[发明专利]一种金属3D打印用TiC颗粒增强铝合金粉末及其制备方法

说明书

本发明提供一种金属3D打印用TiC颗粒增强铝合金粉末及其制备方法，具体涉及金属增材制造技术领域。包括：制备Al‑Ti‑C预制块及铝合金基体配料；将铝合金基体配料熔化并升温至1200～1600℃，在惰性气体保护下加入Al‑Ti‑C预制块并搅拌，然后降温至1000～1200℃，得到含有TiC颗粒增强体的铝合金熔体；对含有TiC颗粒增强体的铝合金熔体进行气体雾化造粉，得到TiC颗粒增强铝合金粉末。本发明的金属3D打印用TiC颗粒增强铝合金粉末，TiC增强颗粒采用原位合成的方法形成于铝合金基体中，TiC增强颗粒与铝合金基体的界面结合强度高、无污染，可有效解决外加陶瓷颗粒与基体界面结合弱问题，同时可以细化选区激光熔化(SLM)3D打印后的组织，避免热裂纹的产生，提高铝合金的力学性能，满足高强度铝合金3D打印要求。

技术领域

本发明涉及金属增材制造技术领域，具体涉及一种金属3D打印用TiC颗粒增强铝合金粉末及其制备方法。

背景技术

增材制造技术(又称3D打印技术)是以计算机预先设计好的三维设计模型为基础，通过计算机软件对模型进行切片分层，然后将打印材料按切片图形逐层叠加，最终堆积成完整的实体，是智能制造领域关键核心技术之一。其具有成形速度快，结构设计不受约束，可以实现传统加工方法难以制造的复杂结构零件，材料利用率高，减少加工工序，缩短加工周期等优势，目前在汽车制造、模具及工装夹具加工、航天航空、医疗器械等领域取得了广泛的应用。

铝合金具有密度低、比强度和比模量高、耐腐蚀、导热性能好等优点，已成为3D打印领域广泛应用的一种轻质合金粉末材料，但目前常用的3D打印铝合金粉末如AlSi12、AlSi10Mg、AlSi7Mg等品种，存在力学强度低、高温性能不理想等缺点，不能满足高强度零件的打印要求。虽然目前存在很多高强度铝合金材料，但一般用于铝合金型材的制备，将其直接用于3D打印材料，因其凝固区间温度范围宽，在选区激光熔化(SLM)3D打印过程中由于快速熔化及凝固，易形成粗大柱状晶并导致热裂纹的产生等，直接限制了高强度铝合金在SLM3D打印领域内的推广应用，因此开发适用于SLM 3D打印的高强度铝合金粉末已成为亟待解决的难题。

为解决高强铝合金SLM 3D打印中易出现的热裂等问题，国内外众多研究结构进行了广泛的研究，目前存在以下四种技术路线。

1)以Airbus和APWORKS开发的专为3D打印Scalmalloy高强铝合金粉末，其合金成分体系为Al-Mg-Sc-Zr，3D打印过程中在熔体中形成Al₃(Sc/Zr)粒子，快速凝固时作为异质形核剂细化铝合金凝固组织，避免产生热裂裂纹的同时提高铝合金强度和塑性。但稀土元素Sc全球储量少，价格昂贵，限制了其商业应用，目前主要应用于航天航空、超级跑车等领域。

2)美国加州大学HRL试验室通过静电组装技术在Al7075粉末中引入纳米ZrH₂粒子来细化基体组织解决热裂问题，但由于在成形过程中零件内部存在较多孔隙导致力学性能偏低。

3)增材制造用硼化钛颗粒增强铝合金粉(GB/T 38972-2020)中的TiB₂颗粒增强铝合金粉末主要采用熔盐法制造，导致熔炼过程中出现较多熔渣，难以完全清除，易在3D打印完成后的零件中产生熔渣残留，从而降低铝合金的性能，同时该方法合金须两次熔化，也增加了制备成本。

4)通过球磨法将纳米陶瓷颗粒(如SiC、TiB₂、TiC等)加入到铝合金粉末中进行3D打印，以增强铝合金零件的综合性能。但因纳米颗粒存在巨大的比表面积，易造成颗粒团聚现象，降低材料的力学性能；同时铝合金和纳米陶瓷颗粒界面润湿性差，界面结合强度低，在零件服役过程中易出现裂纹而提前失效。

上述几种技术路线虽然在高强度3D打印铝合金粉末的研究和应用上取得了一定的突破，但都存在自身的缺陷和不足。

发明内容