一种基于激光3D打印的氧化铝增强合金性能的方法与流程

本发明属于增材制造
技术领域：
。更具体地，涉及一种基于激光3d打印的氧化铝增强合金性能的方法。
背景技术：
：合金，是由两种或两种以上的金属与金属或非金属经一定方法所合成的具有金属特性的物质，具有硬度大、抗腐蚀、优异的导电性等优点，被广泛用于航天航空、石油、化工、电力、海洋等领域中。现代工业的快速发展，对合金的需求量越来越大，对合金的强度也提出了更高的要求。目前，常用增强合金性能的方法有以下三种：第一种，微合金化，指在合金基础上加入适量的一种或几种微合金化合金元素强化合金性能；第二种，细晶强化，指通过晶粒粒度的细化来提高合金的强度；第三种，纳米增强，指通过在合金制备过程中添加纳米相来增强合金性能。其中，第一、二种方法在行业内已经研究多年，也取得了丰硕的成果；而第三种纳米增强合金方法还处于探索中，技术尚未成熟，存在纳米相直径细小，易于团聚，且密度远小于合金液体，在熔炼过程中易团聚上浮，导致偏析和热裂纹的问题。因此，如何获得纳米相弥散分布的强化合金材料成为目前行业研究难点。另一方面，激光3d打印技术是近年来新兴的技术之一，具有热源高度集中、稀释小、热影响区小等特点，和可以将优异的材料性能与精确的制造过程相结合的特殊优势，非常适合制造空间结构复杂、组织成分空间布局的功能零件，也可以应用于合金制造领域。如中国专利申请cn108465807a公开了一种高强度al-mg-sc合金粉末、其制备方法、在3d打印中的应用及其3d打印方法，该方法通过限定各元素的质量百分比，再经过真空熔炼制备得到稀土高强度al-mg-sc合金粉末，利用3d打印制备得到高强度、高延伸率的铝合金，但该方法需要预先混合、制备合金粉末，前期准备步骤复杂，且如若合金粉末混合不均匀，还会造成铝合金质量参差不齐。技术实现要素：本发明要解决的技术问题是克服现有技术纳米增强时纳米相团聚上浮、3d打印合金步骤繁琐的缺陷和不足，提供一种基于激光3d打印，使纳米相氧化铝弥散分布，提高合金性能，步骤简单的方法。本发明上述目的通过以下技术方案实现：一种基于激光3d打印的氧化铝增强合金性能的方法，包括以下步骤：开启激光器，设定合金粉末、氧化铁粉末和铝粉末的送粉量参数，使铝粉末、氧化铁粉末的送粉量比为1:(2～5)，在清洁后的合金基板上进行激光3d打印，得氧化铝增强的合金；其中，所述氧化铁粉末和铝粉末的粒径为20～100μm。铝与氧比铁、镍与氧具有更强的亲和性，本发明利用激光3d打印技术在打印过程中形成的局部高温，可以促进铝和氧化铁发生原位置换反应，生成的细小纳米级氧化铝随着合金粉末沉淀过程的推进，可以均匀分布在合金体系中，在熔池凝固过程中形成异质形核质点，细化合金的晶粒尺寸，显著增强合金的力学性和质量均一性。优选的，所述铝粉末、氧化铁粉末的送粉量比为1:(2～3)。更优选的，所述铝粉末、氧化铁粉末的送粉量比为1:3。优选的，所述氧化铁粉末和铝粉末的粒径为40～80μm。更优选的，所述氧化铁粉末和铝粉末的粒径为80μm。其中，铝粉末和氧化铁粉末的粒径、送粉量对弥散具有显著的影响。粒径太大，会使置换反应不充分，且生产的氧化铝颗粒粒径大，会降低合金材料的力学性能；粒径太小，粉末易于团聚，熔化不充分，孔隙含量增加，也会降低合金材料的力学性能。同时，铝粉末和氧化铁粉末的比例也需要合理控制，铝粉末过量时，会与生成的铁反应，生产脆性的feal金属间化合物，降低合金材料的力学性能；氧化铁粉末过量时也会降低合金材料的力学性能。进一步地，所述铝粉末的送粉量为0.3～1.7g/min。优选的，所述铝粉末的送粉量为1～1.7g/min。更优选的，所述铝粉末的送粉量为1g/min。更进一步地，所述氧化铁末的送粉量为1～5g/min。优选的，所述氧化铁末的送粉量为3～5g/min。更优选的，所述氧化铁末的送粉量为3g/min。进一步地，所述合金粉末的送粉量为10～15g/min。优选的，所述合金粉末的送粉量为12～15g/min。更优选的，所述合金粉末的送粉量为12g/min。更进一步地，所述参数还包括：设置激光功率为600～900w，扫描速度为8～12mm/s，光斑直径为2～3mm，以氩气为保护气和送粉气，流量均为10～15l/min。优选的，所述参数还包括：设置激光功率为800w，扫描速度为10mm/s，光斑直径为2mm，以氩气为保护气和送粉气，流量均为12l/min。进一步地，所述合金基板、合金粉末中的合金为镍基合金、铁基合金或铝基合金。优选的，所述合金基板、合金粉末中的合金为镍基合金。更进一步地，所述激光3d打印为送粉式激光3d打印或选区激光3d打印。优选的，所述激光3d打印为送粉式激光3d打印。进一步的，所述清洁的方法包括脱油、脱脂。本发明具有以下有益效果：本发明创造性的提出了一种全新的基于激光3d打印的氧化铝增强合金性能的方法，利用激光3d打印技术在打印过程中形成的局部高温，可以促进铝和氧化铁发生原位置换反应，进一步限定铝粉末、氧化铁粉末的送粉量比为1:(2～5)，粒径为20～100μm，生成的细小纳米级氧化铝随着合金粉末沉淀过程的推进，可以均匀分布在合金体系中，解决了纳米相团聚上浮的问题，显著增强了合金的力学性能和质量均一性，且操作简单，适用于大规模工业化生产。附图说明图1为本发明实施例1基于送粉式3d打印制备氧化铝增强镍基合金的打印台示意图。图2为本发明实施例1和对比例1制备的镍基合金的扫描电子显微对比图；其中，(a)-对比例1制备的镍基合金的扫描电子显微图，20μm；(b)-实施例1制备的镍基合金的扫描电子显微图，20μm；(c)-实施例1制备的镍基合金的扫描电子显微图，3μm。图3为本发明实施例1制备的氧化铝增强镍基合金的能谱图。图4为本发明实施例1制备的氧化铝增强镍基合金的tem形貌像图。具体实施方式以下结合说明书附图和具体实施例来进一步说明本发明，但实施例并不对本发明做任何形式的限定。除非特别说明，本发明采用的试剂、方法和设备为本
技术领域：
常规试剂、方法和设备。除非特别说明，以下实施例所用试剂和材料均为市购。实施例1一种基于激光3d打印的氧化铝增强镍基合金采用如下方法制备得到所述氧化铝增强镍基合金：将市场上购买的718镍基合金基板先进行脱油、脱脂的表面洁净处理，开启激光器，设定铝粉末送粉量为1g/min，氧化铁粉末送粉量为3g/min，镍基合金粉末送粉量为12g/min，其中，所述氧化铁粉末粒径和铝粉末的粒径均为80μm，其它工艺参数设置为：激光功率为800w，扫描速度为10mm/s，光斑直径为2mm，以氩气为保护气和送粉气，流量均为12l/min，在表面洁净处理后的镍基合金基板上进行激光3d打印，得氧化铝增强的镍基合金。实施例2一种基于激光3d打印的氧化铝增强镍基合金采用如下方法制备得到所述氧化铝增强镍基合金：将市场上购买的718镍基合金基板先进行脱油、脱脂的表面洁净处理，开启激光器，设定氧化铁粉末送粉量为1g/min，铝粉末送粉量为0.3g/min，镍基合金粉末送粉量为8g/min，其中，所述氧化铁粉末粒径和铝粉末的粒径均为60μm，其它工艺参数设置为：激光功率为900w，扫描速度为8mm/s，光斑直径为3mm，以氩气为保护气和送粉气，流量均为10l/min，在表面洁净处理后的镍基合金基板上进行激光3d打印，得氧化铝增强的镍基合金。实施例3一种基于激光3d打印的氧化铝增强镍基合金采用如下方法制备得到所述氧化铝增强镍基合金：将市场上购买的718镍基合金基板先进行脱油、脱脂的表面洁净处理，开启激光器，设定氧化铁粉末送粉量为5g/min，铝粉末送粉量为1.7g/min，镍基合金粉末送粉量为15g/min，其中，所述氧化铁粉末粒径和铝粉末的粒径均为40μm，其它工艺参数设置为：激光功率为600w，扫描速度为12mm/s，光斑直径为3mm，以氩气为保护气和送粉气，流量均为15l/min，在表面洁净处理后的镍基合金基板上进行激光3d打印，得氧化铝增强的镍基合金。实施例4一种基于激光3d打印的氧化铝增强钛基合金与实施例1不同之处在于，实施例4的合金基板、合金粉末中的合金为钛基合金，其余参数及操作参考实施例1，制备得到氧化铝增强的钛基合金。实施例5一种基于激光3d打印的氧化铝增强铁基合金与实施例1不同之处在于，实施例5的合金基板、合金粉末中的合金为铁基合金，其余参数及操作参考实施例1，制备得到氧化铝增强的铁基合金。其中，实施例1制备基于激光3d打印的氧化铝增强镍基合金的具体示意图如图1，对制备得到的氧化铝增强的镍基合金进行电子显微扫描和能谱测定，得图2～4。由图3、4可见，该颗粒相主要含有al和o元素，这说明纳米级颗粒为氧化铝纳米析出相；且该颗粒能有效钉扎位错，其析出强化作用。实施例2～5的示意图参考实施例1，实施例2～5的电子显微扫描和能谱图与实施例1相似。对比例1一种基于激光3d打印的镍基合金采用如下方法制备得到所述镍基合金：将市场上购买的718镍基合金基板先进行脱油、脱脂的表面洁净处理，开启激光器，设定镍基合金粉末送粉量为12g/min，其它工艺参数设置为：激光功率为800w，扫描速度为10mm/s，光斑直径为2mm，以氩气为保护气和送粉气，流量均为12l/min，在表面洁净处理后的合金基板上进行激光3d打印，得镍基合金。对制备得到的镍基合金进行电子显微扫描，与实施例1氧化铝增强的镍基合金电子显微扫描图对比得图2，由图2可见，实施例1的镍基合金(b)、(c)中析出了高密度的纳米相，而对比例1的镍基合金(a)没有纳米相析出。对比例2一种基于激光3d打印的镍基合金与实施例1不同之处在于，对比例2中设定氧化铁粉末送粉量为1g/min，铝粉末送粉量为1g/min，其余参数及操作参考实施例1，制备得到镍基合金。对比例3一种基于激光3d打印的镍基合金与实施例1不同之处在于，对比例3中设定氧化铁粉末送粉量为0.5g/min，铝粉末送粉量为3g/min，其余参数及操作参考实施例1，制备得到镍基合金。对比例4一种基于激光3d打印的镍基合金与实施例1不同之处在于，对比例4中所述氧化铁粉末粒径和铝粉末的粒径均为150μm，其余参数及操作参考实施例1，制备得到镍基合金。实验例1力学性能测试参考国家标准gb/t3098.1-2010，对实施例1～5和对比例1～4制备的合金的力学性能进行测定，结果参见表1。表1镍基合金力学性能测定组别硬度(hv)屈服强度(mpa)抗拉强度(mpa)延伸率(％)实施例13561178.91488.610.7实施例23451126.31435.69.8实施例33361054.31385.88.5实施例4518789.4976.413.4实施例5568719.2867.67.4对比例1316898.41003.48.9对比例2312716.6989.76.1对比例3334878.91088.66.7对比例4306918.41016.88.9由表1可见，本发明实施例1～3制备的氧化铝增强镍基合金与对比例1相比，增强了材料的硬度、屈服强度和抗拉强度，对材料延伸率影响不大；而对比例2～4制备的镍基合金与实施例1相比，硬度、屈服强度、抗拉强度和延伸率均显著降低。上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。当前第1页1 2 3