[发明专利]一种基于SLM成形的铝基纳米复合材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于铝基纳米复合材料领域，具体来说是一种基于SLM成形的铝基纳米复合材料及其制备方法。

技术背景

随着对高性能的轻质合金材料的需求越来越强烈，特别是在航空航天、汽车、医疗等领域，对于新颖的金属基复合材料的设计与制备正得到越来越多研究者的关注。传统的铝硅合金由于在比强度、耐磨损性能以及热膨胀系数等方面具有显著的优势而受到广泛关注，但无论如何其性能也已不能满足于现有的需求。借助颗粒增强获得的铝硅基复合材料可显著提高传统的铝硅合金的力学性能，已经被广泛的研究并在实际工程中获得应用，这其中常用的增强体包括Al2O3、TiC、TiB、SiC等。

激光增材制造技术是从上世纪80年代初在美国产生并在90年代得到迅速发展的一门综合性、交叉性前沿技术。它基于全新的增材制造理念，从构建零件的CAD模形出发，通过软件分层离散以及数控成形系统,控制激光束将铺放在粉末床中的粉体材料熔融并逐层堆积而形成三维实体零件。目前按照粉末成形特性主要分为选择性激光烧结(selective laser sintering，SLS)技术和选择性激光熔化(selective laser melting，SLM)技术两种，其与传统的加工制造相比较，其突出优势主要体现在：(1)成形过程无需工装夹具或模具的支持，成形灵活并缩短成形时间、减少了成形成本；(2)改变传统材料变形加工及减材成形的思路，易于实现“净成形”，特别适合于制造具有复杂结构的金属零件；(3)从冶金学角度来看，在所成形的零件中形成微细、均匀的激光快速凝固组织，从而决定了成形件优异的综合机械性能。用于激光增材制造的金属材料包括了不锈钢、工具钢、钛合金、镍基高温合金、Co-Cr-Mo合金、铝合金等，但对于金属基复合材料的激光增材制造研究还相对较少。

目前对于激光增材制造的颗粒增强铝基复合材料，在成形加工过程中主要面临这样一些问题：(1)由于铝对激光具有很高的激光反射率，通常低功率激光器难以使得铝合金发生完全熔化，增强颗粒的加入能够在程度上提高粉体对激光的吸收率，但增强颗粒加入过多则会导致材料延伸性能下降；(2)研究表明，降低 增强体的颗粒尺寸达到纳米级可以有效提高金属基复合材料的机械性能，如提高强度和减少裂纹，但是当增强颗粒的尺寸减小至纳米尺度时，颗粒之间会因强烈的范德瓦尔力以及极大的表面张力而紧密地团聚在一起，从而很不利于增强颗粒在基体中的均匀分散，在激光增材制造过程中，所形成熔池中特有的Marongoni流可以起到均匀分散第二相的作用，但该Marangoni流又与熔池的温度场紧密相连；(3)由于通常加入的增强颗粒为陶瓷相，而陶瓷相与基体相之间的润湿性很差，同时它们之间的热膨胀系数差异也往往较大，这就导致在成形过程中形成的液相不能均匀铺展，同时在随后的凝固过程中产生较大的收缩应力而出现裂纹。

发明内容

为解决上述存在的技术问题，本发明提供一种基于SLM成形的铝基纳米复合材料，其能用于激光增材技术领域，有效的解决铝基纳米复合材料在激光增材过程中工艺性能与力学性能不匹配、增强颗粒分布不均匀以及陶瓷相与基材相之间润湿性较差的问题，使得所获得的产品具备良好的界面结合以及优异的力学性能。

本发明的目的在于提供一种基于SLM成形的铝基纳米复合材料，所述铝基纳米复合材料是由铝基纳米复合粉末经SLM成形获得；所述铝基纳米复合粉末包括陶瓷相、稀土相和铝基体相，其中，稀土相的添加量小于等于0.8wt％；SLM成形工艺参数为：激光功率在100-130W之间，扫描间距为30μm以及铺粉层厚为50μm；有效体能量密度控制在288-398.65J/mm³；其中，有效体能量密度为ω_eff， 其中P为激光功率，υ是扫描速度，s是扫描间距，h为铺粉层厚，η_eff为有效激光吸收率，

η_eff＝B(A*η₁*ζ₁+η₂*ζ₂)；

其中ζ₁表示铝基体相的比表面积分数和ζ₂表示陶瓷相的比表面积分数，η₁代表铝基体相的激光吸收率和η₂代表陶瓷相的激光吸收率，以及A表示添加的稀土相对铝基体相激光吸收率的修正系数，取1.04，B为整体吸收率的一个修正系数， 取0.92。

作为本发明的改进的技术方案，铝基纳米复合粉末中，稀土相含量在0.3-0.8wt％，陶瓷相含量在4-6wt％，其余为铝基体相。