本发明涉及材料粉末制备技术领域，具体地，涉及一种纳米铝基复合材料粉末及制备方法。
背景技术：
航空航天、兵器制造等高尖端领域对结构材料性能和制备技术的要求苛刻，不仅要求具备高强度高塑性的同时，还需具有高的比刚度和比模量。大型飞机等高端装备领域对高性能、高可靠性、经济和环保的追求，导致对大型、精密、复杂整体轻质高强韧合金构件的需求越来越迫切。
激光增材制造技术可以解决兼顾复杂形状和高性能金属构件快速制造的技术难题，但是商业化的金属粉末制备方法如雾化法、旋转电极法，受制于激光吸收率等关键技术指标的限制，可供使用的合金粉末种类有限。尤其是在铝合金激光增材制造领域，由于铝合金激光吸收率较低，仅有al-si合金体系的金属粉末能够适合用于该领域，极大的限制了铝基复合材料在增材制造领域的发展。
目前，利用该类商业化粉末已经制备出较高尺寸精度的零部件，并在航空航天，医疗等领域获得了一些应用。例如美国boeing公司自2000年以来开始将lcd大型钛合金零件应用于f-18和f-22战斗机，并于2015年申请了飞机零件增材制造体系的美国专利。欧洲airbus公司自2006年以来开始尝试飞机起落架lcd技术，并已将拓扑优化设计与slm技术结合，实现了钛合金发动机短舱铰链的优化制造。美国ge公司则走在了slm技术研究和应用的前列，其采用slm技术制造的t25发动机传感器壳体已用于ge90-94b航空发动机，并被美国联邦航空管理局批准航空应用。但是制备的零件易产生较高的残余应力及微米级别的裂纹及孔洞等缺陷，进而导致材料疲劳强度、塑性和韧性降低。因而零件生产成品率低、可靠性不足且成本高居不下。因此传统的商业化合金粉末不能完全满足高性能零部件的制造。
技术实现要素：
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种纳米铝基复合材料粉末及其制备方法，该粉末能同时具备高激光吸收率，高球形率，工艺操作简单易行，低成本高效率，适合进行批量生产。制备的纳米复合材料粉末适合用于激光增材制造和粉末冶金。
为了实现上述目的，本发明提供的一种纳米铝基复合材料粉末及其制备方法，主要通过原位自生熔体控制的方法，制备出tib2颗粒增强铝合金复合熔体，再利用自主设计的真空气雾化设备，实现对原位自生tib2颗粒增强铝复合材料的粉末制备，进而得到均匀弥散分布的纳米tib2颗粒和纳米尺度等轴的基体晶粒组织，制备出了高激光吸收率的tib2增强铝基复合材料粉末。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
第一方面，本发明提供一种纳米铝基复合材料粉末所述铝基复合材料粉末包括基体合金和分布在所述基体合金中的增强相；
所述基体合金包括如下质量分数的各元素组分：ni1％～25％；zr1％～10％、cu0.1％～10％、y0.05％～8％、sc0.05％～3％、ce0.05％～8％和ti0.1％～10％中的至少一种；al为余量；
所述增强相为tib2颗粒。
优选地，所述基体合金中，包括zr1％～10％、cu0.1％～10％、y0.05％～8％、sc0.05％～3％、ce0.05％～8％和ti0.1％～10％中的至少两种。
优选地，所述基体合金包括如下质量分数的各元素组分：ni1％～25％，zr1％～10％，cu0.1％～10％，y0.05％～8％，sc0.05％～3％，ce0.05％～8％，ti0.1％～10％，al为余量(26％～98％)。cu是一种常见的提高性能的合金元素；添加微量sc、ti元素可以大幅度细化晶粒，而同时添加微量zr元素可以在保持这一优点之外，提高材料在高温环境中的稳定性；添加微量的ce元素可以改善铝合金材料的塑形和疲劳性能；添加微量的y元素可以显著影响析出相的形态。因此，同时添加zr、cu、y、sc、ce、ti元素可以更好提高后续成形材料的力学性能。
优选地，所述铝基复合材料粉末的中值粒径在3～180μm；所述铝基复合材料粉末中存在均匀细小的等轴纳米晶，所述等轴纳米晶的晶粒尺寸为0.1-5μm。中值粒径能够反映出粉末的粒径分布，可直接影响粉末的堆积密度，对于激光增材制造而言是一个非常重要的参数。较小的粉末晶粒尺寸有利于提高材料的综合力学性能。
优选地，所述铝基复合材料粉末中均匀分布有tib2颗粒，所述tib2颗粒的尺寸为5-2000nm，所述tib2颗粒的质量为铝基复合材料粉末质量的0.5％～10％。tib2颗粒尺寸过大会削减颗粒强化的作用，而颗粒尺寸过小容易引起团聚。tib2颗粒的质量分数超出上述范围会导致材料密度上升，韧性显著降低，甚至无法制备得到球形粉末。
第二方面，本发明提供一种纳米铝基复合材料粉末的制备方法，包括如下步骤：
s1、将纯铝(工业纯铝)加热，加入覆盖剂覆盖后升温得到熔体；
s2、将kbf4、k2tif6均匀混合，烘干后加入步骤s1得到的熔体中，机械搅拌，充分反应；(反应时间一般为5-60min，根据时间来判断反应结束。反应结束后，清除浮于熔体表面的熔渣，主要副产物为kalf4和k3alf6。)
s3、待步骤s2中反应结束后，取出反应副产物，依次加入纯ni或al-ni中间合金、al-zr中间合金、al-sc中间合金、al-cu中间合金、al-ti中间合金、al-y中间合金和al-ce中间合金，在熔体中加入精炼剂进行除气精炼，控制温度为650～800℃静置10～20min，得到铝基复合材料熔体；
s4、将步骤s3中铝基复合材料熔体通过进行气雾化，得到铝基复合材料粉末(tib2颗粒增强纳米铝基复合材料粉末)；将所述铝基复合材料粉末进行均匀化热处理，经筛选，得到合适尺寸(适合激光增材制造和粉末冶金的粉末尺寸)的铝基复合材料粉末。
优选地，步骤s1中，所述覆盖剂为jzf-03型高温覆盖剂，升温至600～950℃。所述覆盖剂的质量为纯铝质量的0.1～1％。
优选地，步骤s2中，所述kbf4、k2tif6的质量比为1:0.5～1:2。所述kbf4的质量为纯铝的质量为45～85％％；所述机械搅拌的速率为10～500rpm。
优选地，步骤s3中，所述纯ni或al-ni中间合金、al-zr中间合金、al-sc中间合金、al-cu中间合金、al-ti中间合金、al-y中间合金和al-ce中间合金的加入量满足所得铝基复合材料粉末的基体合金包括如下质量分数的元素组分：ni1％～25％；zr1％～10％、cu0.1％～10％、y0.05％～8％、sc0.05％～3％、ce0.05％～8％和ti0.1％～10％中的至少一种。
优选地，步骤s3中，al-zr中间合金为al-12wt％zr，al-ni中间合金为al-50％ni，al-sc中间合金为al-2％sc，al-cu中间合金为al-50％cu，al-ti中间合金为al-10％ti，al-y中间合金为al-30％y，al-ce中间合金为al-30％ce。合金采用步骤s3的添加顺序，如果不按照上述顺序加入，将影响体系中第二相的形貌和尺寸。
优选地，步骤s3中，所述精炼剂为jzj型无害铝合金精炼剂。所述精炼剂的质量为纯铝质量的0.1～1％。
优选地，步骤s4中，所述气雾化条件包括：溶液温度为700～1200℃，气雾化温度为650～1200℃，气雾化介质为ar、he或者ar、he的混合气，气雾化气压为0.5-10mpa。
本发明的制粉过程中不需要进行热处理。由于热处理的主要作用是均匀化处理以消除元素偏析，本发明制备的铝基复合材料粉体主要用于激光增材制造，而激光增材制造为再次熔化、快速凝固的过程，故热处理对制粉过程意义不大。
第三方面，本发明提供一种用于上述纳米铝基复合材料粉末的制备方法的气雾化装置，所述气雾化装置包括依次连接的坩埚、雾化器、雾化室和收集桶；所述坩埚内设置有搅拌棒，所述坩埚的出液口与雾化器的喷嘴连通；所述雾化器的喷嘴与雾化室的上部连通，所述雾化室的下部设置有除气管，所述除气管位于雾化室与收集桶连接处的上方；所述喷嘴的直径0.5-5mm。
本发明制备的纳米铝基复合材料粉末相比传统铝合金粉末，(1)纳米级tib2颗粒弥散分布于基体晶粒内，热稳定性更好，适用于粉末冶金技术；(2)具备更高的激光吸收率，更加适用于激光增材制造技术。
由于铝合金激光吸收率普遍较低，给激光增材制造带来极大挑战。本发明使用的原料为原位自生反应生成的铝基复合材料，不仅克服了传统外加法颗粒表面污染、尖角应力集中、界面结合性差等不足，而且由于制粉过程中冷却速度很快，纳米级tib2颗粒在基体中均匀弥散分布，才能起到提高粉末激光吸收率的作用。本体系中对激光吸收率有影响的主要是al、ni和tib2，其中al的激光吸收率低于10％，ni的激光吸收率约为25％，而tib2则约为80％，其他合金元素由于含量较低影响不大。同时，本体系中，cu是一种常见的提高性能的合金元素；添加微量sc、ti元素可以大幅度细化晶粒，而同时添加微量zr元素可以在保持这一优点之外，提高材料在高温环境中的稳定性；添加微量的ce元素可以改善铝合金材料的塑形和疲劳性能；添加微量的y元素可以显著影响析出相的形态。综上所述，同时添加zr、cu、y、sc、ce、ti元素可以更好提高后续成形材料的力学性能。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、本发明有效地结合了原位熔体自生制备微纳米颗粒增强铝基复合材料的优势。通过原位熔体自生的方法制备出微纳米颗粒增强的铝基复合材料粉末，在分散复合材料内原位自生微纳米tib2颗粒，大幅提高材料强度的同时，有效地提高的粉末的激光吸收率，大幅扩展了铝基材料激光增材制造的材料应用范围。
2、本发明制备得到的铝基复合材料，微纳米tib2颗粒弥散均匀分布在铝基体中，具有显著提高激光吸收率的作用。同时，添加微量的cu、zr、y、sc、ce、ti元素中的至少一种有助于提高后续激光增材制造试样的力学性能。
3、利用该纳米复合材料粉末进行激光增材制造，相对于传统al-si体系粉末，所制备的材料强度塑性较高，由于纳米tib2颗粒的增强作用及抑制再结晶生长的作用，可得到均匀细小的等轴晶。由于复合材料组织内均匀弥散分布的微纳米tib2颗粒以及细小等轴晶的存在，本发明方法制备的激光增材制造铝基复合材料部件能同时具有高强度和高塑性。
4、利用该纳米复合材料粉末进行粉末冶金成型，相对于传统粉末冶金技术，无需进行机械球磨，生产成本大幅降低。其结构为纳米尺寸等轴晶组织，且纳米颗粒均匀分布于粉体基体内，制备的粉末冶金强度、塑性和模量均大幅高于传统的商业铝合金及复合材料。
5、本发明纳米铝基复合材料粉末的球形率＞90％，收得率≥60％；所述铝基复合材料粉末的激光吸收率>55％。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明中气雾化装置的结构示意图；图中，1-搅拌棒；2-坩埚；3-雾化器；4-雾化室；5-除气管；6-收集桶；
图2为实施例1制备的铝基复合材料粉末的sem照片；其中，图(a)为粉末整体照片，图(b)为单个粉末截面组织照片。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对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，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
实施例1
本实施例提供一种纳米铝基复合材料粉末，其制备方法包括：
以纯铝、纯ni或al-ni中间合金、al-12zr中间合金、al-cu中间合金、kbf4以及k2tif6为原料配制了原位自生5wt.％tib2增强al-10ni-2.3cu-3zr复合材料。先将高纯al放入坩埚中熔化并升温到780℃，用jzf-03型高温覆盖剂覆盖；将kbf4、k2tif6按质量比1:2均匀混合后，烘干后加入熔体中；待反应结束后，取出反应副产物，依次加入al-ni中间合金、al-12zr中间合金、al-cu中间合金，在熔体中加入jzj型无害铝合金精炼剂进行除气精炼，在750℃下静置15min，然后经气雾化装置制粉。
所述气雾化装置包括依次连接的坩埚2、雾化器3、雾化室4和收集桶5；所述坩埚2内设置有搅拌棒1，所述坩埚2的出液口与雾化器3的喷嘴连通；所述雾化器3的喷嘴与雾化室4的上部连通，所述雾化室4的下部设置有除气管5，所述除气管5位于雾化室4与收集桶5连接处的上方。所述坩埚内的合金熔液经雾化器在雾化室内形成雾化熔滴，最后经收集桶进行收集。
气雾化工艺为：熔体温度820℃，使用he保护并气雾化，气压2.62mpa，喷嘴直径2.16mm。
依据gb/t3249《金属及化合物粉末粒度的测定方法》，测得粉末平均直径37μm；采用扫描显微镜观察并拍照后采用定量计算软件(ipp)进行统计计算，测得粉末球形率＞90％；工业筛粉得到所需粒径，测得粉末收得率≥75％；采用gb/t1482《金属粉末流动性的测定方法》测试流动性以确定其流动性满足增材制造要求。本实施例制备的铝基复合材料粉末的sem照片如图2所示，从图2(a)中可以看出，粉末呈圆球状；从图2(b)中可以看出，tib2颗粒均匀分布在基体中，微观组织形貌呈等轴晶，通过定量计算软件(ipp)进行计算得到晶粒平均尺寸为460nm。参考《激光束与材料相互作用的物理原理及应用》，粉末的激光吸收率为61％。
实施例2
本实施例提供一种纳米铝基复合材料粉末，其制备方法包括：
以纯铝、纯ni或al-ni中间合金、al-12zr中间合金、al-cu中间合金、al-ti中间合金、kbf4以及k2tif6为原材料配制了原位自生5wt.％tib2增强al-10ni-2.3cu-3zr-5ti复合材料。先将高纯al放入坩埚中熔化并升温到780℃，用jzf-03型高温覆盖剂覆盖；将kbf4、k2tif6按质量比1:2均匀混合后，烘干后加入熔体中；待反应结束后，取出反应副产物，依次加入al-ni中间合金、al-12zr中间合金、al-cu中间合金、al-ti中间合金，在熔体中加入jzj型无害铝合金精炼剂进行除气精炼，在750℃下静置15min，然后经气雾化装置制粉。所述气雾化装置与实施例1中一致，其气雾化工艺为：熔体温度900℃，使用he保护并气雾化，气压3.10mpa，喷嘴直径1.7mm。
本实施例制得的粉末平均直径15μm，球形率＞90％，收得率≥80％，tib2颗粒含量5wt.％，复合材料粉末晶粒平均尺寸420nm，激光吸收率66％。
实施例3
本实施例提供一种纳米铝基复合材料粉末，其制备方法包括：
以纯铝、纯ni或al-ni中间合金、al-y中间合金、al-ce中间合金、kbf4以及k2tif6为原材料配制了原位自生10wt.％tib2增强al-15ni-7ce-6y复合材料。先将高纯al放入坩埚中熔化并升温到780℃，用jzf-03型高温覆盖剂覆盖；将kbf4、k2tif6按质量比1:2均匀混合后，烘干后加入熔体中；待反应结束后，取出反应副产物，依次加入纯ni或al-ni中间合金、al-y中间合金、al-ce中间合金，在熔体中加入jzj型无害铝合金精炼剂进行除气精炼，在750℃下静置15min，然后经气雾化装置制粉。所述气雾化装置与实施例1中一致，其气雾化工艺为：熔体温度900℃，使用ar保护并气雾化，气压1.20mpa，喷嘴直径2.16mm。
本实施例制得的粉末平均直径45μm，球形率＞90％，收得率≥75％，tib2颗粒含量10wt.％，复合材料粉末晶粒平均尺寸530nm，激光吸收率62％。
实施例4
本实施例提供一种纳米铝基复合材料粉末，其制备方法包括：
以纯铝、纯ni或al-ni中间合金、al-12zr中间合金、al-sc中间合金、al-cu中间合金、al-ce中间合金、kbf4以及k2tif6为原料配制了原位自生10wt.％tib2增强al-16ni-2.2cu-0.7ce-9zr-1sc复合材料。先将高纯al放入坩埚中熔化并升温到780℃，用jzf-03型高温覆盖剂覆盖；将kbf4、k2tif6按质量比1:2均匀混合后，烘干后加入熔体中；待反应结束后，取出反应副产物，依次加纯ni或al-ni中间合金、al-12zr中间合金、al-sc中间合金、al-cu中间合金、al-ce中间合金，在熔体中加入jzj型无害铝合金精炼剂进行除气精炼，在750℃下静置15min，然后经气雾化装置制粉。所述气雾化装置与实施例1中一致，其气雾化工艺为：熔体温度900℃，使用ar保护并气雾化，气压5.10mpa，喷嘴直径2.16mm。
本实施例制得的粉末平均直径27μm，球形率＞90％，收得率≥60％，tib2颗粒含量10wt.％，复合材料粉末晶粒平均尺寸512nm，激光吸收率67％。
实施例5
本实施例提供一种纳米铝基复合材料粉末，其制备方法包括：
以纯铝、纯ni或al-ni中间合金、al-12zr中间合金、al-cu中间合金、al-y中间合金、kbf4以及k2tif6为原料配制了原位自生8wt.％tib2增强al-6ni-8cu-4zr-4y复合材料。先将高纯al放入坩埚中熔化并升温到780℃，用jzf-03型高温覆盖剂覆盖；将kbf4、k2tif6按质量比1:2均匀混合后，烘干后加入熔体中；待反应结束后，取出反应副产物，依次加入al-ni中间合金、al-12zr中间合金、al-cu中间合金、al-y中间合金、在熔体中加入jzj型无害铝合金精炼剂进行除气精炼，在750℃下静置15min，然后经气雾化装置制粉。所述气雾化装置与实施例1中一致，其气雾化工艺为：熔体温度900℃，使用50％ar和50％he混合气保护并气雾化，气压3.10mpa，喷嘴直径1.7mm。
本实施例制得的粉末平均直径22μm，球形率＞90％，收得率≥60％，tib2颗粒含量8wt.％，复合材料粉末晶粒平均尺寸480nm，激光吸收率59％。
实施例6
本实施例提供一种纳米铝基复合材料粉末，其制备方法包括：
以纯铝、纯ni或al-ni中间合金、al-zr中间合金、al-sc中间合金、al-cu中间合金、al-ti中间合金、al-y中间合金、al-ce中间合金、kbf4以及k2tif6为原料配制了原位自生5wt.％tib2增强al-6ni-2.2cu-0.7ce-9zr-1sc-1ti-6y复合材料。先将高纯al放入坩埚中熔化并升温到780℃，用jzf-03型高温覆盖剂覆盖；将kbf4、k2tif6按质量比1:2均匀混合后，烘干后加入熔体中；待反应结束后，取出反应副产物，依次加入纯ni或al-ni中间合金、al-zr中间合金、al-sc中间合金、al-cu中间合金、al-ti中间合金、al-y中间合金和al-ce中间合金，在熔体中加入jzj型无害铝合金精炼剂进行除气精炼，在750℃下静置15min，然后经气雾化装置制粉。所述气雾化装置与实施例1中一致，其气雾化工艺为：熔体温度900℃，使用ar保护并气雾化，气压5.10mpa，喷嘴直径2.16mm。
本实施例制得的粉末平均直径24μm，球形率＞90％，收得率≥60％，tib2颗粒含量5wt.％，复合材料粉末晶粒平均尺寸446nm，激光吸收率55％。
实施例7
本实施例提供一种纳米铝基复合材料粉末，其制备方法包括：
以纯铝、纯ni或al-ni中间合金、al-cu中间合金、kbf4以及k2tif6为原材料配制了原位自生5wt.％tib2增强al-10ni-2.3cu复合材料。先将高纯al放入坩埚中熔化并升温到780℃，用jzf-03型高温覆盖剂覆盖；将kbf4、k2tif6按质量比1:2均匀混合后，烘干后加入熔体中；待反应结束后，取出反应副产物，依次加入al-ni中间合金、al-cu中间合金，在熔体中加入jzj型无害铝合金精炼剂进行除气精炼，在750℃下静置15min，然后经气雾化装置制粉。所述气雾化装置与实施例1中一致，其气雾化工艺为：气雾化工艺为：熔体温度850℃，使用he保护并气雾化，气压2.68mpa，喷嘴直径2.2mm。
本实施例制得的粉末平均直径38μm，球形率＞90％，收得率≥60％，tib2颗粒含量5wt.％，复合材料粉末晶粒平均尺寸4.7μm，激光吸收率55％。
上述实施例1-7制备的纳米铝基复合材料粉末，不仅粉末性能优异，而且在后续验证效果中发现，当添加zr、cu、y、sc、ce、ti中的至少两种元素所制备的粉末，比仅添加zr、cu、y、sc、ce、ti中的一种元素所制备的粉末，在用于激光增材制造成型试样时具有较好的力学性能。而且，同时添加zr、cu、y、sc、ce和ti元素的粉末可以更好提高后续成形材料的力学性能，制得的成型试样具有最佳的综合力学性能。
对比例1
本对比例涉及一种纳米铝基复合材料粉末，其制备方法与实施例1基本一致，不同之处在于：采用工业纯zn和工业纯mg中间合金代替al-ni中间合金，得到al-7zn-3mg-2.3cu-3zr复合材料。
本对比例制得的粉末平均直径32μm，球形率＞90％，收得率≥60％，tib2颗粒含量5wt.％，复合材料粉末晶粒平均尺寸1.8μm，激光吸收率37％。
综上，本发明制备的纳米铝基复合材料粉末，微纳米tib2颗粒弥散均匀分布在铝基体中，具有显著提高激光吸收率的作用；添加微量的cu、zr、y、sc、ce、ti元素中的至少一种有助于提高后续激光增材制造试样的力学性能。且同时添加zr、cu、y、sc、ce、ti元素的粉末可以更好提高后续成形材料的力学性能，
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。