[发明专利]一种基于选区激光熔化纳米陶瓷改性高硅铝合金

说明书

本发明公开了一种基于选区激光熔化纳米陶瓷改性高硅铝合金，采用高能球磨工艺制备纳米二硼化钛陶瓷粉末，然后将高硅铝合金粉末与纳米二硼化钛陶瓷粉末通过球磨机在惰性气体保护下混合均匀以获得纳米陶瓷改性高硅铝合金粉体，利用选区激光熔化成形设备将纳米陶瓷改性高硅铝合金粉体逐层熔凝，成形为所要建立的目标零件。本发明方法在纳米二硼化钛改性高硅铝合金熔体凝固过程中，纳米二硼化钛作为异质形核点，阻碍凝固液相前沿析出硅相长大，使星状初生硅相明显减少，多角状初生硅相棱角钝化、边缘光滑，而且纤维状共晶硅组织也明显细化，可有效调整初生硅相和共晶硅相大小、形貌和分布状态，显著提升高硅铝合金的力学性能。

技术领域

本发明属于高硅铝合金材料领域，具体来说，本发明涉及一种基于选区激光熔化纳米陶瓷改性高硅铝合金。

背景技术

高硅铝合金具有密度低、强度高、耐腐蚀性好、热膨胀系数低等优点，在汽车、航空航天、电子封装等领域具有巨大的发展潜力和极为广阔的应用前景。与亚共晶、共晶铝硅合金不同，过共晶高硅铝合金组织中硅相以初生硅相和共晶硅相两种形式存在。随着硅含量的增加，铝合金的耐磨性能和耐热性能得以改善，但成形件显微组织中初晶硅和共晶硅相的尺寸、形态和分布对其机械性能也产生了显著影响，尤其是传统铸造组织中粗大板条状初晶硅相严重割裂了组织连续性，在硅相的棱角和尖锐部分容易产生应力集中且增加了裂纹萌生质点，最终使材料的强度和延伸率下降。基于此，在铝基体加入纳米陶瓷相进行结构改性，增加铝熔体凝固过程中的异质形核质点，有效调整初生硅相和共晶硅相形貌、尺寸和分布状态，最终达到提升材料机械性能目的。在常见的铝合金改性用陶瓷相中，二硼化钛具有更高弹性模量(560GPa)和硬度(35GPa)，优异的耐热性和耐磨性，与铝基体润湿性良好等特性，这使二硼化钛成为高硅铝合金中理想的结构改性材料。

从加工工艺角度来看，为实现细化晶粒、均匀组织和提升材料机械性能目的，制备过共晶高硅铝合金时通常采用快速凝固方法，如喷射沉积和粉末冶金工艺，但喷射沉积法设备和工艺较为复杂，且生产成本较高，而利用粉末冶金工艺制得的零件内部孔隙率较高，且难以成形结构较为复杂的零件。选区激光熔化技术作为一种新型的快速凝固技术，基于分层制造、累积叠加的局部成形原理，根据计算机辅助设计的三维零件模型，利用高能激光热源对金属粉末材料以逐道逐层方式进行选择性熔凝堆积成形，从而实现复杂结构金属构件的直接精密制造。选区激光熔化成形过程中，激光热源与预铺设的粉末层作用时间极短，仅为0.5～20ms左右，因此熔融材料具有相当高的冷却速率，这为高硅铝合金晶粒细化提供了有利条件，并且粉末颗粒在高能激光束作用下完全熔化，使相邻扫描道或层间冶金结合良好，改善高硅铝合金零件成形质量，提高材料的力学性能。选区激光熔化技术突破了传统制造工艺束缚，符合“近净成形”设计理念，有效地缩短了新产品的开发和制造周期，提高生产效率，并且能够成形具有复杂几何结构的零件，因此采用选区激光熔化技术制备高硅铝合金材料具有极大的发展潜力。

发明内容

针对目前高硅铝合金材料制备技术存在的问题，同时为满足以上提出的改进需求，本发明提供了一种基于选区激光熔化技术的纳米陶瓷改性高硅铝合金，以显著提升高硅铝合金的机械性能。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：

一种基于选区激光熔化纳米陶瓷改性高硅铝合金，包括如下步骤：

(1)采用Pulverisette 6型单罐行星式高能球磨工艺制备纳米TiB₂陶瓷粉末；

(2)将Al-20Si合金粉末与步骤(1)制备的纳米TiB₂陶瓷粉末通过QM系列行星式球磨机在惰性气体保护下混合均匀，得到纳米TiB₂/Al-20Si复合粉体；

(3)在计算机中使用Soildworks软件建立目标零件的三维实体几何模型，然后利用Magics软件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，将此文件保存并导入选区激光熔化成形设备中；