一种核壳结构增强改性铝合金材料及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种核壳结构增强改性铝合金材料及其制备方法，包括铝合金基体，以及分散在铝合金基体内的Ti/CeB6核壳结构增强相；其中，所述的铝合金基体为铝

【技术实现步骤摘要】
一种核壳结构增强改性铝合金材料及其制备方法


[0001]本专利技术属于陶瓷增强铝基复合材料领域，特别涉及一种核壳结构增强改性铝合金材料及其制备方法。

技术介绍

[0002]铝锂合金由于其低密度和高比强度而广泛应用于飞机、航空航天和军事应用。铝锂合金的优异性能主要是由于锂元素的加入，每加入1％的锂元素可以降低3％铝合金的密度，增加约6％的弹性模量。由于铝锂合金凝固范围大、热膨胀系数高，且在凝固过程中形成低熔点共晶，因而在激光加工过程中容易产生热裂纹。为了克服上述缺点，通过在铝合金基体中复合可作为晶粒形核点的增强相，促进柱状晶向等轴晶转变，从而抑制铝合金在激光粉末床熔融成形中裂纹的产生。CeB6由于其立方晶体结构与铝合金具有相近的晶格常数，其晶胞与铝的面心立方(fcc)结构仅表现出2.24％的晶格失配，因此CeB6是制备铝基复合材料较为理想的增强相，若单独采用单一CeB6陶瓷增强相，激光成形过程液相粘度增加，流动性变差，陶瓷颗粒与液相之间的润湿性及界面兼容性差，导致陶瓷颗粒分布不均匀，对促进粗大枝晶向细小等轴晶转变效果不明显，难以从根本上消除热裂纹形成。
[0003]从加工工艺角度来看，目前制备陶瓷增强铝基复合材料的方法有很多，如粉末冶金、搅拌铸造、原位合成法、机械合金化法等，但增强相与金属基体之间由于成分、晶体结构及物理化学性质差异，容易产生增强相分布不均匀，尺寸和形状不易控制等缺陷，导致铝基复合材料综合性能下降。而激光粉末床熔融作为金属增材制造的先进技术，利用高能激光束进行逐层熔化粉末，可形成具有高度几何自由度的复杂构件。高度局部化的热源导致快速冷却速率(热梯度[G]～103–
106K/s)，从而形成独特的非平衡微观结构，这为铝基复合材料形成新颖增强结构、晶粒细化提供了有利条件。

技术实现思路

[0004]专利技术目的：本专利技术所要解决的技术问题是针对铝合金在成形过程中的热裂纹敏感性，提供了一种在铝合金基体中加入核壳结构增强相，促进粗大柱状晶向细小等轴晶转变，以抑制铝合金在激光成形过程裂纹形成，提高材料的成形性，最终起到了提升材料力学性能的作用。
[0005]为了实现上述目的，本专利技术采取的技术方案如下：
[0006]一种核壳结构增强改性铝合金材料，包括铝合金基体，以及分散在铝合金基体内的Ti/CeB6核壳结构增强相；
[0007]其中，所述的铝合金基体为铝
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铜
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锂
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镁
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银合金；
[0008]所述的Ti/CeB6核壳结构增强相为Ti包覆CeB6结构，核壳结构增强相占改性铝合金材料总质量的1～8wt.％。
[0009]通过Ti/CeB6核壳结构增强相之间的协同作用，抑制基体在成形过程裂纹的形成，
提高材料的成形性，最终起到了提升材料力学性能的作用。金属Ti粒子可以抑制CeB6陶瓷颗粒的团聚，提高了它们的成核效率。Ti在铝合金中具有高生长限制因子值，可以降低液固前沿的过冷度，快速形成成分过冷区，且由于CeB6陶瓷颗粒的加入可进一步减少富Ti液体中的临界形核过冷度，促进晶粒形核。通过Ti/CeB6包覆原位反应生成新颖核壳结构，促进粗大柱状晶向细小等轴晶转变，以抑制铝合金在激光成形过程热裂纹形成，使得Ti/CeB6核壳结构成为一种理想的复相增强体。
[0010]进一步地，本专利技术还要求保护上述核壳结构增强改性铝合金材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
[0011](1)将Ti金属粉末、CeB6陶瓷粉末混合均匀，制备成金属Ti包覆CeB6的混合粉末；
[0012](2)将步骤(1)金属Ti包覆CeB6的混合粉末与铝合金粉末混合均匀，得到Ti
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CeB6‑
AlCuLi复合粉体；
[0013](3)建立目标零件的三维实体几何模型，对该模型进行分层切片并规划激光扫描路径，将三维实体离散成一系列二维数据，保存并导入激光粉末床熔融成形设备中；
[0014](4)激光粉末床熔融成形设备根据步骤(3)所导入的文件，将步骤(2)中的Ti
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CeB6‑
AlCuLi复合粉体逐层快速熔化并凝固，即得。
[0015]优选地，步骤(1)中，所述Ti金属粉末粒径分布范围在20～45μm，纯度大于99％。
[0016]优选地，步骤(1)中，所述CeB6陶瓷粉末粒径分布范围在2～6μm，纯度大于99％。
[0017]优选地，步骤(1)中，所述Ti金属粉末、CeB6陶瓷粉末按照质量比1:1～1：2混合。
[0018]优选地，步骤(1)中，Ti金属粉末、CeB6陶瓷粉末通过球磨机在惰性气体保护下进行球磨混合；所述球磨机为Fritsch高能球磨机，采用不锈钢罐，球磨介质为直径6mm的不锈钢磨球；球料比为8：1～12：1，球磨转速为300～400rpm，球磨时间为9～13h，为防止球磨罐内温度过高，球磨时设备运行模式选用间隔式，每运行15min后暂停空冷5min。该球磨过程要求在惰性气体保护下进行，以保证铝基粉末在球磨过程中被氧化或污染。
[0019]具体地，步骤(2)中，所述铝合金粉末为铝
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铜
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锂
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镁
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银合金，其中铜含量为3.4～4.6wt.％，锂含量为0.6～1.7wt.％，镁含量0.15～1.0wt.％，银含量为0.10～0.90wt.％，余量为Al；铝合金粉末粒径分布范围在20～63μm，纯度大于99％。
[0020]优选地，步骤(2)中，所述金属Ti包覆CeB6的混合粉末，按照质量比占总的Ti
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CeB6‑
AlCuLi复合粉体1～8wt％，与所述铝合金粉末混合。
[0021]优选地，步骤(2)中，金属Ti包覆CeB6的混合粉末与铝合金粉末，通过行星式球磨机在惰性气体保护下进行球磨均匀混合；行星式球磨机为QM系列行星式球磨机，采用不锈钢罐，球磨介质为直径6mm、8mm和10mm的不锈钢磨球；球料比为1：1～3：1，球磨转速为200～350rpm，球磨时间为3～5h。为防止球磨罐内温度过高，球磨时设备运行模式选用间隔式，每运行20min后暂停空冷10min。该球磨过程要求在惰性气体保护下进行，以保证铝基粉末在球磨过程中被氧化或污染。
[0022]步骤(4)中，所述激光粉末床熔融成形设备使用SLM
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150型激光粉末床熔融设备，该设备主要包括YLR
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500型光纤激光器、激光成形室、自动铺粉系统、保护气氛装置、计算机控制电路系统以及冷却循环系统。在成形前将喷砂处理的铝合金基板固定在激光粉末床熔融成形设备工作台上并进行调平，然后通过密封装置将成形腔密封、抽真空并通入惰性气体保护气氛。典型激光粉末床熔融成形过程如下：(a)铺粉装置将待加工粉末均匀铺放在成
形基板上，激光束根据预先设计好的扫描路径对切片区域逐行进行扫描，使粉末层发生快速熔化/本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种核壳结构增强改性铝合金材料，其特征在于，包括铝合金基体，以及分散在铝合金基体内的Ti/CeB6核壳结构增强相；其中，所述的铝合金基体为铝
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铜
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锂
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镁
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银合金；所述的Ti/CeB6核壳结构增强相为Ti包覆CeB6结构，核壳结构增强相占改性铝合金材料总质量的1～8wt.％。2.权利要求1所述核壳结构增强改性铝合金材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)将Ti金属粉末、CeB6陶瓷粉末混合均匀，制备成金属Ti包覆CeB6的混合粉末；(2)将步骤(1)金属Ti包覆CeB6的混合粉末与铝合金粉末混合均匀，得到Ti
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CeB6‑
AlCuLi复合粉体；(3)建立目标零件的三维实体几何模型，对该模型进行分层切片并规划激光扫描路径，将三维实体离散成一系列二维数据，保存并导入激光粉末床熔融成形设备中；(4)激光粉末床熔融成形设备根据步骤(3)所导入的文件，将步骤(2)中的Ti
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CeB6‑
AlCuLi复合粉体逐层快速熔化并凝固，即得。3.根据权利要求2所述核壳结构增强改性铝合金材料的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述Ti金属粉末粒径分布范围在20～45μm，纯度大于99％。4.根据权利要求2所述核壳结构增强改性铝合金材料的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述CeB6陶瓷粉末粒径分布范围在2～6μm，纯度大于99％。5.根据权利要求2所述核壳结构增强改性铝合金材料的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述Ti金属粉末、CeB6陶瓷粉末按照质量比1：1～1：2混合。6.根据权利要求2所述核壳...

【专利技术属性】
技术研发人员：席丽霞，顾冬冬，徐俊灿，耿晓锋，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：