打印成形后的金相组织和力学性能。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明，但本发明的实施方式不限于此。
本发明提供了一种用于增材制造的铝基复合金属粉末，该用于增材制造的铝基复合金属粉末包括铝合金基体粉末以及添加在铝合金基体粉末中的陶瓷颗粒；陶瓷颗粒的添加量是a，1.5wt.％≤a≤8.0wt.％；铝合金基体粉末包括Zn、Mg、Cu、Zr、Fe、Si、Mn、Ti、Cr、O以及N；以质量百分比计，Zn的含量是0.2-7.0％、Mg的含量是1.0-3.5％、Cu的含量是1.0-5.5％、Zr的含量是不高于0.2％、Fe的含量是不高于0.5％、Si的含量是不高于0.4％、Mn的含量是不高于0.9％、Ti的含量是不高于0.2％、Cr的含量是不高于0.3％、O以及N的总含量是不高于0.05％，余量是Al。陶瓷颗粒是TiC、TiB2、SiC和/或Al2O3。
用于增材制造的铝基复合金属粉末的制备过程是：按照设定配比将金属原材料充分均匀熔融，并采用气雾化法或者其他粉体制备技术制得铝合金基体粉末；铝合金基体粉末为粒径小于180μm的球形粉末，铝合金基体粉末材料的球形度须≥0.8；铝合金基体粉末材料的空心粉率须≤10％；陶瓷颗粒必须为粉体，陶瓷颗粒的粒径必须小于1μm，优选是纳米级陶瓷颗粒。铝基复合金属粉末的球磨混合参数为：设备为行星式球磨机，球磨罐和磨球均为不锈钢材质，球料比为2：1～6：1，转速为100-400r/min，混合时间为2～24h；混合后的粉末使用对应目数的筛子进行筛分，去除大颗粒。
基于用于增材制造的铝基复合金属粉末进行3D打印的方法是：铝合金复合粉末材料在使用增材制造方式成形前，必须烘干处理，烘干处理工艺为：100～150℃下保温2小时，烘干处理和相应的冷却应在氩气保护气氛中进行；将铝合金复合粉末材料加入3D打印设备的送粉仓中，待成形室的氧含量下降至0.02％以下时，激光开始扫描基板上的粉末，逐层堆积，最终形成实体零件或制件。
本发明通过在打印易裂传统高强铝合金中加入陶瓷颗粒(图1(a))，并通过球磨混粉的方式将陶瓷颗粒分散在基体粉末中(图1(b))，加入的陶瓷颗粒成为了α-Al的异质形核位点，细化了晶粒，使熔池内部粗大的柱状晶转变为细小的等轴晶粒，从而消除了组织中的热裂纹，提高了该材料的致密度。如图2所示，(a)(c)为标准化学成分的2XXX系和7XXX铝合金粉末经3D打印成形后的金相组织照片，可以发现，组织中有大量的热裂纹，(b)(d)为本发明中添加陶瓷颗粒后的铝合金粉末经打印成形后的金相组织照片，由图可知，组织中的热裂纹已经完全消除，组织致密且均匀。
实施例1：
一种铝合金粉末材料，所述铝合金粉末材料以传统7XXX系铝合金为基础，通过添加纳米陶瓷颗粒TiC，并借助球磨混粉的方式将陶瓷颗粒分散在基体粉末中，粉末的化学成分如下表所示：
元素 Zn Mg Cu TiC Zr Fe
含量/wt.％ 5.5-6.5 2.5-3.0 1.5-2.0 0.1-1.5 ≤0.2 ≤0.5
元素 Si Mn Ti Cr O+N Al
含量/wt.％ ≤0.4 ≤0.3 ≤0.2 ≤0.28 <0.05 Bal.
按照设定配比将金属原材料充分均匀熔融，并采用氮气雾化法制得7XXX铝合金基体粉末，然后用对应目数的筛子筛分，使粒径分布在15-53μm范围内。
将上述基体粉末和纳米级TiC粉末按一定比例装入球磨罐中，球料比为4：1，用高纯氩气流将球磨罐洗气5min，然后将密闭的球磨罐固定在行星式球磨机上，设置球磨机的转速为200r/min，混合时间为6h，混合结束后用筛子进行筛分，去除大颗粒。
混合后的粉末使用前须在100～150℃的氩气氛围下保温2小时。
打印成形时，将上述复合粉末材料加入3D打印设备的送粉仓中，待成形室的氧含量下降至0.02％以下时，激光开始扫描基板上的粉末，逐层堆积，最终形成实体。
上述粉末在BLT-S310、BLT-S320、BLT-S500等设备上打印成形，打印实体的金相组织如图3所示，可以发现，在放大的高倍组织中仍然可以发现裂纹，由此表明0.1-1.5wt％的TiC添加不足以完全消除裂纹。
实施例2：
一种铝合金粉末材料，所述铝合金粉末材料以传统7XXX系铝合金为基础，通过添加纳米陶瓷颗粒TiC，并借助球磨混粉的方式将陶瓷颗粒分散在基体粉末中，粉末的化学成分如下表所示：
元素 Zn Mg Cu TiC Zr Fe
含量/wt.％ 5.5-6.5 2.5-3.0 1.5-2.0 1.5-5.0 ≤0.2 ≤0.5
元素 Si Mn Ti Cr O+N Al
含量/wt.％ ≤0.4 ≤0.3 ≤0.2 ≤0.28 <0.05 Bal.
按照设定配比将金属原材料充分均匀熔融，并采用氮气雾化法制得7XXX铝合金基体粉末，然后用对应目数的筛子筛分，使粒径分布在15-53μm范围内。
将上述基体粉末和纳米级TiC粉末按一定比例装入球磨罐中，球料比为4：1，用高纯氩气流将球磨罐洗气5min，然后将密闭的球磨罐固定在行星式球磨机上，设置球磨机的转速为200r/min，混合时间为6h，混合结束后用筛子进行筛分，去除大颗粒。
混合后的粉末使用前须在100～150℃的氩气氛围下保温2小时。
打印成形时，将上述复合粉末材料加入3D打印设备的送粉仓中，待成形室的氧含量下降至0.02％以下时，激光开始扫描基板上的粉末，逐层堆积，最终形成零件实体。
本发明中粉末在BLT-S310、BLT-S320、BLT-S500等设备上打印成形，经打印成形后零件沉积态的抗拉强度为423MPa，屈服强度为342MPa，延伸率为21％，室温拉伸应力-应变曲线如图4所示。
实施例3：
一种铝合金粉末材料，所述铝合金粉末材料以传统7XXX系铝合金为基础，通过添加纳米陶瓷颗粒TiC，并借助球磨混粉的方式将陶瓷颗粒分散在基体粉末中，粉末的化学成分如下表所示：
按照设定配比将金属原材料充分均匀熔融，并采用氮气雾化法制得7XXX铝合金基体粉末，然后用对应目数的筛子筛分，使粒径分布在15-53μm范围内。
将上述基体粉末和纳米级TiC粉末按一定比例装入球磨罐中，球料比为4：1，用高纯氩气流将球磨罐洗气5min，然后将密闭的球磨罐固定在行星式球磨机上，设置球磨机的转速为220r/min，混合时间为8h，混合结束后用筛子进行筛分，去除大颗粒。
混合后的粉末使用前须在100～150℃的氩气氛围下保温2小时。
打印成形时，将上述复合粉末材料加入3D打印设备的送粉仓中，待成形室的氧含量下降至0.02％以下时，激光开始扫描基板上的粉末，逐层堆积，最终形成零件实体。
本发明中粉末在BLT-S310、BLT-S320、BLT-S500等设备上打印成形，经打印成形后零件沉积态的抗拉强度为492MPa，屈服强度为385MPa，延伸率为17％，室温拉伸应力-应变曲线如图5所示。
实施例4：
一种铝合金粉末材料，所述铝合金粉末材料以传统2XXX系铝合金为基础，通过添加纳米陶瓷颗粒TiC，并借助球磨混粉的方式将陶瓷颗粒分散在基体粉末中，粉末的化学成分如下表所示：
元素 Zn Mg Cu TiC Zr Fe
含量/wt.％ 0.2-0.5 1.5-1.8 4.1-4.6 0.1-1.5 ≤0.2 ≤0.5
元素 Si Mn Ti Cr O+N Al
含量/wt.％ ≤0.5 0.4-0.8 ≤0.2 ≤0.3 <0.05 Bal.
按照设定配比将金属原材料充分均匀熔融，并采用氮气雾化法制得2XXX铝合金基体粉末，然后用对应目数的筛子筛分，使粒径分布在15-53μm范围内。
将上述基体粉末和纳米级TiC粉末按一定比例装入球磨罐中，球料比为4：1，用高纯氩气流将球磨罐洗气5min，然后将密闭的球磨罐固定在行星式球磨机上，设置球磨机的转速为200r/min，混合时间为6h，混合结束后用筛子进行筛分，去除大颗粒。
混合后的粉末使用前须在100～150℃的氩气氛围下保温2小时。
打印成形时，将上述复合粉末材料加入3D打印设备的送粉仓中，待成形室的氧含量下降至0.02％以下时，激光开始扫描基板上的粉末，逐层堆积，最终形成实体。
上述粉末在BLT-S310、BLT-S320、BLT-S500等设备上打印成形，打印实体的金相组织如图6所示，可以发现，在放大的高倍组织中仍然可以发现裂纹，由此表明0.1-1.5wt％的TiC添加不足以完全消除裂纹。
实施例5：
一种铝合金粉末材料，所述铝合金粉末材料以传统2XXX系铝合金为基础，通过添加纳米陶瓷颗粒TiC，并借助球磨混粉的方式将陶瓷颗粒分散在基体粉末中，粉末的化学成分如下表所示：
元素 Zn Mg Cu TiC Zr Fe
含量/wt.％ 0.2-0.5 1.5-1.8 4.1-4.6 1.5-5.0 ≤0.2 ≤0.5
元素 Si Mn Ti Cr O+N Al
含量/wt.％ ≤0.5 0.4-0.8 ≤0.2 ≤0.3 <0.05 Bal.
按照设定配比将金属原材料充分均匀熔融，并采用氮气雾化法制得2XXX铝合金基体粉末，然后用对应目数的筛子筛分，使粒径分布在15-53μm范围内。
将上述基体粉末和纳米级TiC粉末按一定比例装入球磨罐中，球料比为4：1，用高纯氩气流将球磨罐洗气5min，然后将密闭的球磨罐固定在行星式球磨机上，设置球磨机的转速为200r/min，混合时间为6h，混合结束后用筛子进行筛分，去除大颗粒。
混合后的粉末使用前须在100～150℃的氩气氛围下保温2小时。
打印成形时，将上述复合粉末材料加入3D打印设备的送粉仓中，待成形室的氧含量下降至0.02％以下时，激光开始扫描基板上的粉末，逐层堆积，最终形成零件实体。
本发明中粉末在BLT-S310、BLT-S320、BLT-S500等设备上打印成形，经打印成形后零件沉积态的抗拉强度为451MPa，屈服强度为350MPa，延伸率为15.5％，室温拉伸应力-应变曲线如图7所示。
实施例6：
一种铝合金粉末材料，所述铝合金粉末材料以传统2XXX系铝合金为基础，通过添加纳米陶瓷颗粒TiB2，并借助球磨混粉的方式将陶瓷颗粒分散在基体粉末中，粉末的化学成分如下表所示：
元素 Zn Mg Cu TiB2 Zr Fe
含量/wt.％ 0.2-0.5 1.5-1.8 4.1-4.6 1.5-5.0 ≤0.2 ≤0.5
元素 Si Mn Ti Cr O+N Al
含量/wt.％ ≤0.5 0.4-0.8 ≤0.2 ≤0.3 <0.05 Bal.
按照设定配比将金属原材料充分均匀熔融，并采用氮气雾化法制得2XXX铝合金基体粉末，然后用对应目数的筛子筛分，使粒径分布在15-53μm范围内。
将上述基体粉末和纳米级TiB2粉末按一定比例装入球磨罐中，球料比为4：1，用高纯氩气流将球磨罐洗气5min，然后将密闭的球磨罐固定在行星式球磨机上，设置球磨机的转速为200r/min，混合时间为6h，混合结束后用筛子进行筛分，去除大颗粒。
混合后的粉末使用前须在100～150℃的氩气氛围下保温2小时。
打印成形时，将上述复合粉末材料加入3D打印设备的送粉仓中，待成形室的氧含量下降至0.02％以下时，激光开始扫描基板上的粉末，逐层堆积，最终形成零件实体。
本发明中粉末在BLT-S310、BLT-S320、BLT-S500等设备上打印成形，打印态零件的金相组织和室温拉伸应力-应变曲线如图8所示，由图可知，经打印成形后零件沉积态的组织致密无裂纹，抗拉强度为432MPa，屈服强度为331MPa，延伸率为15.5％。

Claims (10)

1.一种用于增材制造的铝基复合金属粉末，其特征在于：所述用于增材制造的铝基复合金属粉末包括铝合金基体粉末以及添加在铝合金基体粉末中的陶瓷颗粒；所述陶瓷颗粒的添加量是a，所述1.5wt.％≤a≤8.0wt.％；所述铝合金基体粉末包括Zn、Mg、Cu、Zr、Fe、Si、Mn、Ti、Cr、O以及N；以质量百分比计，所述Zn的含量是0.2-7.0％、Mg的含量是1.0-3.5％、Cu的含量是1.0-5.5％、Zr的含量是不高于0.2％、Fe的含量是不高于0.5％、Si的含量是不高于0.4％、Mn的含量是不高于0.9％、Ti的含量是不高于0.2％、Cr的含量是不高于0.3％、O以及N的总含量是不高于0.05％，余量是Al。
2.根据权利要求1所述的用于增材制造的铝基复合金属粉末，其特征在于：所述陶瓷颗粒的添加量是a，所述1.5wt.％≤a≤5.0wt.％。
3.根据权利要求1所述的用于增材制造的铝基复合金属粉末，其特征在于：所述陶瓷颗粒的添加量是a，所述5.0wt.％≤a≤8.0wt.％。
4.根据权利要求1或2或3所述的用于增材制造的铝基复合金属粉末，其特征在于：所述陶瓷颗粒是TiC、TiB2、SiC和/或Al2O3。
5.根据权利要求4所述的用于增材制造的铝基复合金属粉末，其特征在于：所述铝合金基体粉末包括Zn、Mg、Cu、Zr、Fe、Si、Mn、Ti、Cr、O以及N；以质量百分比计，所述Zn的含量是5.5-6.5％、Mg的含量是2.5-3.0％、Cu的含量是1.5-2.0％、Zr的含量是不高于0.2％、Fe的含量是不高于0.5％、Si的含量是不高于0.4％、Mn的含量是不高于0.3％、Ti的含量是不高于0.2％、Cr的含量是不高于0.28％、O以及N的总含量是不高于0.05％，余量是Al；
或者，所述铝合金基体粉末包括Zn、Mg、Cu、Zr、Fe、Si、Mn、Ti、Cr、O以及N；以质量百分比计，所述Zn的含量是0.2-0.5％、Mg的含量是1.5-1.8％、Cu的含量是4.1-4.6％、Zr的含量是不高于0.2％、Fe的含量是不高于0.5％、Si的含量是不高于0.5％、Mn的含量是0.4-0.8％、Ti的含量是不高于0.2％、Cr的含量是不高于0.3％、O以及N的总含量是不高于0.05％，余量是Al。
6.一种针对如权利要求5所述的用于增材制造的铝基复合金属粉末的制备方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：
1)制备铝合金基体粉末，所述铝合金基体粉末的粒径不大于180um，所述铝合金基体粉末的球形度不小于0.8，所述铝合金基体粉末的空心粉率不大于10％；
2)获取陶瓷颗粒，所述陶瓷颗粒的粒径不大于1μm；
3)采用球磨法，将铝合金基体粉末和陶瓷颗粒混合，制备得到用于增材制造的铝基复合金属粉末。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于：所述陶瓷颗粒是纳米陶瓷颗粒。
8.根据权利要求6或7所述的制备方法，其特征在于：所述步骤3)中球磨法所采用的球磨设备是全方位行星式球磨机，所述球磨法的工作参数是：球料比2：1～6：1，转速100-400rpm，球磨时间2～24h。
9.一种3D打印铝基合金的方法，其特征在于，方法包括：将根据权利要求6或7或8所述的制备方法制得的如权利要求1至5任一项所述的用于增材制造的铝基复合金属粉末送入3D打印设备，待成形室腔体密闭后通入惰性气体，并根据铝基合金制件的分层扫描数据进行3D打印。
10.根据权利要求9所述的方法制备得到的铝基合金制件。
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