[发明专利]一种激光增材制造用铝基复合粉体材料及其制备方法

说明书

一种激光增材制造用铝基复合粉体材料及其制备方法，涉及增材制造材料技术领域，包括以下体积百分比计的组分：非氧化物系陶瓷颗粒2～10％；纳米氧化物颗粒0.5～2％；铝合金粉余量。本发明以铝合金粉为基体，添加微米/亚微米级非氧化物系陶瓷颗粒复合后，在激光熔池凝固过程中，既能避免复合粉体在激光成型过程中的开裂，还能够有效强化铝合金基体。同时在复合粉体表面引入纳米级氧化物颗粒，可在激光高能束作用下，通过纳米氧化物颗粒在激光熔池中的铝热还原反应，形成凝固形核质点以抑制柱状晶生长，进一步抑制凝固裂纹的问题，同时铝热反应生成的纳米质点和纳米氧化铝存在最终成型零部件，亦可实现对铝基金属的强化。

技术领域

本发明属于增材制造材料技术领域，具体涉及一种激光增材制造用铝基复合粉体材料及其制备方法。

背景技术

传统的增材制造用铝基复合材料颗粒，由于具有密度低、比强度高、比模量高以及高导热等结构与功能特性，在航空、航天、交通等高端制造领域具有显著的应用前景。随着相关技术领域的发展，传统锻造、挤压及车、铣等加工技术已经实现高效低成本的复杂零部件加工，近净成型加工技术需求日益强烈。作为一种革命性的金属成型加工技术，激光增材制造粉末技术可应用于铝金属，能够同时兼顾零部件的复杂形状与快速成型，受到高端制造领域的广泛关注和青睐。

但是，由于铝金属的高激光反射、高导热及高热膨胀等特点，铝合金在激光增材制造过程中容易形成裂纹等缺陷。在激光作用下的高温度梯度，铝合金熔池凝固过程由于柱状晶生长，液相金属不能及时补缩而导致沿柱状晶生长方向的凝固裂纹。同时，对于传统颗粒强化铝基复合材料，陶瓷颗粒引入复合界面，在反复激光加热冷却过程中，由于基体与颗粒间热膨胀系数的差异，更加剧了凝固裂纹。因此，目前能够实际应用的激光粉末增材制造铝合金主要是一些具有高流动性的AlSi₁₀Mg、AlSi₁₂高Si铸造铝合金。但是，高Si铝铸造合金，强度低、模量低，难以满足高端技术领域对铝合金高性能的要求。对于具有较大的固液凝固区间的变形铝合金及复合材料，则因为激光增材制造过程中的裂纹缺陷而难以成型，进行限制了相关领域高性能铝基金属材料的推广和应用。

随着近年来铝合金激光增材制造研究的进步，抑制激光增材制造过程中的柱状晶生长，是避免和消除铝合金凝固开裂缺陷的有效手段。已有研究发现，通过调节合金成分，如添加Zr、Sc、Ti等元素(Scripta Materialia，2018，145：113–117)，在熔池中形成纳米粒子，或通过添加与基体铝具有较好错配度的LaB₆、TiB₂陶瓷纳米粒子(AdditiveManufacturing 2020，32：101034；Journal of Manufacturing Processes 2020，53：283–292)，可促进凝固形核，一定程度可降低铝合金激光熔池凝固过程中的开裂发生。但是，调控铝合金粉末成分涉及工艺复杂，对合金成分调节对金属粉末制备过程中的熔炼、雾化等均有较高要求，需要针对性的合金成分开发与性能评价，时间与工艺成本大幅提升；而直接添加LaB₆、TiB₂陶瓷纳米粒子，则面临纳米陶瓷颗粒分散不均、团聚及界面结合差问题，而难以有效发挥凝固形核作用。同时，上述方法引入铝基体的纳米粒子含量少，主要在抑制凝固裂纹方面发挥较大作用，而难以对合金基体，尤其是模量性能产生较大影响。

因此，开发既能抑制铝合金激光增材制造凝固裂纹、又能获得相较铝合金基体性能大幅提升的复合粉末制备方法，成为当前发展高端制造领域应用高性能铝基金属复合材料增材制造应用的关键。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明的目的之一在于提供一种激光增材制造用铝基复合粉体材料，其能抑制铝合金在激光增材制造中出现凝固裂纹的问题，又能具备铝合金基体的密度低、比强度高、比模量高和高导热的性能。

本发明的目的之二在于提供一种激光增材制造用铝基复合粉体材料的制备方法，其能提高各掺杂颗粒的分散性，减少团聚，提高掺杂颗粒与铝合金粉的界面结合性能。