一种消除激光3D打印成形7075铝合金热裂纹的粉末改性方法技术

本发明专利技术公开了一种消除激光3D打印成形7075铝合金热裂纹的粉末改性方法。本发明专利技术属于激光3D打印技术领域，本发明专利技术采用超声波振动分散和机械混合相结合的方法，其中超声波功率为90～150W、输出频率30～40KHz、连续分散30～50min；机械混合时间为10～12h、筒体转速18～25rpm。采用上述方法将具有细化晶粒作用的纳米TiN粉末均匀分布于7075铝合金粉末表面，降低混合粉末的激光反射率，并通过激光3D打印设备进行激光选区熔化成形出无周期性热裂纹的零部件。该制备方法简便、成本低，通过混入纳米TiN粉末，能有效降低激光反射率，且在激光选区熔化成形过程中起到细化晶粒的作用，有效的抑制并回填成形过程中出现的热裂纹，提高零部件的力学性能。

A powder modification method to eliminate the hot crack of 7075 aluminum alloy formed by laser 3D printing

【技术实现步骤摘要】
一种消除激光3D打印成形7075铝合金热裂纹的粉末改性方法
本专利技术涉及激光3D打印
，尤其涉及一种消除激光3D打印成形7075铝合金热裂纹的粉末改性方法。
技术介绍
激光选区熔化(SLM)技术是一种具有潜力的颠覆性增材制造技术。通过高能激光束以逐层打印叠加的方式直接熔化金属粉末，从而制备出几何形状复杂、尺寸精度高的三维零部件。该技术可以提高设计自由度和制造灵活性，具有材料利用率高、产品研发周期短、生产成本低等优势，已应用于航空航天、生物医学和汽车工业等领域。然而，激光选区熔化技术目前仅能可靠地打印少数几种合金，如钛基、镍基、铝基、铁基合金等，因此，增加适用于该技术的合金种类和数量成为一项重要的研究课题。7075铝合金作为一种高强度锻压合金，力学性能优异。但其激光反射率高、可焊接性差，通过激光选区熔化制备的样品往往存在大量的周期性热裂纹，从而失去了工程应用价值，该问题一直是本领域科研工作者努力攻关的重点。目前，一些研究团队采用静电组装和机械混合的方法分别将纳米ZrH粉末加入到7075铝合金粉末中，通过激光选区熔化成形出无热裂纹的试样。但是通过静电组装混合粉末后，粉末表面残留的有机物不易去除，对粉末造成一定程度的污染。机械混合则难以有效的使微米Si粉均匀分布于铝合金粉末。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服上述现有技术的缺点和不足，提供一种消除激光3D打印成形7075铝合金热裂纹的粉末改性方法。采用超声波振动分散和机械混合相结合的方法，将具有细化晶粒作用的纳米TiN粉末均匀分布于7075铝合金粉末表面，降低混合粉末的激光反射率，并通过激光3D打印设备进行激光选区熔化成形出无周期性热裂纹的零部件。本专利技术通过下述技术方案实现：一种消除激光3D打印成形7075铝合金热裂纹的粉末改性方法，包括以下步骤：(1)将7075铝合金粉末和纳米TiN粉末放入真空干燥箱进行烘干处理；(2)将步骤(1)所述干燥处理后的粉末放入到超声波振动机中，进行超声波振动分散；(3)将步骤(2)所述分散后的粉末放入V型混料机中进行机械混合，筛分出粒径53μm以下的粉末，得到TiN/7075混合粉末；(4)将步骤(3)所述TiN/7075混合粉末装进激光3D打印设备的粉缸中，抽真空后通入保护气氛，激光器在低氧环境下根据预先设定的工艺参数及规划路径进行扫描并熔化粉层，逐层打印，最终得到7075铝合金零部件。优选的，步骤(1)所述纳米TiN粉末采用钛丝材电爆炸法制备，后经氮化处理获得，粉末具有球形的形貌特征，纯度大于99.9％，中位粒径D50为70～100nm。优选的，步骤(1)所述7075铝合金粉末中位粒径D50为30～50μm，其化学成分为：Cu：1.6wt.％；Mg：2.6wt.％；Zn：5.8wt.％；Cr：0.22wt.％；Si：0.09wt.％；Fe：0.07wt.％；Ti：0.01wt.％；其余为Al。优选的，步骤(1)所述7075铝合金粉末与纳米TiN粉末的质量分数分别为：94～98％、2～6％。优选的，步骤(1)所述烘干温度为60～70℃，烘干时间为9～11h。优选的，步骤(2)所述超声波振动的相关参数为：输出频率30～40KHz；超声波功率：90～150W；振动模式：连续。优选的，步骤(2)所述超声波振动分散时间为30～50min。优选的，步骤(2)所述超声波振动分散过程中，7075铝合金粉末和纳米TiN粉末以相应的质量分数比连续混合。优选的，步骤(3)所述机械混合时间为10～12h。优选的，步骤(3)所述机械混合的筒体转速为18～25rpm。优选的，步骤(4)所述激光选区熔化成形的工艺参数为：激光功率160～200W；扫描速度：200～800mm/s；扫描间距：80～100μm；铺粉层厚：30～50μm。本专利技术相对于现有技术，具有如下的优点及效果：本专利技术使用的纳米TiN粉末具有熔点高(2950.6～3205.8℃)、化学稳定性好和激光吸收能力强等良好的理化性质，通过超声波振动分散和机械混合相结合的方法，将具有细化晶粒作用的纳米TiN粉末均匀黏附在7075铝合金粉末表面，从而提高混合粉末的激光吸收率，该制备方法简便、成本低。经漫反射光谱测试，混合粉末相较于7075铝合金原始粉末，激光反射率由45％降至15％，可大幅提高激光选区熔化成形时的熔池温度，增加熔液流动性，回填成形过程中出现的热裂纹。本专利技术混入的纳米TiN粉末，在激光3D打印设备进行激光选区熔化成形过程中起到细化晶粒的作用，增加枝状晶的连贯性并抑制大的膨胀剪切带，从而有效的抑制周期性热裂纹的产生，提高零部件的力学性能。附图说明图1为本专利技术所述一种消除激光3D打印成形7075铝合金热裂纹的粉末改性方法的工艺流程图。图2为实施例1步骤(4)所得6％TiN/7075混合粉末与7075铝合金原始粉末的漫反射光谱图，图中虚线对应激光3D打印设备配置的光纤激光器波长1064nm。图3为实施例1步骤(4)所得6％TiN/7075混合粉末的SEM形貌图。图4a为实施例3所得2％TiN/7075铝合金零部件金相抛光图。图4b为7075铝合金零部件的金相抛光图。图5为实施例3所得零部件的压缩应力-应变图。具体实施方式本专利技术公开了一种消除激光3D打印成形7075铝合金热裂纹的粉末改性方法，包括以下步骤：步骤一：将7075铝合金粉末和纳米TiN粉末放入真空干燥箱进行烘干处理；步骤二：将步骤一干燥处理后的粉末放入到超声波振动机中，进行超声波振动分散；步骤三：将步骤二分散后的粉末放入V型混料机中进行机械混合，筛分出粒径53μm以下的粉末，得到TiN/7075混合粉末；步骤四：将步骤三TiN/7075混合粉末装进激光选区熔化3D打印设备的粉缸中，成型室抽真空后通入保护气氛，激光器根据预设作业参数，按照规划路径逐层选区熔化粉层，最终得到7075铝合金零部件。下面结合具体实施例对本专利技术作进一步具体详细描述。实施例1(1)选用球形7075铝合金粉末和球形纳米TiN粉末(纯度大于99.9％)，其中位粒径D50分别为30μm、70nm。7075铝合金粉末和纳米TiN粉末的质量分数分别为：94％、6％。将两种粉末放入真空干燥箱中烘干9h，烘干温度为60℃。(2)将烘干后的两种粉末以94：6的质量分数比连续混合，即分批将7075铝合金粉末和纳米TiN粉末以94：6的质量分数比加入到超声波振动机中，每批振动分散5min，直至将所需粉末全部加入完毕。其中，设备的输出频率30KHz，超声波功率90W，振动模式为连续。(3)将超声波振动分散后的粉末加入到V型混料机中机械混合10h，筒体转速为18rpm。(4)取出机械混合后的粉末，使用3D打印材料筛分仪筛分出粒径53μm以下的粉末，得到6％TiN/7075本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种消除激光3D打印成形7075铝合金热裂纹的粉末改性方法，其特征在于，包括以下步骤：/n步骤一：将7075铝合金粉末和纳米TiN粉末放入真空干燥箱进行烘干处理；/n步骤二：将步骤一干燥处理后的粉末放入到超声波振动机中，进行超声波振动分散；/n步骤三：将步骤二分散后的粉末放入V型混料机中进行机械混合，筛分出粒径53μm以下的粉末，得到TiN/7075混合粉末；/n步骤四：将步骤三TiN/7075混合粉末装进激光选区熔化3D打印设备的粉缸中，成型室抽真空后通入保护气氛，激光器根据预设作业参数，按照规划路径逐层选区熔化粉层，最终得到7075铝合金零部件。/n

【技术特征摘要】
1.一种消除激光3D打印成形7075铝合金热裂纹的粉末改性方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：将7075铝合金粉末和纳米TiN粉末放入真空干燥箱进行烘干处理；
步骤二：将步骤一干燥处理后的粉末放入到超声波振动机中，进行超声波振动分散；
步骤三：将步骤二分散后的粉末放入V型混料机中进行机械混合，筛分出粒径53μm以下的粉末，得到TiN/7075混合粉末；
步骤四：将步骤三TiN/7075混合粉末装进激光选区熔化3D打印设备的粉缸中，成型室抽真空后通入保护气氛，激光器根据预设作业参数，按照规划路径逐层选区熔化粉层，最终得到7075铝合金零部件。


2.根据权利要求1所述消除激光3D打印成形7075铝合金热裂纹的粉末改性方法，其特征在于步骤一所述纳米TiN粉末采用钛丝材电爆炸法制备，后经氮化处理获得，粉末具有球形的形貌特征，纯度大于99.9％，中位粒径D50为70～100nm。


3.根据权利要求2所述消除激光3D打印成形7075铝合金热裂纹的粉末改性方法，其特征在于步骤一所述7075铝合金粉末中位粒径D50为30～50μm，其化学成分为：Cu：1.6wt.％；Mg：2.6wt.％；Zn：5.8wt.％；Cr：0.22wt.％；Si：0.09wt.％；Fe：0.07wt.％；Ti：0.01wt.％；其余为Al。


4.根据权利要求3所述消除激光3D打印成形7075铝合金热裂纹的粉末改性方法，其特征在于步骤一所述7075铝合...

【专利技术属性】
技术研发人员：肖志瑜，吴文杰，高超峰，柳中强，王震，温利平，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：广东;44