[發明專利]一種基于超聲處理輔助激光3D打印納米粒子修飾Al-Cu合金的晶粒細化方法

有效

• 申請號: 202110913609.8
• 申請日: 2021-08-10
• 公開（公告）號: CN113600833B
• 公開（公告）日: 2022-10-11
• 發明（設計）人: 席麗霞;陸秋陽;顧冬冬
• 申請（專利權）人: 南京航空航天大學
• 主分類號: B22F10/28
• 分類號: B22F10/28;B22F10/50;B22F9/04;C22C1/04;B33Y10/00;B33Y40/10;B33Y70/00;C22C21/16;B22F12/00;B33Y30/00;B22F1/054
• 代理公司: 江蘇圣典律師事務所 32237
• 代理人: 徐芝強;胡建華

本發明公開了一種基于超聲處理輔助激光3D打印納米粒子修飾Al?Cu合金的晶粒細化方法，該方法在激光3D打印Al?Cu合金過程中使用超聲熔體處理，并在Al?Cu合金原始粉末中添加納米Zr粒子提升超聲熔體處理效率。超聲波破碎枝晶、空化作用與納米粒子相結合，顯著增加熔池內晶粒形核。激光3D打印制備Al?Cu合金組織由粗大柱狀晶轉變為均勻細小等軸晶，避免凝固裂紋的產生，顯著提升了Al?Cu合金激光3D打印成形性。該方法同步提升了成形效率與成形質量，使激光3D打印Al?Cu合金實用化成為可能。

技術領域

本發明屬于激光3D打印工藝創新領域，涉及一種基于超聲處理輔助激光3D打印納米粒子修飾Al-Cu合金的晶粒細化方法。

背景技術

激光3D打印技術是一種面向金屬的增材制造技術，有別于傳統“減材”和“等材”制造技術，可實現復雜零構件一體化快速成形。激光3D打印技術基于離散、堆積原理，使用計算機將三維模型離散為二維數據，利用高能激光熔化金屬粉末，逐層快速熔化、凝固堆積生成三維實體，具有成形速度快、成形精度高、設計自由度高、材料利用率高等特點。目前激光3D打印技術已經被廣泛應用于航空航天、國防軍事、醫療健康等領域。

激光束能量高、焦點移動速度快、移動路徑復雜，熔池冷卻速度快，激光與粉末會發生復雜的物理、化學及冶金反應，因此激光3D打印過程中有眾多不穩定因素。并非所有金屬材料均適用于激光3D打印技術，當今使用的5500余種合金中僅有少數部分鋼、鈦合金、鎳基高溫合金、鋁合金和銅合金的激光3D打印工藝較為成熟。

Al-Cu合金是一類常用高強鍛造鋁合金，經時效強化后，其強度可與鋼材媲美，且具有較好耐蝕性、耐熱性以及疲勞強度。但因其凝固溫度范圍寬，激光3D打印成形過程中極易出現柱狀晶粒及裂紋，嚴重影響其力學性能。雖可通過降低掃描速度、提高激光功率等方式提高能量密度，延長液相回填時間，減少裂紋，但低掃描速度(200mm/s)使其成形效率低，晶粒粗化，且導致低熔點合金元素蒸發，劣化性能。同時，過高激光功率加之材料本身高反射率亦會導致反射激光損壞激光器，不具備實際生產價值。

發明內容

發明目的：本發明目的在于解決目前高強鍛造Al-Cu合金激光3D打印成形性差，柱狀晶組織明顯，易產生裂紋等問題。

為了解決上述技術問題，本發明采取的技術方案如下：

一種基于超聲處理輔助激光3D打印納米粒子修飾Al-Cu合金的晶粒細化方法，包括如下步驟：

(1)將Al-Cu合金粉末與納米Zr粒子混合均勻，得到Al-Cu/納米Zr粒子混合粉體；

(2)使用計算機輔助設計軟件建立目標零件的三維實體幾何模型，后利用Materialise Magics軟件對該模型進行分層切片并規劃激光掃描路徑，將三維實體離散成一系列二維數據；

(3)將步驟(2)所得數據導入選區激光熔化成形設備中，將Al-Cu/納米Zr粒子混合粉體逐層熔化凝固，同時在打印過程中，對熔體進行超聲處理，成形為均勻致密的三維實體零件。

步驟(1)中，所述的Al-Cu合金粉末中，Cu含量為4.00～4.90wt.％，Mg含量為1.30～1.80wt.％，Mn含量為0.30～0.90wt.％，余量為Al；Al-Cu合金粉末粒徑為15～45μm。

步驟(1)中，所述的納米Zr粒子粒徑為40～60nm，純度大于99.9％，添加量為混合得到的Al-Cu/納米Zr粒子混合粉體總質量的0.1～1wt.％。

步驟(1)中，混合采用球磨機進行，具體為：將按質量分數稱量的Al-Cu合金原始粉末與納米Zr粒子置于Ar氣氛圍保護的罐體中進行高速旋轉混合，罐體中放置若干剛玉球體加速混合。剛玉球體與原材料比例為2:1，轉速為200rpm，球磨時間為4h，每球磨10分鐘后暫停冷卻5分鐘，以充分混合Al-Cu合金原始粉末與納米Zr粒子同時保持粉體球形度。基于上述過程，可獲得Al-Cu/納米Zr粒子混合粉體。