一种3D打印用的铝基纳米复合材料粉末及其制备方法技术

本发明专利技术提供了一种3D打印用的铝基纳米复合材料粉末及其制备方法。本发明专利技术通过使用糖碳盐混合固体，并在熔融盐辅助下，在熔融铝中原位合成碳化物纳米颗粒，从而制得3D打印用的铝基纳米复合材料粉末，其中所得碳化物纳米颗粒尺寸可控，平均尺寸在100nm以下，能有效抑制3D打印过程中发生热裂，提高基体合金的强度。本发明专利技术制备方法简单、成本低，适用于制备新型低热裂高强2000、6000系及7000系铝基纳米复合材料粉末，所得铝基纳米复合材料粉末适用于选区激光熔化及电子束选区熔化3D打印。激光熔化及电子束选区熔化3D打印。

【技术实现步骤摘要】
一种3D打印用的铝基纳米复合材料粉末及其制备方法


[0001]本专利技术属于金属材料和增材制造
，具体涉及一种3D打印用的铝基纳米复合材料粉末及其制备方法。

技术介绍

[0002]3D打印，被称为引发第三次技术革命的智能制造技术，彻底改变了传统金属零件，特别是高性能、难加工、构型复杂等金属零件的加工模式。对于铝合金行业而言，2000系及7000系高强铝基合金比强度、比刚度高，耐腐蚀性能好，在航空航天、国防工业和汽车制造等工业领域有着广泛的应用。目前工业上用的该类合金一般都是通过塑性变形，精密加工等传统制造技术获得的。然而，传统的制造技术生产效率低，原材料耗损严重，并且传统制造技术很难制造获得形状较为精密复杂的构件。
[0003]金属增材制造(3D打印)技术是在快速原型的基础上不断发展和完善起来的新技术，运用离散
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堆积的方法通过高能束(如激光、电子束等)将金属材料逐层熔化并进行累积而形成实体零件，可实现复杂金属构件的无模具、快速、自由实体近净成形。与传统的材料去除
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切削加工技术相比，3D打印具有灵活性高、生产周期短、材料利用率高、可实现复杂金属构件的加工等特点，已广泛应用于航空航天、医疗、汽车等领域。然而，目前可进行3D打印的铝合金种类有限，主要为铸造性能优良的Al
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Si合金(如AlSi10Mg，AlSi12)等，但所获得的3D打印金属部件强度只有300MPa。而2000系及7000系等高强铝合金由于其凝固区间宽，热裂倾向性高，很难通过3D打印获得无缺陷、高强度的构件。
[0004]目前主要是通过调整3D打印工艺参数(如扫描速度，扫描间距等)及添加其他合金元素来改善2000系及7000系高强铝合金的3D打印性能，然而，优化工艺参数只能在一定程度上减少3D打印金属部件中的热裂纹，并不能从根本上抑制热裂的产生，而且影响3D打印过程的因素众多，需要进行大量的尝试才能得到最优的工艺参数。专利CN110229978A通过在熔融纯铝或铝合金中，加入反应盐和反应助剂，吹入氩气并搅拌，原位得到二硼化钛以增强铝合金材料的打印性能，但该方法目前只能合成二硼化钛颗粒，且相比于碳化物，二硼化钛与铝熔体的浸润形相对较差，容易出现二次相团聚沉淀的问题，需要在制备过程中引入高速机械搅拌来减少纳米颗粒的团聚，同时由于稀有金属钪(Sc)的加入，提高了生产成本。专利CN108772568A通过熔盐辅助向目标金属中加入高含量、均匀分散的纳米颗粒来减少3D打印金属部件中的热裂纹，该方法可以加入多种纳米颗粒，包括碳化物纳米颗粒，且在熔盐的辅助下，纳米颗粒与基体结合优异，杂质少，性能优异，但是该方法为外加法，受制于纳米颗粒的成本，产品价格高昂。
[0005]因此，有必要设开发出一种新的方法，以消除铝合金在3D打印过程中易热裂的问题，进一步提高3D打印金属部件的强度，同时又能降低成本。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的在于克服现有技术存在的不足之处而提供一种3D打印用的铝基纳
米复合材料粉末及其制备方法，所得铝基纳米复合材料粉末在3D打印过程中无热裂问题，所得3D打印金属部件强度更高，而且成本更加低廉。
[0007]为实现上述目的，第一方面，本专利技术提供了一种3D打印用的铝基纳米复合材料粉末的制备方法，包括以下步骤：
[0008](1)将盐A、碳源、阳离子源以及糖混合均匀，加热使所述糖熔化，冷却，得到第一混合固体；将纯铝完全熔化得到铝液，在铝液表面加盐B，待盐B完全熔化后加入所述第一混合固体进行反应，得到含碳化物纳米颗粒的铝液；将所述含碳化物纳米颗粒的铝液进行浇铸，得到碳化物纳米颗粒增强纯铝复合材料铸锭；
[0009](2)将所述碳化物纳米颗粒增强纯铝复合材料铸锭重新熔化后，按照目标铝合金的成分配料，加热合金化，浇铸，得到目标成分的碳化物纳米颗粒增强的铝基纳米复合材料铸锭；
[0010](3)将所述目标成分的碳化物纳米颗粒增强的铝基纳米复合材料铸锭进行气雾化喷粉，即得所述3D打印用的铝基纳米复合材料粉末。
[0011]上述制备方法通过原位生成碳化物纳米颗粒来消除铝合金在3D打印过程中热裂的问题，改善其3D打印成形性能。引入的碳化物纳米颗粒可以在根本上改变基体铝合金的凝固行为，首先，碳化物纳米颗粒可以作为异质形核质点，促进熔池中晶粒形核，细化熔池中的晶粒尺寸；其次，碳化物纳米颗粒的加入也细化了第二相的尺寸，细化的晶粒及第二相有效的抑制了凝固后期由于粗大的枝晶桥接及粗大第二相与枝晶桥接所引起的补缩不足而导致的热裂纹。同时，加入的碳化物纳米颗粒显著提高了3D打印零部件的强度。
[0012]上述制备方法通过使用糖碳盐混合固体(即第一混合固体)，并在熔融盐辅助下，在熔融铝中原位合成碳化物纳米颗粒，所合成的碳化物纳米颗粒尺寸可控，平均尺寸在100nm以下，能有效防止所得铝基纳米复合材料粉末在3D打印过程中发生热裂，提高3D打印零部件的强度，其中使用的糖碳盐混合固体以熔融糖为粘结剂，将盐A、碳源及阳离子源粘结，能控制反应速率，大大降低所合成的碳化物纳米颗粒的尺寸。上述制备方法所得碳化物纳米颗粒和熔融铝之间的浸润性良好，制备过程中无需搅拌来减少碳化物纳米颗粒的团聚；上述制备方法可在大气氛围下进行，但对于在高温下易燃的碳源，使用时应在保护气氛下进行，所用原料价格低廉，初步估计生产成本仅为外加法生产成本的10％。
[0013]上述制备方法制得的3D打印用的铝基纳米复合材料粉末用于3D打印时，可对其进行筛分以满足不同3D打印方式要求，如符合选区激光熔化的粉末粒径范围为15
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53μm，适用于电子束选区熔化的粉末粒径为53
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105μm。
[0014]上述制备方法合成的碳化物纳米颗粒的形状并没有严格的限制，可以为球形、多边形、棒状、片层状等。所述3D打印用的铝基纳米复合材料粉末中碳化物纳米颗粒的含量，应首先保证能够有效抑制热裂，其次应考虑到雾化制粉工艺要求及最终3D打印部件的力学性能要求，通常情况下要求所述3D打印用的铝基纳米复合材料粉末中碳化物纳米颗粒的含量不大于20％。
[0015]优选地，所述3D打印用的铝基纳米复合材料粉末中碳化物纳米颗粒的平均粒径在100nm以下。
[0016]优选地，所述目标铝合金为2000系、6000系或7000系高强铝合金。这样，得到的碳化物纳米颗粒增强的2000系、6000系及7000系铝合金能解决此类合金在3D打印过程中热裂
的技术难题，使高强铝合金高质量、高强度的3D打印成为可能，对拓宽此类高强铝合金在航空航天及汽车等工业领域的应用具有重要影响。
[0017]优选地，所述阳离子源中的阳离子元素的总质量与所述步骤(1)中纯铝质量的比值小于0.4。
[0018]优选地，所述碳源和所述糖提供的总碳量为理论上所需总碳量的1.1～1.7倍，所述碳源和所述糖的质量比为碳源：糖＝0.5～1:1。理论上所需总碳量为按化学反应方程式计算，阳离子源中的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种3D打印用的铝基纳米复合材料粉末的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：(1)将盐A、碳源、阳离子源以及糖混合均匀，加热使所述糖熔化，冷却，得到第一混合固体；将纯铝完全熔化得到铝液，在铝液表面加盐B，待盐B完全熔化后加入所述第一混合固体进行反应，得到含碳化物纳米颗粒的铝液；将所述含碳化物纳米颗粒的铝液进行浇铸，得到碳化物纳米颗粒增强纯铝复合材料铸锭；(2)将所述碳化物纳米颗粒增强纯铝复合材料铸锭重新熔化后，按照目标铝合金的成分配料，加热合金化，浇铸，得到目标成分的碳化物纳米颗粒增强的铝基纳米复合材料铸锭；(3)将所述目标成分的碳化物纳米颗粒增强的铝基纳米复合材料铸锭进行气雾化喷粉，即得所述3D打印用的铝基纳米复合材料粉末。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述3D打印用的铝基纳米复合材料粉末中，碳化物纳米颗粒的质量含量不大于20％；所述碳化物纳米颗粒增强纯铝复合材料铸锭中碳化物纳米颗粒的质量含量不大于50％；所述3D打印用的铝基纳米复合材料粉末中碳化物纳米颗粒的平均粒径在100nm以下。3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述目标铝合金为2000系、6000系或7000系高强铝合金。4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述阳离子源中的阳离子元素的总质量与所述步骤(1)中纯铝质量的比值小于0.4；所述碳源和所述糖提供的总碳量为理论上所需总碳量的1.1～1.7倍，所述碳源和所述糖的质量比为碳源：糖＝0.5～1:1。5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述盐A与所述步骤(1)所用纯铝的质量比为盐：纯铝＝0.15～0.8:1。6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述碳化物纳米颗粒增强纯铝复合材料铸锭中...

【专利技术属性】
技术研发人员：池元清，刘伟清，
申请(专利权)人：迈特李新材料深圳有限公司，
类型：发明
国别省市：