[發明專利]一種激光增材制造用鋁基復合粉體材料及其制備方法

在審

• 申請號: 202210278911.5
• 申請日: 2022-03-18
• 公開（公告）號: CN114713818A
• 公開（公告）日: 2022-07-08
• 發明（設計）人: 袁超;侯曉東;張書彥;張鵬
• 申請（專利權）人: 東莞材料基因高等理工研究院;廣東書彥材料基因創新科技有限公司
• 主分類號: B22F1/12
• 分類號: B22F1/12;B22F1/052;B33Y70/00;B33Y70/10
• 代理公司: 廣州市越秀區哲力專利商標事務所(普通合伙) 44288
• 代理人: 陶潔雯

一種激光增材制造用鋁基復合粉體材料及其制備方法，涉及增材制造材料技術領域，包括以下體積百分比計的組分：非氧化物系陶瓷顆粒2～10％；納米氧化物顆粒0.5～2％；鋁合金粉余量。本發明以鋁合金粉為基體，添加微米/亞微米級非氧化物系陶瓷顆粒復合后，在激光熔池凝固過程中，既能避免復合粉體在激光成型過程中的開裂，還能夠有效強化鋁合金基體。同時在復合粉體表面引入納米級氧化物顆粒，可在激光高能束作用下，通過納米氧化物顆粒在激光熔池中的鋁熱還原反應，形成凝固形核質點以抑制柱狀晶生長，進一步抑制凝固裂紋的問題，同時鋁熱反應生成的納米質點和納米氧化鋁存在最終成型零部件，亦可實現對鋁基金屬的強化。

技術領域

本發明屬于增材制造材料技術領域，具體涉及一種激光增材制造用鋁基復合粉體材料及其制備方法。

背景技術

傳統的增材制造用鋁基復合材料顆粒，由于具有密度低、比強度高、比模量高以及高導熱等結構與功能特性，在航空、航天、交通等高端制造領域具有顯著的應用前景。隨著相關技術領域的發展，傳統鍛造、擠壓及車、銑等加工技術已經實現高效低成本的復雜零部件加工，近凈成型加工技術需求日益強烈。作為一種革命性的金屬成型加工技術，激光增材制造粉末技術可應用于鋁金屬，能夠同時兼顧零部件的復雜形狀與快速成型，受到高端制造領域的廣泛關注和青睞。

但是，由于鋁金屬的高激光反射、高導熱及高熱膨脹等特點，鋁合金在激光增材制造過程中容易形成裂紋等缺陷。在激光作用下的高溫度梯度，鋁合金熔池凝固過程由于柱狀晶生長，液相金屬不能及時補縮而導致沿柱狀晶生長方向的凝固裂紋。同時，對于傳統顆粒強化鋁基復合材料，陶瓷顆粒引入復合界面，在反復激光加熱冷卻過程中，由于基體與顆粒間熱膨脹系數的差異，更加劇了凝固裂紋。因此，目前能夠實際應用的激光粉末增材制造鋁合金主要是一些具有高流動性的AlSi₁₀Mg、AlSi₁₂高Si鑄造鋁合金。但是，高Si鋁鑄造合金，強度低、模量低，難以滿足高端技術領域對鋁合金高性能的要求。對于具有較大的固液凝固區間的變形鋁合金及復合材料，則因為激光增材制造過程中的裂紋缺陷而難以成型，進行限制了相關領域高性能鋁基金屬材料的推廣和應用。

隨著近年來鋁合金激光增材制造研究的進步，抑制激光增材制造過程中的柱狀晶生長，是避免和消除鋁合金凝固開裂缺陷的有效手段。已有研究發現，通過調節合金成分，如添加Zr、Sc、Ti等元素(Scripta Materialia，2018，145：113–117)，在熔池中形成納米粒子，或通過添加與基體鋁具有較好錯配度的LaB₆、TiB₂陶瓷納米粒子(AdditiveManufacturing 2020，32：101034；Journal of Manufacturing Processes 2020，53：283–292)，可促進凝固形核，一定程度可降低鋁合金激光熔池凝固過程中的開裂發生。但是，調控鋁合金粉末成分涉及工藝復雜，對合金成分調節對金屬粉末制備過程中的熔煉、霧化等均有較高要求，需要針對性的合金成分開發與性能評價，時間與工藝成本大幅提升；而直接添加LaB₆、TiB₂陶瓷納米粒子，則面臨納米陶瓷顆粒分散不均、團聚及界面結合差問題，而難以有效發揮凝固形核作用。同時，上述方法引入鋁基體的納米粒子含量少，主要在抑制凝固裂紋方面發揮較大作用，而難以對合金基體，尤其是模量性能產生較大影響。

因此，開發既能抑制鋁合金激光增材制造凝固裂紋、又能獲得相較鋁合金基體性能大幅提升的復合粉末制備方法，成為當前發展高端制造領域應用高性能鋁基金屬復合材料增材制造應用的關鍵。

發明內容

為了克服現有技術的不足，本發明的目的之一在于提供一種激光增材制造用鋁基復合粉體材料，其能抑制鋁合金在激光增材制造中出現凝固裂紋的問題，又能具備鋁合金基體的密度低、比強度高、比模量高和高導熱的性能。

本發明的目的之二在于提供一種激光增材制造用鋁基復合粉體材料的制備方法，其能提高各摻雜顆粒的分散性，減少團聚，提高摻雜顆粒與鋁合金粉的界面結合性能。