[發明專利]在鋁合金球形粉表面原位合成碳納米管的方法

在審

• 申請號: 201910840457.6
• 申請日: 2019-09-06
• 公開（公告）號: CN110744045A
• 公開（公告）日: 2020-02-04
• 發明（設計）人: 紀元超;孫藝瑋;任曉兵
• 申請（專利權）人: 西安交通大學
• 主分類號: B22F1/00
• 分類號: B22F1/00;B22F9/22;C01B32/162;B33Y70/10
• 代理公司: 11429 北京中濟緯天專利代理有限公司
• 代理人: 覃婧嬋

本發明公開了一種在鋁合金球形粉表面原位合成碳納米管的方法，涉及高吸光性鋁基粉體制備技術領域，所述方法包括以下步驟：S100、制備Ni/2024Al催化劑；S200、將Ni/2024Al催化劑在混合氣體氛圍下煅燒得到CNTs/2024Al?Ni復合粉體。本發明的制備方法利用碳管的強吸光性和納米尺度表面效應提高鋁合金粉體對激光能量的吸收效率，降低能量損耗，避免高輸入能量對樣品微觀結構的不利影響，克服金屬粉體的低吸光率對3D打印技術應用中的不利影響，同時最大限度保存了原始粉末的球形度，滿足3D打印要求。

技術領域

本發明涉及高吸光性鋁基粉體制備技術領域，尤其涉及一種在鋁合金球形粉表面原位合成碳納米管的方法。

背景技術

當前航天領域中，發動機材料輕量化主要體現在鎂、鋁合金及復合材料的大量應用，其中，使用鎂、鋁合金復合材料是當前實現飛機輕量化的重要途徑，稱為“材料輕量化”。將增材制造技術應用于航天復雜結構的設計制造領域，可以改變傳統的構件設計模式，實現“功能優先設計”理念。只要滿足零件功能和增材制造技術工藝要求，結構設計可以任意發揮。因此，增材制造技術對零件輕量化的重大作用不容忽視。更加值得注意的是，增材制造技術可以實現組件的一體化制造，對航天發動機組件的整體成形，能夠減少現零件之間的裝配及連接結構關系，達到減重的目的。激光選區熔化技術作為增材制造技術的一種，由于其成形過程中粉末經歷了完全熔化/凝固過程，成形精度很高，可實現中小型構件的無模具、快速、全致密直接精密凈成形，特別適合于具有復雜結構零件，構件性能可達到同成分鍛件水平，兼顧精確成形和高性能成形需求，其技術特點特別適合航天復雜構件“材料-設計-制造”一體化的發展要求。

目前，航天發動機常用的鋁合金材料為2024，具有密度輕、比剛度和比強度高等優點，但是由于其材料具有較高的熱導性和熱膨脹系數，且在激光選區熔化成形過程存在粉末表面吸光率過低的問題，成為制約2024鋁合金材料工程化應用的主要技術瓶頸。激光選區熔化技術的過程主要表現為待加工金屬粉體吸收激光能量并將該能量轉化為熱能熔化成形；因此，材料對激光能量的吸收效率對加工過程起重要作用。受自身性能的限制，激光在2024Al合金粉體表面產生強烈的反射，帶走絕大部分能量(激光在金屬粉體表面附近電場會形成駐波波節，自由電子受到光波電磁場的強迫震動后產生次波，次波引發強烈的反射波，最終導致能量喪失)；并且對于長波段激光該現象尤為明顯(長波段下，光子能量較低，主要對金屬中的自由電子起作用，幾乎是全反射的，只有少量的吸收)。因而在采用激光熔燒金屬粉時需要較大的激光能量，但這會造成對基體的熱輸入過大，導致成形零件變形較大、晶粒粗大、組織惡化等惡劣影響，嚴重影響打印所得零件的各項性能。可見，提高打印用粉對激光的吸收率，是3D打印領域急需解決的問題。

為增強金屬表面激光吸收效率，普遍的做法是在金屬材料表面涂覆一層電阻率高、自由電子少的涂料。但是這種方法應用于金屬粉體領域則會出現一些新的問題：涂覆材料容易引入雜質及改變金屬基體的原有成分，在微米粉末表面進行難以實現表面平整、厚度均勻的涂覆。

隨著增材制造技術的發展，利用激光將金屬粉末逐層熔化并成型為金屬零件的選區激光熔融技術獲得了國內外學者的廣泛關注。因此，開發一種提高金屬粉末激光能量吸收率的新方法已成為一種迫切需要。近年來，納米復合材料技術的迅速發展，為2024鋁合金激光選區熔化成形提供了可能，替代傳統的2024鋁合金釬焊工藝，為航天發動機、國防、軍工、兵器和導彈的國防戰略領域提供技術支撐。

因此，為了克服現有技術中2024鋁合金微米粉對激光的吸收率不高，進而導致選區激光熔融技術應用過程中的諸多局限性問題，本領域的技術人員致力于開發一種鋁合金粉體制備方法和原位合成碳納米管的方法，不僅能利用碳管的強吸光性和表面效應提高鋁合金粉體對激光能量的吸收效率，同時通過碳納米管的強化效果增強鋁合金基體，而且能最大限度保留粉末的球形度，以滿足3D打印的需求。

發明內容