一种适用于外场调控成形的金属增材制造粉末

本发明涉及金属增材制造，具体为一种适用于外场调控成形的金属增材制造粉末。

背景技术：

1、金属增材制造技术凭借一体化成形、复杂结构自由设计等优势，已成为高端装备轻量化、高性能构件制造的重要技术路径。外场调控成形通过引入交变磁场等外场作用，可在熔池凝固过程中实现晶粒细化、组织均匀化，显著提升构件综合力学性能，是当前增材制造领域的重要发展方向。

2、现有外场调控用金属增材粉末多以单一钛合金或铁基粉末为主，组分单一、功能适配性差，难以同时满足外场响应、铺粉稳定性、异质相界面结合等多重需求。一方面，传统粉末中磁性颗粒易在外场作用下产生磁偶极吸引，铺粉过程中易发生团聚、偏析，导致铺粉厚度不均、成形件内部缺陷增多，严重影响外场调控效果与构件质量稳定性；另一方面，单一基体粉末缺乏高效形核强化相与界面改性组分，外场扰动下熔池形核密度不足，晶粒易粗化，异质相界面易产生夹杂、裂纹，难以兼顾高强度、高塑性与轻量化的综合性能要求。

3、因此，开发一种组分协同适配、外场响应灵敏、铺粉稳定、力学性能优异的金属增材制造粉末，是解决现有技术瓶颈、推动外场调控增材技术工业化应用的关键。

技术实现思路

1、本发明针对现有技术的缺陷，提供一种适用于外场调控成形的金属增材制造粉末。

2、本发明提供如下技术方案：

3、一种适用于外场调控成形的金属增材制造粉末，由以下重量份的原料制成：ti-6al-4v钛合金基体65～75份、fe-co-nb铁钴基外场响应相8～12份、tic陶瓷增强相3～5份、la-ce-nd稀土改性剂0.5～1.5份、tib2硼化物1～3份、二氧化硅2～4份、al-mg铝镁轻质相1～2份、羟基改性多壁碳纳米管分散剂0.2～0.5份；

4、其中，所述fe-co-nb铁钴基外场响应相的元素重量配比为fe:co:nb=65:30:5，具备高磁导率与磁致伸缩特性，适配0.1～5t交变磁场外场调控成形工况；

5、所述al-mg铝镁轻质相的al、mg重量配比为4～5:1，用于在不劣化基体与外场响应性能的前提下降低成形构件密度；

6、所述tic与tib2复配构成双相陶瓷形核强化体系，在增材熔池内提供高密度稳定形核位点，配合外场动态扰动实现构件全域均匀细晶组织；

7、所述羟基改性多壁碳纳米管分散剂用于改善金属-陶瓷异质组分界面润湿性，抑制多组分粉体偏析，保障整批粉末外场响应性能一致性。

8、作为进一步的技术方案，所述la-ce-nd稀土改性剂由la、ce、nd按重量百分比40%:35%:25%组成，用于净化粉末界面夹杂、细化凝固晶粒、提升异质相界面冶金结合强度。

9、作为进一步的技术方案，所述la-ce-nd稀土改性剂制备方法包括以下步骤：

10、s1、真空熔炼：按配比取高纯稀土原料，置于真空度≤5×10-3pa的真空电弧炉中，1400～1500℃熔炼并保温10～15min，获得成分均质的稀土合金熔体；

11、s2、高压气体雾化：采用高纯氩气作为雾化介质，在雾化压力3～4mpa、冷却速率≥105k/s条件下雾化制粉；

12、s3、低温活化时效：在氩气保护氛围下，300～350℃保温2～3h，活化粉体表面晶界，提升稀土改性剂界面活性与冶金结合能力。

13、作为进一步的技术方案，所述fe-co-nb铁钴基外场响应相制备工艺包括以下步骤：

14、s1、真空感应熔炼：将fe、co、nb原料按配比混合，在真空度≤3×10-3pa、1550～1600℃条件下熔炼，保温20～25min保证熔体成分均质无偏析；

15、s2、旋转电极雾化：采用转速12000～15000r/min的旋转电极雾化工艺制备得到。

16、作为进一步的技术方案，所述al-mg铝镁轻质相的al、mg重量配比为4～5:1，用于在不劣化基体与外场响应性能的前提下降低成形构件密度。

17、作为进一步的技术方案，所述羟基改性多壁碳纳米管分散剂的物性参数为：管径10～30nm、管长5～15μm、纯度≥98%、羟基官能团含量3.2～4.5wt%，通过改善异质界面润湿性，有效抑制多组分粉体重力偏析与外场诱导偏析。

18、作为进一步的技术方案，所述al-mg铝镁轻质相为真空雾化预合金粉，粉体粒径30～60μm，氧含量≤0.05wt%，密度2.55～2.65g/cm³，在降低构件自重的同时，匹配粉体整体流动性与增材成形稳定性。

19、作为进一步的技术方案，所述tic陶瓷增强相为微米级高纯粉体，粒径10～40μm、纯度≥99.5%，具备优异的异质形核能力与高温稳定性。

20、作为进一步的技术方案，所述tib2硼化物为六方晶系高纯粉体，粒径15～35μm、纯度≥99%，可有效钉扎晶界、抑制高温晶粒粗化，与tic协同实现高效稳定熔池形核。

21、作为进一步的技术方案，所述金属增材制造粉末制备工艺，具体步骤为：

22、s1、固相预混：将ti-6al-4v钛合金基体、fe-co-nb铁钴基外场响应相、tic陶瓷增强相、tib2硼化物、la-ce-nd稀土改性剂、al-mg铝镁轻质相混合后，加入纳米二氧化硅与羟基改性多壁碳纳米管分散剂，以250～300r/min球磨40～60min，实现所有固相组分均质分散，使纳米二氧化硅颗粒均匀附着在各粉体颗粒表面，为后续低温气相沉积形成梯度包覆层提供均匀成核位点；

23、s2、包覆：采用低温等离子辅助气相沉积工艺，在氩气载气、工作真空度10～50pa、180～220℃恒温条件下沉积处理25～35min；

24、s3、晶粒适配热处理：在真空氛围、450～500℃条件下保温1.5～2.5h，然后冷却至室温。

25、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

26、本发明通过各功能组分的配合，实现粉末性能的定向调控。采用fe-co-nb铁钴基外场响应相，因其具备高磁导率与磁致伸缩特性，可在0.1～5t交变磁场中产生稳定磁致伸缩效应，对熔池施加动态扰动，从而打破熔池凝固过程中晶粒择优生长趋势，显著提升熔池形核密度，进而实现构件全域均匀细晶组织，解决了传统粉末外场响应弱、晶粒易粗化的问题。引入纳米二氧化硅梯度包覆层，可在粉末颗粒表面形成致密均匀的隔离层，从而屏蔽磁性颗粒间的磁偶极相互作用，抑制外场铺粉阶段粉体团聚与偏析，进而保障铺粉厚度均匀性与一致性，解决了外场下铺粉稳定性差、成形缺陷多的问题。添加羟基改性多壁碳纳米管分散剂，可改善金属-陶瓷异质组分界面润湿性，从而降低组分间界面张力、抑制重力偏析与外场诱导偏析，进而保障整批粉末外场响应性能一致性，解决了多组分粉体分散不均、批量成形稳定性差的问题。

27、本发明各功能组分并非简单叠加，而是通过多相协同耦合形成完整性能调控体系，实现微观组织与宏观性能的同步优化。tic与tib2双相陶瓷复配，可在熔池内提供高密度、多尺度稳定形核位点，与fe-co-nb外场响应相的动态扰动作用协同，从而大幅提升形核效率、细化晶粒尺寸，同时tib2可有效钉扎晶界、抑制高温晶粒粗化，tic提供高温稳定性，二者协同实现熔池组织的稳定均匀化，解决了单一陶瓷相形核效率低、高温稳定性不足的问题。la-ce-nd稀土改性剂可净化粉末界面夹杂、细化凝固晶粒，提升异质相界面冶金结合强度，与碳纳米管分散剂协同改善界面结合状态，从而减少界面裂纹、提升构件塑性与抗疲劳性能，解决了异质相界面结合弱、易产生缺陷的问题。al-mg铝镁轻质相在不劣化基体与外场响应性能的前提下降低构件密度，与钛合金基体协同实现高强度与轻量化的平衡，从而满足高端装备轻量化设计需求，解决了传统高性能粉末密度大、构件自重高的问题。

28、本发明通过合理设计组分体系与制备工艺，实现了外场响应性能、铺粉稳定性、力学性能与轻量化的有机统一。由于采用了上述功能组分协同设计与低温等离子辅助包覆、晶粒适配热处理工艺，从而使粉末在外场调控成形过程中兼具灵敏外场响应、优异铺粉均匀性、稳定组分分散性，进而制备出晶粒细小均匀、界面结合牢固、力学性能优异、密度低的金属构件，解决了现有外场调控粉末功能单一、性能不匹配、批量成形良率低的技术瓶颈。本发明粉末可适配0.1～5t交变磁场外场调控工况，成形构件兼具高强度、高塑性、低密度特性，适用于航空航天、高端装备等领域复杂结构件制造，进而推动外场调控增材制造技术的工业化规模化应用，具有显著的经济价值与工程应用前景。