一种轻质金属基复合材料及其制备方法

本发明涉及金属材料领域，尤其涉及一种轻质金属基复合材料及其制备方法。

背景技术：

1、航空发动机是一种高度复杂和精密的热力机械，作为飞机的心脏，不仅为飞机的飞行提供动力，其发展也是促进航空事业发展的重要推力。为了满足更快的飞行速度、更长的航程和寿命的要求，对减轻航空发动机及飞机各零部件的自重的需求日益增加。传统的合金减重空间有限，一些新型轻质合金的高温力学性能较差，均无法满足使用要求。以钛、铝、镁等为代表的轻质金属结构材料具有密度低、比强度高的特点，在航空航天、海洋、汽车、轨道交通等领域其有广泛的应用前景随着我国科技进步与发展，及人民生活水平日益提升，交通运输行业对节能减排的要求越加严苛，减重需求越趋强烈，轻质金属结构材料在交通运输工具轻量化方面具有举足轻重的作用，然而，不断复杂的服役工况与环境对轻质金属材料的服役性能提出了更高的要求与挑战。颗粒增强金属基复合材料是以金属或合金为基体，添加或原位生成颗粒增强相而获得的复合材料，该复合材料一定程度可以实现轻质金属的进一步轻量化。已有研究中，基体材料涉及铁基、铝基、钛基、镍基等各种合金粉末，增强体涉及碳化物、氮化物等陶瓷颗粒。但是，对于这些复合材料，其减重效果仍不能很好满足其在航空发动机等部件上的使用需求。

技术实现思路

1、本发明的目的在于解决现有技术中的上述问题，提供一种轻质金属基复合材料及其制备方法，在金属粉体中引入无机气凝胶粉末，所制备的金属基复合材料结合了金属和气凝胶的优势，有利于实现金属基复合材料的轻量化和提高复合材料的性能。

2、为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、一种轻质金属基复合材料，按质量比计，包括以下组分，无机气凝胶粉末:金属合金粉末＝(4～6):1，金属合金粉末为铁基、钛基、铝基、钴基、镍基中的任一种，无机气凝胶粉末为氧化物气凝胶、氟化物气凝胶、碳化物气凝胶、氮化物气凝胶中的任一种。

4、铁基金属为奥氏体、双相、马氏体、沉淀硬化不锈钢、trip/twip钢、马氏体时效钢、工具钢或ods钢，优选为316l不锈钢、304奥氏体不锈钢、17-4ph和15-5ph马氏体沉淀硬化不锈钢、18ni300马氏体时效钢和h13工具钢。

5、钛基金属为ti6al4v(ti64)合金；铝基金属为alsi12合金或alsi10mg合金。

6、钴基金属为钴铬合金；镍基金属为inconel 738合金、hastelloy x合金、inconel625合金、inconel 713合金或inconel 718合金。

7、所述金属合金粉末的粒径为50～150μm，粉末的d50为70～120μm，粉末的球形度≥90％。

8、所述无机气凝胶粉末的粒径为10～50nm，粉末的d50为20～30nm。

9、所述的轻质金属基复合材料的制备方法，包括以下步骤：

10、1)将金属合金粉末和无机气凝胶粉末按配比在球磨机中混合；

11、2)将上述混合粉末干燥后，放入激光粉末床熔融工艺设备的送粉筒中进行激光熔融，可获得一种轻质金属基复合材料。

12、步骤1)中，球磨速度为20～30r/min，球磨时间为4～5h，球料重量比为3:1。

13、激光熔融的工艺参数包括：激光功率为140～180w，光斑直径为0.5～1mm，送粉速率为4～8kg/h，激光扫描速率为20～300m/min。

14、由于激光粉末床熔融法的激光能量主要作用于粉末，熔融过程中所使用的混合粉末对熔融效果有着至关重要的影响，对于粉末的特征主要采用以下指标：(1)粉末粒径：粉末粉末的大小，球形粉末通常以直径来表征；(2)球形度：粉末的形状与球体相似的程度；(3)d50：粉末粒径的中值。

15、相对于现有技术，本发明技术方案取得的有益效果是：

16、1、气凝胶粉末的粒径为纳米级别，能够致密紧实地与金属基体结合，提高金属基复合材料的性能，本发明采用气凝胶与金属合金粉末复合，可以有效降低金属基复合材料的密度和提高金属基复合材料的硬度，从而得到轻质且高硬度的金属基复合材料。

17、2、激光粉末床熔融法(lpbf)利用高能激光束照射金属粉末，在激光束的热作用下完全熔化，形成熔池、经冷却凝固而直接成形的一种工艺，多用于制备颗粒增强金属基复合材料。相比较其他制备方法，采用激光粉末床熔融的方法，基材选材范围广，制备工艺简单，操作方便，易成型，可直接制备所需尺寸的金属基复合材料。

技术特征：

1.一种轻质金属基复合材料，其特征在于：按质量比计，包括以下组分，无机气凝胶粉末:金属合金粉末＝(4～6):1，金属合金粉末为铁基、钛基、铝基、钴基、镍基中的任一种，无机气凝胶粉末为氧化物气凝胶、氟化物气凝胶、碳化物气凝胶、氮化物气凝胶中的任一种。

2.如权利要求1所述的一种轻质金属基复合材料，其特征在于：铁基金属为奥氏体、双相、马氏体、沉淀硬化不锈钢、trip/twip钢、马氏体时效钢、工具钢或ods钢。

3.如权利要求2所述的一种轻质金属基复合材料，其特征在于：铁基金属优选为316l不锈钢、304奥氏体不锈钢、17-4ph和15-5ph马氏体沉淀硬化不锈钢、18ni300马氏体时效钢和h13工具钢。

4.如权利要求1所述的一种轻质金属基复合材料，其特征在于：钛基金属为ti6al4v(ti64)合金；铝基金属为alsi12合金或alsi10mg合金。

5.如权利要求1所述的一种轻质金属基复合材料，其特征在于：钴基金属为钴铬合金；镍基金属为inconel 738合金、hastelloy x合金、inconel 625合金、inconel 713合金或inconel718合金。

6.如权利要求1所述的一种轻质金属基复合材料，其特征在于：所述金属合金粉末的粒径为50～150μm，粉末的d50为70～120μm，粉末的球形度≥90％。

7.如权利要求1所述的一种轻质金属基复合材料，其特征在于：所述无机气凝胶粉末的粒径为10～50nm，粉末的d50为20～30nm。

8.权利要求1～7任一项所述的轻质金属基复合材料的制备方法，其特征在于包括以下步骤：

9.如权利要求8所述的一种轻质金属基复合材料的制备方法，其特征在于：步骤1)中，球磨速度为20～30r/min，球磨时间为4～5h，球料重量比为3:1。

10.如权利要求8所述的一种轻质金属基复合材料的制备方法，其特征在于，激光熔融的工艺参数包括：激光功率为140～180w，光斑直径为0.5～1mm，送粉速率为4～8kg/h，激光扫描速率为20～300m/min。

技术总结
一种轻质金属基复合材料及其制备方法，按质量比计，包括以下组分，无机气凝胶粉末:金属合金粉末＝(4～6):1，金属合金粉末为铁基、钛基、铝基、钴基、镍基中的任一种，无机气凝胶粉末为氧化物气凝胶、氟化物气凝胶、碳化物气凝胶、氮化物气凝胶中的任一种。应用上述材料，采用激光粉末床熔融法，可进行制备轻质金属基复合材料。本发明在金属粉体中引入无机气凝胶粉末，所制备的金属基复合材料结合了金属和气凝胶的优势，有利于实现金属基复合材料的轻量化和提高复合材料的性能。

技术研发人员：余煜玺,魏永金
受保护的技术使用者：厦门大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/12