一种表面嵌有增强颗粒的3D打印用铝基合金粉末的制备方法与流程

本发明属于金属增材制造，具体涉及一种表面嵌有增强颗粒的3d打印用铝基合金粉末的制备方法。

背景技术：

1、增材制造铝合金结合了增材制造复杂构件一体化成形的优势及铝合金低密度、高强度及优异的抗氧化性与热导性的优点，成为航天航空、汽车和电子信息等领域广泛需求的轻质金属结构材料。然而，随着关键结构材料对更高性能的迫切需求，因而对提高铝合金性能提出了更高的挑战。大量研究表明，引入纳米增强相能够作为晶粒生长抑制剂，其晶内晶界分布能有效阻碍位错，加上其自身固有的优异性，因而能够有效地提高铝合金的综合性能。

2、当前增材制造铝合金主要热源为高能量激光束，随之带来的问题为铝合金的高反射率导致能量损耗大，热量输入不足，成形件易形成粉末未融合及孔隙缺陷。此外，由于其高热导率以及面心立方结构以<100>取向为优先生长方向，因此在激光成形时易形成沿建造方向的<100>取向的粗大柱状晶，这会导致成形件严重的各向异性。近年来，大量研究表明铝合金粉末表面改性是一种能够有效降低铝合金激光反射率的办法，包括添加纳米增强相和表面蚀刻等。考虑到对服役性能的高需求，因此，添加纳米增强相是一种极具前景的表面改性方式。此外，纳米增强相能够提供一定的过冷度，作为异质形核剂，有效促进等轴晶粒的形成，从而优化铝合金的综合性能。

3、目前，球形金属粉末添加纳米增强相的方式主要为三维混料和球磨混料。由于纳米颗粒表面能大，在这两类方式混合过程中易发生团聚，导致最终成形件组织不均匀，影响打印件综合性能。另外，球磨混料过程中会存在引入杂质以及破坏球体的情况，导致激光成形质量低，从而损害机械性能。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种解决上述纳米粉末团聚与球磨引入杂质的问题，促使纳米颗粒增强相均匀分布于铝合金粉末表面进行改性提高激光吸收率的方法。

2、为实现上述发明目的，提出一种表面嵌有增强颗粒的3d打印用铝基合金粉末的制备方法，具体步骤如下：

3、步骤一：称取一定比例的基体铝合金组元粉末和纳米颗粒增强相组元粉末，所述基体铝合金组元粉末和纳米颗粒增强相组元粉末的质量分数配比为（95.0%~99.5%）:（0.5%~5%）；

4、步骤二：将步骤一称取的基体铝合金组元粉末和纳米颗粒增强相组元粉末置于三维混料机中，按照球料比0.5~1.5:1的比例放入平均粒径为5mm的氧化锆球，罐体内充入保护气体，随后在24hz的频率下混合1~3h，混合过程结束后将混合粉末与研磨球分离；

5、步骤三：将步骤二得到的混合粉末置于声学共振混合用罐体中，按照球料比为0.4:1的比例放入辅助硬质球，罐体内充入保护气体，随后在加速度为50~75g的条件下混合8~15min，共振频率为60~70hz：

6、步骤四：将声学共振混合粉末与研磨球分离后得到目标粉末。

7、进一步地，基体组元的铝合金选自1系铝合金、2系铝合金、3系铝合金、4系铝合金、5系铝合金、6系铝合金、7系铝合金、8系铝合金、9系铝合金中的一种；纳米颗粒增强相组元选自tib2、lab6、zrc、b4c、sic、tic、wc、al3bc、aln、tin、si3n4、al2o3、y2o3、tio2、sio2、zro2、mgo金刚石中的一种或多种。

8、进一步地，步骤一中，基体铝合金组元粉末粒径为15~53μm，纳米颗粒增强相组元粉末粒径为200nm以下。

9、进一步地，步骤二中，保护气体为氩气。

10、进一步地，步骤三中，辅助硬质球为钨、碳化钨、氧化锆的一种或多种，粒径为0.3~2mm。

11、进一步地，步骤三中，辅助硬质球由高密度钨球或碳化钨球和低密度氧化锆球组成，其中，高密度硬质球与低密度硬质球的质量分数配比为10~20%:80~90%。

12、进一步地，步骤三中，保护气体为氩气。

13、本发明中混合粉末和研磨球的分离方式采用常规的筛分。

14、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

15、（1）本发明结合三维混料预混合和声学共振混合对混合粉末进行双混合，通过预混合对纳米增强相颗粒进行搅拌摩擦予以一定程度上分散，并可将大部分黏附于铝合金粉末表面；声学共振混合则将预混合粉末置于宏观共振对流与微观声流剪切的双重耦合混合环境中，物料在整个容器内做整场的混合运动，从而实现纳米增强相颗粒在al合金粉末表面的均匀分布。

16、本发明在声学共振混合中加入辅助硬质球，因辅助硬质球与预混合后的粉末在粒径及密度上的差异，使其可在声波共振混合过程中对混合粉末表面进行微冲击，一是利用声波共振混合技术的微剪切效应，可以破坏铝合金粉末表面卫星粉和空心粉，确保铝合金粉末的纯度；二在冲击作用下实现硬质纳米增强颗粒在软质铝合金粉末表面的黏附与嵌入，进而增强了纳米增强颗粒与铝基粉末的机械连接，从而提升混合粉末的流动性，提高增材制造成形质量。

17、本发明选用的硬质球粒径比铝合金粉末粒径大，一方面更大粒径的硬质球能够提供足够的冲击与剪切能量有效地将纳米粉末解团聚至亚微米甚至纳米尺度，另一方面能够提高批量处理效率并易于筛分。

18、（4）本发明制备的表面嵌有增强颗粒的3d打印用铝基合金粉末，纳米增强颗粒均匀嵌在铝合金粉末表面，能够显著提高粉末对激光的吸收率，降低激光成形能耗，提升增材制造成形质量，确保打印过程稳定可靠进行。

19、（5）本发明方法制备工艺流程简单，无特殊设备及工装要求，采用常规的粉末冶金设备即可进行工业化生产。

1.一种表面嵌有增强颗粒的3d打印用铝基合金粉末的制备方法，其特征在于所述方法具体是包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种表面嵌有增强颗粒的3d打印用铝基合金粉末的制备方法，其特征在于：基体铝合金组元选自1系铝合金、2系铝合金、3系铝合金、4系铝合金、5系铝合金、6系铝合金、7系铝合金、8系铝合金、9系铝合金中的一种；纳米颗粒增强相组元选自tib2、lab6、zrc、b4c、sic、tic、wc、al3bc、aln、tin、si3n4、al2o3、y2o3、tio2、sio2、zro2、la2o3、mgo中的一种或多种。

3.根据权利要求1所述的一种表面嵌有增强颗粒的3d打印用铝基合金粉末的制备方法，其特征在于：步骤一中，基体铝合金组元粉末粒径为15~60μm，纳米颗粒增强相组元粉末粒径为200nm以下。

4.根据权利要求1所述的一种表面嵌有增强颗粒的3d打印用铝基合金粉末的制备方法，其特征在于：步骤二中，保护气体为氩气。

5.根据权利要求1所述的一种表面嵌有增强颗粒的3d打印用铝基合金粉末的制备方法，其特征在于：步骤三中，辅助硬质球为钨、碳化钨、氧化锆的一种或多种，粒径为0.3~2mm。

6.根据权利要求1所述的一种表面嵌有增强颗粒的3d打印用铝基合金粉末的制备方法，其特征在于：步骤三中，辅助硬质球由高密度钨球或碳化钨球和低密度氧化锆球组成，其中，高密度硬质球与低密度硬质球的质量分数配比为10~20%:80~90%。

7.根据权利要求1所述的一种表面嵌有增强颗粒的3d打印用铝基合金粉末的制备方法，其特征在于：步骤三中，保护气体为氩气。