一种增材制造陶瓷颗粒增强金属基复合材料的制备方法技术

本发明专利技术公开了一种增材制造陶瓷颗粒增强金属基复合材料的制备方法，将粒径≤1μm的陶瓷粉末加入到有机溶剂中，进行超声振荡，获得含陶瓷粉末的分散液，然后将气雾化金属粉体加入含陶瓷粉末的分散液中，水浴搅拌至有机溶剂完全挥发，获得核壳结构复合粉，将核壳结构复合粉经选区激光熔覆制备获得陶瓷颗粒增强金属基复合材料。本发明专利技术极大地提高了超强高韧金属基复合材料综合力学性能，即在显著提高强度的同时保持良好的塑性，使之满足航空航天、装甲防护等领域异形件的高精度、高性能一体化制备需求。备需求。备需求。

【技术实现步骤摘要】
一种增材制造陶瓷颗粒增强金属基复合材料的制备方法


[0001]本专利技术属于增材制造金属基复合材料制备
，具体涉及一种增材制造陶瓷颗粒增强金属基复合材料的制备方法。

技术介绍

[0002]设计具有超优力学特性的新型金属结构材料是全球各国战略竞争的焦点之一，是我国突破技术壁垒限制、发展先进装备的重要支撑，对促进国家产业升级、提升经济社会效益具有重要战略意义。目前金属结构材料的制备方法主要包括粉末冶金、电磁悬浮铸造或真空电弧熔炼以及随后的冷/热轧。然而，使用这些传统的制造方法很难同时实现精细的微观结构和几何复杂的结构。增材制造技术的发展为制备高性能复杂结构金属材料提供了一条新途径。
[0003]增材制造(AM)技术将传统的“等体积切削去除”制造变化为“切片逐层叠加”制造，具有开发周期短、不需模具、成本低等许多优势。它是基于分层
‑
叠加原理，首先在三维造型软件中生成零件的三维模型，然后对其进行切片处理，把每层的信息输入到制造设备，通过材料的逐层堆积获得最终任意复杂的三维实体零件，突破了传统“减材制造”依赖多工序结合制造的方式，实现了真正的“自由制造”。AM现已被广泛应用在航空航天、医疗器械、能源和汽车等行业中，成为高性能复杂组件的设计和生产的新工艺路线。
[0004]选区激光熔覆(SLM)是AM技术中的典型方法。由于SLM过程中金属粉体受激光能量输入形成熔池，熔池经历的复杂热历史可用熔合区较快冷却速度和局部凝固速率进行参数描述，这两者将决定晶体的生长过程，形成最终的材料微观组织形貌。除了在制造高精度几何复杂组件方面的优势外，SLM具有高密度位错的异质胞状亚结构的形成，通过调节变形过程中的位错运动，在增强和增韧金属材料方面发挥了重要作用。
[0005]为了进一步提高增材制造金属材料的性能，在金属基体中加入增强体，形成复合材料是一种有效的方法。陶瓷颗粒因其低密度、高硬度和弹性模量以及非凡的耐磨性而被认为是增强纯金属材料的最佳候选材料，已成功应用于粉体冶金的铁基复合材料、镍高温合金基复合材料和铝金属基复合材料。然而，由于纳米陶瓷颗粒大的比表面和范德华力而易团聚的特性而在基体内难以实现均匀分散，而以往采用传统球磨方式进行混合粉体制备，破坏了金属粉体球形度，从而不利于打印制程，造成缺陷。此外传统的熔铸技术，由于陶瓷可以难以在金属液中分散，因此难以制备陶瓷颗粒增强金属基复合材料，而采用粉末冶金技术制备的话，固相烧结则会导致增强相与基体界面结合差的难点。

技术实现思路

[0006]针对现有技术的不足，本专利技术目的在于提供一种增材制造陶瓷颗粒增强金属基复合材料的制备方法。所述复合材料强度高、韧性好；所述制备方法工艺简单、成本低、且能可控的获得复杂异形件。
[0007]为了实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：
[0008]本专利技术一种增材制造陶瓷颗粒增强金属基复合材料的制备方法，将粒径≤1μm的陶瓷粉末加入到有机溶剂中，进行超声振荡，获得含陶瓷粉末的分散液，然后将气雾化金属粉体加入含陶瓷粉末的分散液中，搅拌至有机溶剂完全挥发，获得核壳结构复合粉，将核壳结构复合粉经选区激光熔覆制备获得陶瓷颗粒增强金属基复合材料。
[0009]本专利技术的制备方法，通过将陶瓷颗粒分散到有机溶剂中，然后加入气雾化的球形金属粉体，直接搅拌至有机溶剂完全挥发，使得陶瓷颗粒包覆在气雾化金属粉体的表面形成核壳结构的球形复合粉，本专利技术主要是巧妙的利用了超细陶瓷粉末的范德华力的吸附作用、气雾化制粉时形成的枝晶间隙沟壑及有机溶剂的挥发，可以在保持粉体球形度的同时，在其表面形成陶瓷粉体包覆层，通过后续与粉体作用，产生熔池与特征Marangoni流动，使得打印时陶瓷粉体在基体内均匀分散，从而获得性能优异的陶瓷颗粒增强金属基复合材料。
[0010]优选的方案，所述陶瓷粉末的粒径为10nm
‑
100nm。
[0011]专利技术人发现，采用上述粒径的纳米陶瓷粉末，吸附性能强，可以更好的包覆于金属粉末表面，同时细粉也容易陷入金属粉体的枝晶沟壑间隙，在激光形成的熔池内部容易因Marangoni流动而均匀分散。
[0012]优选的方案，所述陶瓷粉末中的陶瓷选自碳化钛、氮化钛、氧化钇、碳氮化钛中的至少一种。
[0013]优选的方案，所述陶瓷粉末中的陶瓷为立方结构。在本专利技术中所用气雾化金属粉体中的金属均为FCC结构，专利技术人发现当采用立方结构的陶瓷时，在选区激光熔覆的过程中金属液凝固时，金属基体与立方结构陶瓷颗粒形成共格界面，将避免塑性的损失，获得更好的力学性能。
[0014]优选的方案，所述有机溶剂选自无水乙醇。专利技术人发现，无水乙醇与本专利技术所用的气雾化金属粉体及陶瓷粉末均具有很好的表面润湿性，从而促使陶瓷粉末更好的包覆于气雾化金属粉体的表面。
[0015]优选的方案，所述陶瓷粉末与有机溶剂的质量比为1:180
‑
220。
[0016]专利技术人发现，将陶瓷粉末与有机溶剂的比例控制在上述范围呢，可以使得陶瓷粉末充分分散，并且在气雾化金属粉体表面形成均匀的包覆，而若陶瓷粉末的占比过高将会导致陶瓷粉末团聚，而若陶瓷粉末的占比过低将不利于形成均匀的包覆。
[0017]优选的方案，所述超声振荡的功率为80
‑
120W，超声振荡的温度为50
‑
70℃，超声振荡的时间为5
‑
30min。
[0018]将超声的参数控制在上述范围内，可以使陶瓷粉末充分的分散于有机溶剂中。
[0019]优选的方案，所述气雾化金属粉体中的金属选自Al合金、Ti合金、中熵合金、高熵合金、钢中的一种。
[0020]在本专利技术中采用气雾化金属粉体，气雾化粉末具有良好的球形度，且在制粉时会形成的枝晶间隙沟壑，利于陶瓷颗粒在其表面形成包覆层。
[0021]优选的方案，所述气雾化金属粉体中的晶体结构为FCC结构。
[0022]优选的方案，所述气雾化金属粉体的目数为
‑
150～+1000目。
[0023]在实际操作过程中，气雾化金属粉体的获取方法为，按设计成份配取金属原料，经气雾化制粉，过筛，取能从150目的网孔漏过而不能从1000目的网孔漏过的粉末。
[0024]专利技术人发现，将气雾化金属粉体的粒径控制在上述范围内，即利于形成均匀的包覆，又利于后续打印成致密的金属基复合材料，而若粉末太粗不利于包覆，也不能满足选区激光熔覆对粉末的工艺要求；若粉末太细，则易团聚，在打印过程中形成缺陷。
[0025]优选的方案，将气雾化金属粉体加入含陶瓷粉末的分散液中，于50
‑
70℃搅拌至有机溶剂完全挥发，获得核壳结构复合粉。
[0026]优选的方案，所述搅拌的过程为，先以500～600转/min的转速搅拌直至挥发后剩余的有机溶剂的体积＜初始有机溶剂体积的50～60％，然后再以300～400转/min直至挥发后剩余的有机溶剂的体积＜初始有机溶剂体积的20～30％，然后再以1本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种增材制造陶瓷颗粒增强金属基复合材料的制备方法，其特征在于：将粒径≤1μm的陶瓷粉末加入到有机溶剂中，进行超声振荡，获得含陶瓷粉末的分散液，然后将气雾化金属粉体加入含陶瓷粉末的分散液中，搅拌至有机溶剂完全挥发，获得核壳结构复合粉，将核壳结构复合粉经选区激光熔覆制备获得陶瓷颗粒增强金属基复合材料。2.根据权利要求1所述的一种增材制造陶瓷颗粒增强金属基复合材料的制备方法，其特征在于：所述陶瓷粉末的粒径为10nm～100nm。3.根据权利要求1或2所述的一种增材制造陶瓷颗粒增强金属基复合材料的制备方法，其特征在于：所述陶瓷粉末中的陶瓷选自碳化钛、氮化钛、氧化钇、碳氮化钛中的至少一种；所述陶瓷粉末中的陶瓷为立方结构。4.根据权利要求1所述的一种增材制造陶瓷颗粒增强金属基复合材料的制备方法，其特征在于：所述有机溶剂选自无水乙醇；所述陶瓷粉末与有机溶剂的质量比为1:180
‑
220。5.根据权利要求1或4所述的一种增材制造陶瓷颗粒增强金属基复合材料的制备方法，其特征在于：所述超声振荡的功率为80
‑
120W，超声振荡的温度为50
‑
70℃，超声振荡的时间为5
‑
30min。6.根据权利要求1所述的一种增材制造陶瓷颗粒增强金属基复合材料的制备方法，其特征在于：所述气雾化金属粉体中的金属选自Al合金、Ti合金、中熵合金、高熵合金、钢中的一种；所述气雾化金属粉体中的晶体结构为FCC结构；所述气雾化金属粉体的目数为
‑
150～+1000目。7...

【专利技术属性】
技术研发人员：王章维，蔡伟金，宋旼，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：