3D打印高强度铝合金用金属粉末、打印方法及其应用技术

本发明专利技术公开了一种3D打印高强度铝合金用金属粉末，用所述金属粉末3D打印高强度铝合金的打印方法及其该3D打印方法的应用。所述3D打印高强度铝合金用金属粉末，包括铝合金微米颗粒，其特征在于，所述铝合金微米颗粒表面从里到外依次修饰有石墨烯和纳米增强颗粒；石墨烯添加量为所述金属粉末总质量的0.3‑0.6％，纳米增强颗粒总添加量为所述金属粉末总质量的1‑3％；所述铝合金微米颗粒的粒径为10μm‑60μm；纳米增强颗粒的粒径为30nm‑60nm。所述金属粉末可打印高强度铝合金，广泛引用于铝合金部件的制造上。

Metal Powder for 3D Printing of High Strength Aluminum Alloy, Printing Method and Its Application

The invention discloses a metal powder for 3D printing of high strength aluminium alloy, a printing method for 3D printing of high strength aluminium alloy with the metal powder and the application of the 3D printing method. The metal powder for 3D printing of high strength aluminium alloy, including aluminium alloy microparticles, is characterized in that the surface of the aluminium alloy microparticles is modified successively with graphene and nano-reinforced particles from inside to outside; the amount of graphene added is 0.3 to 0.6% of the total mass of the metal powder, and the total amount of nano-reinforced particles added is 1 to 3% of the total mass of the metal powder. The particle size of rice particles is 10 1089 The metal powder can print high strength aluminium alloy and is widely used in the manufacture of aluminium alloy parts.

【技术实现步骤摘要】
3D打印高强度铝合金用金属粉末、打印方法及其应用
本专利技术涉及一种3D打印高强度铝合金用金属粉末、打印方法及其应用，属于3D打印

技术介绍
铝合金具有高的比强度、比模量、和良好的断裂韧性、抗疲劳、耐腐蚀的性能，是各个工业部门广泛应用的重要的材料。随着轻量化、结构功能一体化的强劲需求，高强铝合金零件在高速列车等领域应用广泛，但因其焊接性能和铸造性能差，传统加工方法制备困难。而且传统减材加工方式对材料浪费严重，而且难以实现对复杂形面的成形，特别是在成形大型金属构件的情况下，更是成本高昂、浪费严重、制造周期长。3D打印，也称为增材制造(AdditiveManufacturing，AM)，是一个从三维模型数据出发，将材料逐层堆积制造物体的过程，而不是传统的减法制造方法。这种无需原胚和模具的制造方法可以给行业带来新的设计灵活性，减少能源使用和缩短上市时间。目前较为成熟的3D打印方法为激光3D打印，但是，与不锈钢、高温合金、钛合金等其他金属材料相比，铝合金对激光的反射率较高、对激光的吸收率较低、易氧化以及具有较高的导热系数，在3D打印过程中经常发生开裂、翘曲、变形、球化等现象，打印构件存在致密度低、脆化、翘曲、开裂等问题，是3D打印技术中最难打印的材料之一。为了得到优异性能的高强度铝合金结构件，满足航空航天、武器装备产品对铝合金构件的要求，有必要开发一种用于3D打印高强度铝合金的金属粉末及其3D打印方法。
技术实现思路
本专利技术的专利技术目的是提供一种3D打印高强度铝合金用金属粉末，用所述金属粉末3D打印高强度铝合金的打印方法及其该3D打印方法的应用。本专利技术实现其专利技术目的首先提供了一种用于3D打印高强度铝合金用金属粉末，包括铝合金微米颗粒，其特征在于，所述铝合金微米颗粒表面从里到外依次修饰有石墨烯和纳米增强颗粒；石墨烯添加量为所述金属粉末总质量的0.3-0.6％，纳米增强颗粒总添加量为所述金属粉末总质量的1-3％；所述铝合金微米颗粒的粒径为10μm-60μm；纳米增强颗粒的粒径为30nm-60nm。所用的石墨烯层数为3-6层，厚度为2-8nm，直径为4-12μm。本专利技术金属粉末的设计原理是：石墨烯是一种由碳原子组成的单原子层结构的材料，凭借其独特的机械、电学、化学及光学等方面的优异性能，受到材料界的极大重视，被认为是一种非常有发展前途的增强体材料。纳米增强颗粒可在3D打印成形过程中产生大量的异质形核质点，显著细化了晶粒，使得晶粒形状由柱状晶变成抗热裂性能高的等轴晶，热裂敏感性大大降低，可实现铝合金无裂纹的3D打印成形。进一步，按质量百分比计，所述铝合金微米颗粒中元素的组分含量为，Zn：4.7-6.0wt％，Mg：1.5-2.5wt％，Cu：1.6-2.0wt％，Cr：0.15-2.0wt％，Fe：0.15-0.18wt％，Mn：0.01-0.03wt％，Yb：0.3-0.6wt％，Si：≤0.08wt％，Ti≤0.01wt％，余量为Al。实验验证，以上元素组分含量制备的铝合金微米颗粒球形度高，粒径小，通过3D打印获得的铝合金零部件力学性能优异，其中增加0.3-0.6wt％的Yb元素起到细化作用、变质作用以及微合金化作用。进一步，本专利技术所述纳米增强颗粒包括ZrB2纳米颗粒和/或TiB2纳米颗粒。ZrB2和TiB2颗粒均属六方晶系的准金属化合物，稳定性好，熔点较高，且两种颗粒热膨胀系数相等，以此作为增强颗粒提升铝合金基体的综合力学性能。进一步，本专利技术所述用于3D打印高强度铝合金的金属粉末由以下方法制备：S1、将粒径为10μm-60μm，平均球形度≥0.95的铝合金微米颗粒加入到十六烷基三甲基溴化铵水溶液中，通过超声使铝合金微米颗粒在十六烷基三甲基溴化铵水溶液中充分分散，然后经过搅拌1h～2h、洗涤、过滤，得到十六烷基三甲基溴化铵修饰的带正电荷的铝合金微米颗粒；所述十六烷基三甲基溴化铵水溶液中十六烷基三甲基溴化铵的质量分数为1％，加入十六烷基三甲基溴化铵水溶液中铝合金微米颗粒的重量与十六烷基三甲基溴化铵水溶液的体积比为1g:1.5mL；S2、将步骤S1得到的带正电荷的铝合金微米颗粒加入去离子水中，搅拌或超声分散得到铝合金微米颗粒悬浮液；将石墨烯加入去离子水中，超声充分分散得到石墨烯分散液，将石墨烯分散液加入到铝合金微米颗粒悬浮液中，充分搅拌，使得带负电荷的石墨烯通过静电吸引吸附到带正电荷的铝合金微米颗粒表面，得到表面修饰有石墨烯的铝合金微米颗粒悬浮液；S3、将纳米增强颗粒加入到去离子水中，超声充分分散得到纳米增强颗粒悬浮液，并将所述增强颗粒悬浮液加入表面修饰有石墨烯的铝合金微米颗粒悬浮液中，充分搅拌，使得纳米增强颗粒吸附在石墨烯表面，然后过滤，冷冻干燥；得到石墨烯和纳米增强颗粒修饰的铝合金微米颗粒；S4、将步骤S3制得的石墨烯和纳米增强颗粒修饰的铝合金微米颗粒进行筛分处理，得到粒度为10μm-60μm的细小均匀粉末；S5、将步骤S4筛分处理得到的粉末置于真空脱气炉，进行真空脱气，即可得到用于3D打印高强度铝合金的金属粉末。所述真空脱气的条件为，在2*10-3-1*10-2Pa真空度下，依次在100-200℃保温1-2h，在300～400℃保温2～5h。上述制备方法的原理是：首先在通过静电组装铝合金微米颗粒表面包裹石墨烯，再利用物理吸附作用将TiB2和/或ZrB2纳米粒子吸附在石墨烯表面，得到表面修饰有石墨烯和纳米增强颗粒的铝合金微米颗粒。碳原子的p电子组成的大π和TiB2和/或ZrB2中的B原子外的p空轨道结合，形成p电子与p轨道的物理吸附，将TiB2和/或ZrB2吸附在石墨烯表面，宏观上分析，石墨烯表面带有电负性，TiB2和ZrB2的Zeta电位均在正46mV以上，可与石墨烯形成静电物理吸附。一般采用球磨法将石墨烯修饰修饰在铝合金微米颗粒表面，但球磨法会对破坏石墨烯的尺寸和结构，削弱石墨烯的强化作用，破坏石墨烯表面的电子云分布，同时球磨法也会降低铝合金微米颗粒的球形度。本专利技术用静电组装的方法有效地将石墨烯分散包裹在铝合金微米颗粒表面，避免了球墨处理对石墨烯尺寸破坏以及对铝合金基体产生的加工硬化现象，防止了石墨烯团聚现象的发生。粉末颗粒粒径越小，表面能越大，也就越容易吸附气体，吸附的气体会进一步加剧粉末的粘连、团聚，真空脱气过程可使粉末间隙或者表面的气体释放出来。上述方法制备的用于3D打印高强度铝合金的金属粉末氧含量低于800ppm，粉末流动性小于55s/50g。本专利技术实现其专利技术目的还提供了一种用上述金属粉末3D打印高强度铝合金的方法，包括以下步骤：a、构建所需制备零件构件的三维模型并将其输入3D打印编辑软件中，编辑后进行二维化处理，得到二维切片数据并将其导入选区熔化成形设备，设定熔化沉积扫描路径和加工工艺参数；b、通过设置在成形基板上方的感应加热装置预热成形基板，密封选区熔化成形设备的工作台并充入氩气保护，至氧气含量在300ppm以下；c、按照所述二维切片数据的切片厚度，将所述用于3D打印高强度铝合金的金属粉末在成形基板上进行一层铺粉；d、选区熔化成形设备的热源按照预先设定的扫描路径，选择性对成形基板上的金属粉末进行扫描，粉末熔化并凝固，形成熔覆层，即完成一个层面的扫描；e、完成步骤d中一个层面扫描后，成本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种3D打印高强度铝合金用金属粉末，包括铝合金微米颗粒，其特征在于，所述铝合金微米颗粒表面从里到外依次修饰有石墨烯和纳米增强颗粒；石墨烯添加量为所述金属粉末总质量的0.3‑0.6％，纳米增强颗粒总添加量为所述金属粉末总质量的1‑3％；所述铝合金微米颗粒的粒径为10μm‑60μm；纳米增强颗粒的粒径为30nm‑60nm。

【技术特征摘要】
1.一种3D打印高强度铝合金用金属粉末，包括铝合金微米颗粒，其特征在于，所述铝合金微米颗粒表面从里到外依次修饰有石墨烯和纳米增强颗粒；石墨烯添加量为所述金属粉末总质量的0.3-0.6％，纳米增强颗粒总添加量为所述金属粉末总质量的1-3％；所述铝合金微米颗粒的粒径为10μm-60μm；纳米增强颗粒的粒径为30nm-60nm。2.根据权利要求1所述的3D打印高强度铝合金用金属粉末，其特征在于，按质量百分比计，所述铝合金微米颗粒中元素的组分含量为，Zn：4.7-6.0wt％，Mg：1.5-2.5wt％，Cu：1.6-2.0wt％，Cr：0.15-2.0wt％，Fe：0.15-0.18wt％，Mn：0.01-0.03％，Yb：0.3-0.6wt％，Si：≤0.08wt％，Ti≤0.01wt％，余量为Al。3.根据权利要求1所述的3D打印高强度铝合金用金属粉末，其特征在于，所述纳米增强颗粒包括ZrB2纳米颗粒和/或TiB2纳米颗粒。4.根据权利要求3所述的3D打印高强度铝合金用金属粉末，其特征在于，所述用于3D打印高强度铝合金用金属粉末由以下方法制备：S1、将粒径为10μm-60μm，平均球形度≥0.95的铝合金微米颗粒加入到十六烷基三甲基溴化铵水溶液中，通过超声使铝合金微米颗粒在十六烷基三甲基溴化铵水溶液中充分分散，然后经过搅拌、洗涤、过滤，得到十六烷基三甲基溴化铵修饰的带正电荷的铝合金微米颗粒；S2、将步骤S1得到的带正电荷的铝合金微米颗粒加入去离子水中，搅拌或超声分散得到铝合金微米颗粒悬浮液；将石墨烯加入去离子水中，超声充分分散得到石墨烯分散液，将石墨烯分散液加入到铝合金微米颗粒悬浮液中，充分搅拌，使得带负电荷的石墨烯通过静电吸引吸附到带正电荷的铝合金微米颗粒表面，得到表面修饰有石墨烯的铝合金微米颗粒悬浮液；S3、将纳米增强颗粒加入到去离子水中，超声充分分散得到纳米增强颗粒悬浮液，并将所述增强颗粒悬浮液加入表面修饰有石墨烯的铝合金微米颗粒悬浮液中，充分搅拌，使得纳米增强颗粒吸附在石墨烯表面，然后过滤，冷冻干燥；得到石墨烯和纳米增强颗粒修饰的铝合金微米颗粒；S4、将步骤S3制得的石墨烯和纳米增强颗粒修饰的铝合金微米颗粒进行筛分处理，得到粒度为10μm-60μm的细小均匀粉末；S5、将步骤S4筛分处理得到的粉末装舟置于真空脱气炉，进行真空脱气，即可得到用于3D打印高强度铝合金的金属粉末。5.一种用权利要求1-4任一所述的3D打印用高强度铝合金金属粉末进行3D打印的方法，包括以下步骤：a、...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱忠尹，苟国庆，于金朋，马前，付正鸿，张曦，马传平，郭糠，李婷，单美乐，
申请(专利权)人：西南交通大学，
类型：发明
国别省市：四川,51