一种超声细化晶粒的3D打印用金属粉末及其制备方法与流程

本发明属于3d打印领域，涉及一种超声细化晶粒的3d打印用金属粉末及其制备方法。

背景技术：

金属材料的机械力学性能主要取决于其内部的组织和结构，而组织中一个重要的特征参数就是晶粒大小，所以细化晶粒尺寸和控制晶粒大小尤为重要。目前细化晶粒的方法主要有两种，一类是在金属熔体中添加晶粒细化剂，另一类是采用物理振动方法。其中晶粒细化剂的种类有限，像铝及铝合金中常用的商用al-ti-b中间合金，就不能用于高纯铝的晶粒细化，也不能十分有效地抑制一些合金的凝固偏析。对镁及镁合金，其晶粒细化效果和各种局限性尤为突出，有些甚至不存在晶粒细化剂，所以在晶粒细化剂的种类无法涉及所有金属及合金时，物理振动法的适用性最广，其中超声振动作为最先进的技术，有着极大的应用前景和研究价值。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种超声细化的3d打印用金属粉末及其制备方法；本发明通过在金属粉末的制备过程中施加超声波振动，细化了3d打印用金属粉末的晶粒，从根本上优化了3d打印用金属材料的机械力学性能。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

一种超声细化晶粒的3d打印用金属粉末的制备方法，包括以下步骤：

(1)熔化铝或铝合金，得到熔融状态的铝或铝合金液体，为基体金属熔液a；

(2)将al-ti-c系中间合金中的任意一种添加到步骤(1)得到的基体金属熔液a中；加入后搅拌至中间合金完全熔化，得到加入中间合金的基体金属熔液，为金属熔液b；

(3)超声处理金属熔液b，得到金属熔液c；

(4)通过清渣剂去除步骤(3)得到的金属熔液c中表面的浮渣，得到金属熔液d；

(5)将金属熔液d浇铸到金属模具中，冷却后得到铸锭；

(6)粉碎铸锭并精磨后，得到-200～+500目的含有al-ti-c系中间合金的铝或铝合金粉末，为超声细化的3d打印用金属粉末。

本发明的进一步改进在于：

优选的，步骤(1)中，铝或铝合金的熔化温度为750℃，铝或铝合金熔化后，保温30min，得到基体金属熔液a。

优选的，步骤(2)中，加入的al-ti-c系中间合金中的ti当量占步骤(1)中铝或铝合金的20～200ppm。

优选的，步骤(2)中，中间合金加入基体金属熔液a中后搅拌5～10min。

优选的，步骤(3)中，超声处理的具体过程为：将超声装置的超声探头下降至金属熔液b上方，与金属熔液b的液面接触，预热至超声探头的温度至750℃；继续下降探头至熔液液面以下10～15mm，对金属熔液进行超声处理。

优选的，步骤(3)中，下降探头至熔液液面以下10～15mm后保温5min，进行超声处理，超声处理时间为5～10min。

优选的，步骤(4)中，加入清渣剂，精炼10min后去除金属熔液表面的浮渣，得到金属熔液d。

优选的，步骤(5)中，金属熔液d浇铸到金属模具中后，将超声装置的超声探头下降至模具的熔液中；随着金属液体d的凝固，超声探头逐渐上移，上移的过程中继续施加超声波，直至金属完全凝固，完全凝固前，超声探头提出至铸锭外。

优选的，步骤(6)中，粉碎铸锭后，用筛子去除掉100目以上的粗粉粒；通过精磨，得到-200～+500目的含有al-ti-c系中间合金的铝或铝合金粉末。

一种上述任意一项制备方法制备出的超声细化晶粒的3d打印用金属粉末。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明公开了一种超声细化晶粒的3d打印用金属粉末的制备方法；该制备方法在金属熔炼过程中使用一次超声处理，促进晶粒细化剂更加均匀的熔化在基体金属的熔液中，在凝固过程中再一次超声处理，细化铸锭凝固过程中的晶粒；通过两次超声处理，使铸锭的凝固组织从粗大的柱状晶变成均匀细小的等轴晶，超声波产生的空化作用会促进液态金属中核的生成，且铸锭的宏观偏析及微观偏析会得到改善；该方法同时避免了采用机械球磨在铝及铝合金这种较软的基体粉末中添加细化剂的难题，为较软的基体金属粉末中添加细化剂提供思路；该方法可以较大批量的制得含有细化剂的基体粉末，对铝及铝合金的晶粒细化效果显著，且少量中间合金的添加即可较大程度地细化铝及铝合金的晶粒，降低制造成本，对铝及铝合金的晶粒细化及同族金属具有重大的意义和应用价值。

本发明还公开了一种超声细化的3d打印用金属粉末，该金属粉末通过在基体金属粉末中添加细化剂，同时通过两次超声处理，制备出的金属粉末微观晶粒细小，制备出的金属零件力学性能高，从根本上提高了制备出的金属零件的力学性能。

【附图说明】

图1为本发明对比例的超声纯al铸锭宏观图；

图2为本发明实施例1超声含ti当量为25ppm纯al铸锭宏观图；

【具体实施方式】

下面结合具体步骤对本发明做进一步详细描述，本发明公开了一种超声细化晶粒的3d打印用金属粉末及其制备方法，制备方法具体包括以下过程：

(1)熔化基体金属：将铝或铝合金材料放入坩埚中，铝合金能够选用任意牌号的铝合金，如7050和7075；并将坩埚放入坩埚式电阻熔炼炉内加热升温至750℃，待铝材全部融化后，保温30min，得到熔融状态铝或铝合金液体，即熔融状态的基体金属液体a。

(2)添加中间合金：将晶粒细化剂al-ti-c系中间合金中的任意一种按量加入到熔融状态的基体金属液体中，al-ti-c系中间合金如al-5ti-1c、al-3ti-1c和al-3ti-0.15c等；细化剂的添加量按照中间合金中的ti当量计算，即中间合金的ti当量占步骤(1)中铝或铝合金重量25～200ppm；将中间合金加入后，通过搅拌棒进行机械搅拌5～10min，使晶粒细化剂能够充分熔化，得到加入中间合金的基体金属熔液，为金属熔液b。

(3)超声处理：将超声装置的超声探头下降至与上述熔液的液面相接触，预热超声探头(防止金属液体的喷溅)，预热至探头的温度为750℃后，继续下降探头至熔液液面以下10～15mm，再次保温5min后，温度为750℃，进行超声处理，处理时间为5～10min，超声处理后，得到金属熔液c。

(4)精炼除渣：在上述金属熔液c中添加清渣剂，清渣剂的加入量为每500g金属熔液c加入1g清渣剂，精炼10min后去除熔液表面的浮渣，得到金属熔液d。

(5)模铸：将上述经过超声处理的熔液浇注到预备好的金属模具中，同时：将超声装置的超声探头下降至熔液液面以下，因金属凝固为从外至内的过程，而铸锭的最下部也最先凝固，因此随着金属的凝固，超声探头逐渐上移，上移的过程中继续施加超声波，直至金属完全凝固，完全凝固前，超声探头也提出金属外；同时形成铸锭。由于在铝及铝合金熔液中添加了一定量的al-ti-c系中间合金，且凝固过程中施加超声波，所以熔液在凝固过程中其晶粒会得到原位/同步双重细化的效果。

(6)制粉：采用压力机粉碎上述铸锭，用筛子去除掉100目以上的粗粉粒，然后进行精磨，得到-200～+500目的含有al-ti-c系中间合金的铝或铝合金粉末，为超声细化的3d打印用金属粉末。

将上述制得的粉末在3d打印机上进行打印，由于所铺的粉末已被al-ti-c中间合金与超声波振动处理所细化，在激光束的熔化作用下，所打印的零部件会在已细化粉末的基础上得到更加细小铝合金晶粒，极大地提高打印件的力学性能。

图1为本发明中对比例超声纯al铸锭宏观图；图2为本发明中实施例1超声含ti当量25ppm纯al铸锭宏观图；对比图1和图2可以发现，在整个熔炼过程相同的情况下，图2中整个铸锭的晶粒分布均匀，特别是相对于未经过超声处理的铸锭，经过超声处理铸锭中心部位的晶粒显著的更加细小，均匀。

对比例：

(1)熔化基体金属：将铝放入坩埚中，并将坩埚放入坩埚式电阻熔炼炉内加热升温至750℃，待铝材全部融化后，保温30min，得到熔融状态铝液。

(2)添加中间合金：将al-5ti-1c加入到铝液中，al-5ti-1c中ti当量占步骤(1)中铝质量的25ppm；加入后，通过搅拌棒进行机械搅拌8min。

(2)精炼除渣：在上述熔液中添加一定量的清渣剂，精炼10min后去除熔液表面的浮渣，。

(5)模铸：将精炼出渣后的熔液浇注到预备好的金属模具中，金属凝固，形成铸锭；将该实施例中的铸锭进行切割，其晶粒图如图1所示。

(6)制粉：采用压力机粉碎上述铸锭，用筛子去除掉100目以上的粗粉粒，然后进行精磨，得到-200～+500目的含有al-ti-c中间合金的铝粉末，为3d打印用金属粉末；

实施例1

(1)熔化基体金属：将铝放入坩埚中，并将坩埚放入坩埚式电阻熔炼炉内加热升温至750℃，待铝材全部融化后，保温30min，得到熔融状态铝液。

(2)添加中间合金：将al-5ti-1c加入到铝液中，al-5ti-1c中的ti当量占步骤(1)中铝质量的25ppm；加入后，通过搅拌棒进行机械搅拌8min。

(3)超声处理：将超声装置的超声探头下降至与上述熔液的液面相接触，预热至探头的温度为750℃后，继续下降探头至熔液液面以下10mm，再次保温5min后，进行超声处理，处理时间为10min。

(4)精炼除渣：在上述熔液中添加清渣剂，每500g金属熔液c加入1g清渣剂，精炼10min后去除熔液表面的浮渣，。

(5)模铸：将上述经过超声处理的熔液浇注到预备好的金属模具中，同时：将超声装置的超声探头下降至熔液液面以下，随着金属的凝固，超声探头逐渐上移，上移的过程中继续施加超声波，直至金属完全凝固，完全凝固前，超声探头也提出金属外，形成铸锭。将该实施例中的铸锭进行切割，其晶粒图如图2所示。

(6)制粉：采用压力机粉碎上述铸锭，用筛子去除掉100目以上的粗粉粒，然后进行精磨，得到-200～+500目的含有al-ti-c中间合金的铝粉末，为超声细化的3d打印用金属粉末。

实施例2

(1)熔化基体金属：将铝合金7075放入坩埚中，并将坩埚放入坩埚式电阻熔炼炉内加热升温至750℃，待铝合金7075全部融化后，保温30min，得到熔融状态铝合金熔液。

(2)添加中间合金：将al-5ti-1c加入到铝合金熔液中，al-5ti-1c中的ti当量占步骤(1)中铝合金质量的50ppm；加入后，通过搅拌棒进行机械搅拌10min。

(3)超声处理：将超声装置的超声探头下降至与上述熔液的液面相接触，预热至探头的温度为750℃后，继续下降探头至熔液液面以下15mm，再次保温5min后，进行超声处理，处理时间为5min。

(4)精炼除渣：在上述熔液中添加清渣剂，每500g金属熔液加入1g清渣剂，精炼10min后去除熔液表面的浮渣，。

(5)模铸：将上述经过超声处理的熔液浇注到预备好的金属模具中，同时：将超声装置的超声探头下降至熔液液面以下，随着金属的凝固，超声探头逐渐上移，上移的过程中继续施加超声波，直至金属完全凝固，完全凝固前，超声探头也提出金属外，形成铸锭。

(6)制粉：采用压力机粉碎上述铸锭，用筛子去除掉100目以上的粗粉粒，然后进行精磨，得到-200～+500目的含有al-ti-c中间合金的铝合金粉末，为超声细化的3d打印用金属粉末。

实施例3

(1)熔化基体金属：将铝合金7050放入坩埚中，并将坩埚放入坩埚式电阻熔炼炉内加热升温至750℃，待铝合金7050全部融化后，保温30min，得到熔融状态铝合金熔液。

(2)添加中间合金：将al-3ti-1c加入到铝合金熔液中，al-3ti-1c的ti当量占步骤(1)中铝合金质量的70ppm；加入后，通过搅拌棒进行机械搅拌5min。

(3)超声处理：将超声装置的超声探头下降至与上述熔液的液面相接触，预热至探头的温度为750℃后，继续下降探头至熔液液面以下12mm，再次保温5min后，进行超声处理，处理时间为8min。

(4)精炼除渣：在上述熔液中添加清渣剂，每500g金属熔液加入1g清渣剂，精炼10min后去除熔液表面的浮渣，。

(5)模铸：将上述经过超声处理的熔液浇注到预备好的金属模具中，同时：将超声装置的超声探头下降至熔液液面以下，随着金属的凝固，超声探头逐渐上移，上移的过程中继续施加超声波，直至金属完全凝固，完全凝固前，超声探头也提出金属外，形成铸锭。

(6)制粉：采用压力机粉碎上述铸锭，用筛子去除掉100目以上的粗粉粒，然后进行精磨，得到-200～+500目的含有al-ti-c中间合金的铝合金粉末，为超声细化的3d打印用金属粉末。

实施例4

(1)熔化基体金属：将铝合金7075放入坩埚中，并将坩埚放入坩埚式电阻熔炼炉内加热升温至750℃，待铝合金7075全部融化后，保温30min，得到熔融状态铝合金熔液。

(2)添加中间合金：将al-3ti-0.15c加入到铝合金熔液中，al-3ti-0.15c中的ti当量占步骤(1)中铝合金质量的100ppm；加入后，通过搅拌棒进行机械搅拌5min。

(3)超声处理：将超声装置的超声探头下降至与上述熔液的液面相接触，预热至探头的温度为750℃后，继续下降探头至熔液液面以下13mm，再次保温5min后，进行超声处理，处理时间为9min。

(4)精炼除渣：在上述熔液中添加清渣剂，每500g金属熔液加入1g清渣剂，精炼10min后去除熔液表面的浮渣，。

(5)模铸：将上述经过超声处理的熔液浇注到预备好的金属模具中，同时：将超声装置的超声探头下降至熔液液面以下，随着金属的凝固，超声探头逐渐上移，上移的过程中继续施加超声波，直至金属完全凝固，完全凝固前，超声探头也提出金属外，形成铸锭。

(6)制粉：采用压力机粉碎上述铸锭，用筛子去除掉100目以上的粗粉粒，然后进行精磨，得到-200～+500目的含有al-ti-c中间合金的铝合金粉末，为超声细化的3d打印用金属粉末。

实施例5

(1)熔化基体金属：将铝合金7050放入坩埚中，并将坩埚放入坩埚式电阻熔炼炉内加热升温至750℃，待铝合金7050全部融化后，保温30min，得到熔融状态铝合金熔液。

(2)添加中间合金：将al-3ti-0.15c加入到铝合金熔液中，al-3ti-0.15c中的ti当量占步骤(1)中铝合金质量的150ppm；加入后，通过搅拌棒进行机械搅拌10min。

(3)超声处理：将超声装置的超声探头下降至与上述熔液的液面相接触，预热至探头的温度为750℃后，继续下降探头至熔液液面以下10mm，再次保温5min后，进行超声处理，处理时间为7min。

(4)精炼除渣：在上述熔液中添加清渣剂，每500g金属熔液加入1g清渣剂，精炼10min后去除熔液表面的浮渣，。

(5)模铸：将上述经过超声处理的熔液浇注到预备好的金属模具中，同时：将超声装置的超声探头下降至熔液液面以下，随着金属的凝固，超声探头逐渐上移，上移的过程中继续施加超声波，直至金属完全凝固，完全凝固前，超声探头也提出金属外，形成铸锭。

(6)制粉：采用压力机粉碎上述铸锭，用筛子去除掉100目以上的粗粉粒，然后进行精磨，得到-200～+500目的含有al-ti-c中间合金的铝合金粉末，为超声细化的3d打印用金属粉末。

实施例6

(1)熔化基体金属：将铝合金7075放入坩埚中，并将坩埚放入坩埚式电阻熔炼炉内加热升温至750℃，待铝合金7075全部融化后，保温30min，得到熔融状态铝合金熔液。

(2)添加中间合金：将al-3ti-1c加入到铝合金熔液中，al-3ti-1c中的ti当量占步骤(1)中铝合金质量的200ppm；加入后，通过搅拌棒进行机械搅拌8min。

(3)超声处理：将超声装置的超声探头下降至与上述熔液的液面相接触，预热至探头的温度为750℃后，继续下降探头至熔液液面以下15mm，再次保温5min后，进行超声处理，处理时间为7min。

(4)精炼除渣：在上述熔液中添加清渣剂，每500g金属熔液加入1g清渣剂，精炼10min后去除熔液表面的浮渣，。

(5)模铸：将上述经过超声处理的熔液浇注到预备好的金属模具中，同时：将超声装置的超声探头下降至熔液液面以下，随着金属的凝固，超声探头逐渐上移，上移的过程中继续施加超声波，直至金属完全凝固，完全凝固前，超声探头也提出金属外，形成铸锭。

(6)制粉：采用压力机粉碎上述铸锭，用筛子去除掉100目以上的粗粉粒，然后进行精磨，得到-200～+500目的含有al-ti-c中间合金的铝合金粉末，为超声细化的3d打印用金属粉末。

实施例7

(1)熔化基体金属：将铝合金7050放入坩埚中，并将坩埚放入坩埚式电阻熔炼炉内加热升温至750℃，待铝合金7050全部融化后，保温30min，得到熔融状态铝合金熔液。

(2)添加中间合金：将al-3ti-1c加入到铝合金熔液中，al-3ti-1c中的ti当量占步骤(1)中铝合金质量的20ppm；加入后，通过搅拌棒进行机械搅拌5min。

(3)超声处理：将超声装置的超声探头下降至与上述熔液的液面相接触，预热至探头的温度为750℃后，继续下降探头至熔液液面以下13mm，再次保温5min后，进行超声处理，处理时间为5min。

(4)精炼除渣：在上述熔液中添加清渣剂，每500g金属熔液加入1g清渣剂，精炼10min后去除熔液表面的浮渣，。

(5)模铸：将上述经过超声处理的熔液浇注到预备好的金属模具中，同时：将超声装置的超声探头下降至熔液液面以下，随着金属的凝固，超声探头逐渐上移，上移的过程中继续施加超声波，直至金属完全凝固，完全凝固前，超声探头也提出金属外，形成铸锭。

(6)制粉：采用压力机粉碎上述铸锭，用筛子去除掉100目以上的粗粉粒，然后进行精磨，得到-200～+500目的含有al-ti-c中间合金的铝合金粉末，为超声细化的3d打印用金属粉末。

实施例8

(1)熔化基体金属：将铝合金7075放入坩埚中，并将坩埚放入坩埚式电阻熔炼炉内加热升温至750℃，待铝合金7075全部融化后，保温30min，得到熔融状态铝合金熔液。

(2)添加中间合金：将al-5ti-1c加入到铝合金熔液中，al-5ti-1c中的ti当量占步骤(1)中铝合金质量的200ppm；加入后，通过搅拌棒进行机械搅拌10min。

(3)超声处理：将超声装置的超声探头下降至与上述熔液的液面相接触，预热至探头的温度为750℃后，继续下降探头至熔液液面以下12mm，再次保温5min后，进行超声处理，处理时间为10min。

(4)精炼除渣：在上述熔液中添加清渣剂，每500g金属熔液加入1g清渣剂，精炼10min后去除熔液表面的浮渣，。

(5)模铸：将上述经过超声处理的熔液浇注到预备好的金属模具中，同时：将超声装置的超声探头下降至熔液液面以下，随着金属的凝固，超声探头逐渐上移，上移的过程中继续施加超声波，直至金属完全凝固，完全凝固前，超声探头也提出金属外，形成铸锭。

(6)制粉：采用压力机粉碎上述铸锭，用筛子去除掉100目以上的粗粉粒，然后进行精磨，得到-200～+500目的含有al-ti-c中间合金的铝合金粉末，为超声细化的3d打印用金属粉末。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。