含铝金属打印粉末及其制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及3D打印技术领域，特别是涉及一种含铝金属打印粉末及其制备方法。
【背景技术】
[0002] 近年来，3D打印技术由于可直接生产复杂形状零件而发展迅猛，在航空航天、卫生 医疗、汽车、艺术、建筑等领域得到应用。3D打印要求金属粉末球形度好、粒度分布窄（粒度 分布在15~53μπι之间）、氧含量低、流动性好等特征。国内外现在的研究重点基本都是在保 证金属粉末球形度以及粉末氧含量上面，对于成型后的金属零件的测试相对较少，一般情 况下会做零件表面粗糙度、密度和拉伸实验，这些性能在3D打印之后都可以得到较好的满 足，但是进行零件的疲劳测试时，一般都很难达到相关的要求，较于锻造件来说，其疲劳寿 命都是相对较差的，这是因为在打印过程中会产生足够的内应力，这对零件的疲劳寿命而 目是致命的。
[0003] 目前比较成熟的技术是采用气雾化、等离子雾化和旋转电极法进行球形粉末的生 产，其主要产品是用于教育、医疗和航天领域，在打印成型的零件，在强度和其他性能达到 要求的前提下，其耐磨和疲劳性能难以到达预期要求，跟传统的铸造及锻造材料相比，其耐 磨性和疲劳寿命都相差甚远，其主要原因是源于两方面:其一是在3D打印过程中，零件的冷 却速度较快，存在较大的内应力，即使后期进行了内应力退火，零件内部依然会保留大量的 内应力，其二是硬质相第二相粒子的形成是需要一定的形核和长大时间的，但是3D打印过 程中，金属的融化和凝固都是在极短时间内完成的，并且在打印过程中的温度并不能完全 保证在第二相粒子形核长大的温度区间，况且零件的温度会在很短的时间内降低到较低的 温度。
[0004] 目前的3D打印的材料很少添加对耐磨性和疲劳性能有利的微量元素，即使存在少 量的微量元素也因为3D打印过程中积累的内应力无法完全消除而使得在3D打印之后的金 属零件其耐磨性和疲劳寿命都得不到保障。
[0005] 为了在合金中生成弥散均匀分布的第二相颗粒，一般合金中是添加 C元素形成MC、 M23C6等碳化物，但是提高C含量导致材料的脆性增加，不利于材料的综合性能。也有通过添 加碳纳米管，但是不能解决碳纳米管跟基体材料之间的润湿性的问题，这就导致了材料在 使用过程中的功能的降低或者缺失。
[0006] 3D打印后的金属零件想要获得良好的机械性能需要复杂的后处理工序，这在一定 程度上增加了制造成本。
【发明内容】
[0007] 基于此，本发明的目的是提供一种能够提高含铝金属打印粉末耐磨性和抗疲劳性 能的制备方法。
[0008] 具体的技术方案如下：
[0009] -种含铝金属打印粉末的制备方法，包括如下步骤：
[0010]金属间化合物复合块的制备：
[0011]将铝粉、碳纳米管和过程控制剂混合后置于球磨搅拌机中，球磨的工艺参数为:控 制球料比为5-25:1，转速为700-130(^/11^11，球磨时间为60-1801^11，球磨气氛为惰性气体 ； 球磨后的混合物经冷压成型，即得所述金属间化合物复合块；
[0012] 所述碳纳米管的添加量为所述铝粉用量的l_20wt%，所述过程控制剂的添加量为 所述铝粉用量的l_5wt%;
[0013] 按所述含铝金属打印粉末的合金原料配比混合各原料和所述金属间化合物复合 块，所述金属间化合物复合块的加入量为所述含铝金属打印粉末总质量的1-20%;然后进 行熔炼、雾化，即得所述含铝金属打印粉末。
[0014] 在其中一些实施例中，所述过程控制剂为乙醇和/或硬脂酸钠。
[0015] 在其中一些实施例中，所述过程控制剂为质量比为1:1的乙醇和硬脂酸钠。
[0016] 在其中一些实施例中，所述碳纳米管的直径为20-40nm，长度为5-30μπι。
[0017] 在其中一些实施例中，所述铝粉中铝元素的质量百分含量为99.5wt%以上。
[0018] 在其中一些实施例中，所述球磨的工艺参数为：控制球料比为10-20:1，转速为 900-1300r/min，球磨时间为60-120min。
[0019] 本发明的另一目的是提供一种耐磨性和抗疲劳性能好的含铝金属打印粉末。
[0020] 具体的技术方案如下：
[0021 ]上述制备方法制备得到的含铝金属打印粉末。
[0022] 在其中一些实施例中，所述含铝金属打印粉末的合金组成为Ti6A14V或ALSilOMg。
[0023] 在其中一些实施例中，所述含铝金属打印粉末的含氧量小于1200ρρπι，53μπι以下粉 末占有率为50-70wt%。
[0024] 本发明的原理及优点如下：
[0025] 本发明的制备方法克服了合金材料中添加碳纳米管后，无法跟基体获得良好的润 湿性的问题，并且能够使得碳纳米管在金属粉末中均匀分布，进而获得良好的耐磨性能和 良好的疲劳寿命。
[0026] 1.碳纳米管和铝粉的高速球磨保证了碳纳米管与铝形成了金属间化合物，在熔炼 过程中，碳纳米管不会暴露在高温环境中，保证了碳纳米管在后续的熔炼过程中的不被融 化；
[0027] 2.本发明的制备方法保证了碳纳米管不会在高温合金液中被大量烧损，保证了最 后的合金粉末中能够含有大量的碳纳米管，碳纳米管在含铝金属打印粉末打印成为金属零 部件的时候可以作为均匀弥散粉末的细微颗粒，起到强化金属零件机械性能和磨损及疲劳 性能；
[0028] 3.采用本发明的制备方法得到含铝金属粉末在打印之后进行常规的后处理，得到 的产品均能获得良好的耐磨性能和良好的疲劳寿命，满足常规机械性能测试的要求。
【具体实施方式】
[0029] 以下通过实施例对本申请做进一步阐述。
[0030] 实施例1
[0031] 一种含铝金属打印粉末，合金组成为AlSilOMg，其制备方法包括如下步骤：
[0032] (1)将D50为70μπι，铝含量为99.5wt %的铝粉作为原料，在铝粉中添加碳纳米管，其 含量为铝粉的5wt%，其长度为5-15μπι，直径为20-25nm，按照上述比例进行混料，添加过程 控制剂(具体为硬脂酸钠），过程控制剂的含量为铝粉含量的2%，将铝粉，碳纳米管以及过 程控制剂混合成原料，重量为2kg，将上述原材料进行球磨处理，球化介质为不锈钢球，其球 料比为10:1，在氩气气体保护下进行球磨处理，球磨速度为900r/min，球磨时间为60min，将 球磨好的粉料进行冷压处理得到金属间化合物复合块。
[0033] (2)根据AlSilOMg合金的配比要求将上述得到的金属间化合物复合块同其他原材 料进行配比，其中金属间化合物复合块在原材料中占的比例为3%，采用真空加热技术将原 材料进行熔炼，采用气雾化技术进行制备，在雾化过程中控制气体的温度为500°C，雾化压 力为IMPa，气流速度为500m/s以及气体流量与液体流量的比值8:1来控制整个雾化过程，将 得到的含铝金属打印粉末(AlSilOMg)进行筛分和混料，测试相关参数，比如金属粉末的粒 径分布，粉末中的氧含量，并用没有添加碳纳米管并采用相同设备和技术获得的金属粉末 进行3D打印，都采用SLS技术进行打印，得到拉伸标准件，在退火处理后进行拉伸实验，测试 其强度，得到的结果如下：
[0035] 从上述的结果可以看出，在添加碳纳米管之后的AlSilOMg合金的抗拉强度和屈服 强度都有提升。
[0036] 实施例2:
[0037] 一种含铝金属打印粉末，合金组成为AlSilOMg，其制备方法包括如下步骤：
[0038] (1)将D50为100μπι，铝含量为99.8wt %的铝粉作为原料，在铝粉中添加碳纳米管， 其含量为铝粉的15wt %，其长度为20-30μπι，直径为25-30nm，按照上述比例进行混料，添加 过程控制剂(具体为乙醇），过程控制剂的含量为铝粉含量的5wt%，将铝粉，碳纳米管以及 过程控制剂混合成原料，重量为5kg，将上述原材料进行球磨处理，球化介质为不锈钢球，其 球料比为15:1，在氩气气体保护下进行球磨处理，球磨速度为1000r/min，球磨时间为 120min，将球磨好的粉料进行冷压处理得到金属间化合物复合块。
[0039] (2)根据AlSilOMg合金的配比要求将上述得到的金属间化合物复合块同其他原材 料进行配比，其中金属间化合物复合块在原材料中占的比例为l〇wt%，采用真空加热技术 将原材料进行熔炼，采用气雾化技术进行制备，在雾化过程中控制气体的温度550°c，雾化 压力1.5MPa，气流速度450m/s以及气体流量与液体流量的比值10:1来控制整个雾化过程， 将得到的含铝金属打印粉末(AlSilOMg)进行筛分和混料，测试相关参数，比如金属粉末的 粒径分布，粉末中的氧含量，并用没有添加碳纳米管并采用相同设备和技术获得的金属粉 末进行3D打印，都采用SLS技术进行打印，得到拉伸标准件，在退火处理后进行拉伸实验，测 试其强度，得到的结果如下：
[0041] 从上述的结果可以看出，在添加碳纳米管之后的AlSilOMg合金的抗拉强度和屈服 强度都有提升。
[0042] 实施例3:
[0043] 一种含铝金属打印粉末，合金组成为AlSilOMg，其制备方法包括如下步骤：
[0044] (1)将D50为100μπι，铝含量为99.8wt %的铝粉作为原料，在铝粉中添加碳纳米管， 其含量为铝粉的15wt %，其长度为20-30μπι，直径为25-30nm，按照上述比例进行混料，添加 过程控制剂（具体为质量比为1:1的乙醇和硬脂酸钠），过程控制剂的含量为铝粉含量的 5wt %，将铝粉，碳纳米管以及过程控制剂混合成原料，重量为5kg，将上述原材料进行球磨 处理，球化介质为不锈钢球，其球料比为15:1，在氩气气体保护下进行球磨处理，球磨速度 为1000r/min，球磨时间为lOOmin，将球磨好的粉料进行冷压处理得到金属间化合物复合 块。
[0045] (2)根据AlSilOMg合金的配比要求将上述得到的金属间化合物复合块同其他原材 料进行配比，其中金属间化合物复合块在原材料中占的比例为l〇wt%，采用真空加热技术 将原材料进行熔炼，采用气雾化技术进行制备，在雾化过程中控制气体的温度580°C，雾化 压力2MPa，气流速度480m/s以及气体流量与液体流量的比值9:1来控制整个雾化过程，将得 到的含铝金属打印粉末(AlSilOMg)进行筛分和混料，测试相关参数，比如金属粉末的粒径 分布，粉末中的氧含量，并用没有添加碳纳米管并采用相同设备和技术获得的金属粉末进 行3D打印，都采用SLS技术进行打印，得到拉伸标准件，在退火处理后进行拉伸实验，测试其 强度，得到的结果如下：
[0047] 从上述的结果可以看出，在添加碳纳米管之后的AlSilOMg合金的抗拉强度和屈服 强度都有提升。
[0048] 实施例4:
[0049] -种含铝金属打印粉末，合金组成为Ti6A14V，其制备方法包括如下步骤：
[0050] (1)将D50为130μπι，铝含量为99.8wt %的铝粉作为原料，在铝粉中添加碳纳米管， 其含量为铝粉的20wt %，其长度为15-30μπι，直径为25-40nm，按照上述比例进行混料，添加 过程控制剂（具体为质量比为1:1的乙醇和硬脂酸钠），过程控制剂的含量为铝粉含量的 5wt %，将铝粉，碳纳米管以及过程控制剂混合成原料，重量为5kg，将上述原材料进行球磨 处理，球化介质为不锈钢球，其球料比为20:1，在氩气气体保护下进行球磨处理，球磨速度 为1300r/min，球磨时间为120min，将球磨好的粉料进行冷压处理得到金属间化合物复合 块。
[0051] (2)根据Ti6A14V合金的配比要求将上述得到的金属间化合物复合块同其他原材 料进行配比，其中金属间化合物复合块在原材料中占的比例为20wt%，采用真空加热技术 将原材料进行熔炼，采用气雾化技术进行制备，在雾化过程中控制气体的温度700°C，雾化 压力2. IMPa，气流速度480m/s以及气体流量与液体流量的比值7:1来控制整个雾化过程，将 得到的含铝金属打印粉末(Ti6A14V)进行筛分和混料，测试相关参数，比如金属粉末的粒径 分布，粉末中的氧含量，并用没有添加碳纳米管并采用相同设备和技术获得的金属粉末进 行3D打印，都采用SLS技术进行打印，得到拉伸标准件，在退火处理后进行拉伸实验，测试其 强度，得到的结果如下：
[0053] 从上述的结果可以看出，在添加碳纳米管之后的Ti6A14V合金的抗拉强度和屈服 强度都有提升。
[0054] 对打印后的试样进行磨损实验，实验结果如下：
[0056]通过上表可以看出其耐磨性能有了很大的提升。
[0057]对打印后的成品进行磨抛处理后用PLG-100高频疲劳试验机进行疲劳实验，实验 结果如下表所示：
[0059] 实验结果表明，将碳纳米管添加到合金中，对合金的疲劳性能也有了很大的提升。
[0060] 本发明不仅仅限于单一的或者一个种类的金属粉末，对于含有铝元素的合金都可 以采用相同的方法进行碳纳米管的添加和制粉，用于3D金属打印方面，能有效的提高合金 的各项性能，有利于合金在3D打印技术中的应用。
[0061] 以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实 施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存 在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
[0062] 以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并 不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来 说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护 范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
【主权项】
1. 一种含铝金属打印粉末的制备方法，其特征在于，包括如下步骤： 金属间化合物复合块的制备： 将铝粉、碳纳米管和过程控制剂混合后置于球磨搅拌机中，球磨的工艺参数为:控制球 料比为5-25:1，转速为700-1300r/min，球磨时间为60-180min，球磨气氛为惰性气体;球磨 后的混合物经冷压成型，即得所述金属间化合物复合块； 所述碳纳米管的添加量为所述铝粉用量的l_20wt%，所述过程控制剂的添加量为所述 铝粉用量的l_5wt%; 按所述含铝金属打印粉末的合金原料配比混合各原料和所述金属间化合物复合块，所 述金属间化合物复合块的加入量为所述含铝金属打印粉末总质量的1-20%;然后进行熔 炼、雾化，即得所述含铝金属打印粉末。2. 根据权利要求1所述的含铝金属打印粉末的制备方法，其特征在于，所述过程控制剂 为乙醇和/或硬脂酸钠。3. 根据权利要求2所述的含铝金属打印粉末的制备方法，其特征在于，所述过程控制剂 为质量比为1:1的乙醇和硬脂酸钠。4. 根据权利要求1所述的含铝金属打印粉末的制备方法，其特征在于，所述碳纳米管的 直径为20-40nm，长度为5-30μηι。5. 根据权利要求1所述的含铝金属打印粉末的制备方法，其特征在于，所述铝粉中铝元 素的质量百分含量为99.5wt%以上。6. 根据权利要求1-5任一项所述的含铝金属打印粉末的制备方法，其特征在于，所述球 磨的工艺参数为:控制球料比为10-20:1，转速为900-1300r/min，球磨时间为60-120min。7. 权利要求1-6任一项所述的制备方法制备得到的含铝金属打印粉末。8. 根据权利要求7所述的含铝金属打印粉末，其特征在于，所述含铝金属打印粉末的合 金组成为 Ti6A14V 或 AlSilOMg。9. 根据权利要求7所述的含铝金属打印粉末，其特征在于，所述含铝金属打印粉末的含 氧量小于1200ppm，53μπι以下粉末占有率为50-70wt %。
【专利摘要】本发明公开了一种含铝金属打印粉末及其制备方法，制备方法包括如下步骤：金属间化合物复合块的制备，将铝粉、碳纳米管和过程控制剂混合后置于球磨搅拌机中，球磨后的混合物经冷压成型，即得所述金属间化合物复合块；按所述含铝金属打印粉末的合金原料配比混合各原料和所述金属间化合物复合块，然后进行熔炼、雾化，即得所述含铝金属打印粉末。本发明的制备方法克服了合金材料中添加碳纳米管后，无法跟基体获得良好的润湿性的问题，并且能够使得碳纳米管在金属粉末中均匀分布，获得良好的耐磨性能和良好的疲劳寿命。
【IPC分类】B33Y70/00, B22F9/04, B22F1/00, B22F9/08
【公开号】CN105710380
【申请号】CN201610231510
【发明人】杨金文
【申请人】广州纳联材料科技有限公司