一种基于激光3d打印形成的铝基原位复合材料及其制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及颗粒增强铝基原位复合材料技术领域，尤其涉及一种基于激光3D打 印形成的铝基原位复合材料及其制备方法。
【背景技术】
[0002] 铝及其合金材料具有密度轻、弹性好、比刚度和比强度高、抗冲击性好、导电导热 性好，良好的成型加工性能以及高的回收再生性等一系列优良特性，被认为是"朝阳材料"， 现已被广泛用于交通运输、航空航天、矿物加工等领域。但铝及其合金均存在硬度低、耐磨 性差等问题，这些问题很大程度地限制了铝及其合金的应用，并且成为铝合金领域研究发 展的瓶颈问题。
[0003] 为了解决上述问题，现通常采取的技术手段为在铝合金中添加陶瓷颗粒，形成颗 粒增强铝基原位复合材料，采用这种方法所得到的颗粒增强铝基原位复合材料具备较高的 硬度、较低的密度、较高的强度和较好的耐磨性，以及好的耐高温性能和好的耐磨性等一系 列优良性能。因此，通过添加陶瓷颗粒复合化是目前解决铝合金性能方面不足的较佳途径。
[0004] 但在铝合金中添加陶瓷颗粒制备铝基原位复合材料所采取的技术手段为铸造、粉 末冶金、喷涂等，这些技术手段多采用外加法，且工艺复杂，成本高。虽然能制备出致密度较 高的铝基原位复合材料，但也会存在如下问题如：这类加工方法的过冷度较小，所制备得到 增强相晶粒发生粗化、团聚，造成材料内部存在缺陷，材料的力学性能差；另外采用外加法 制备铝基原位复合材料，在加工过程中温度较低，陶瓷增强相与铝基体之间的湿润性较差， 界面结合强度较低。而颗粒增强铝基原位复合材料的力学性能却主要取决于陶瓷增强相与 铝基体之间的湿润性、增强相和铝基体的界面结合强度。
[0005] 因此，现有的铝基原位复合材料，以及现有制备铝基原位复合材料的技术手段均 不能有效地提高铝合金的强度、耐磨性等力学性能。
【发明内容】
[0006] 为解决上述传统加工方法存在的不足，实现更有效地提高铝基原位复合材料的综 合力学性能，本发明提供了一种基于激光3D打印形成的铝基原位复合材料及其制备方法。
[0007] 本发明的目的之一是提供一种基于激光3D打印形成的铝基原位复合材料，所述 铝基原位复合材料包括A1基体与分散于A1基体上的Al2Si4〇i。增强相。
[0008] 作为本发明优选的技术方案，所述铝基原位复合材料呈现为半核壳式结构，包括 内核和外壳。
[0009] 作为本发明优选的技术方案，所述内核中A1基体的平均粒度和外壳中A1基体的 平均粒度的比值范围为：〇. 44-0. 86。
[0010] 作为本发明优选的技术方案，所述铝基原位复合材料是Al-Si-Mg合金粉末和 A1203粉末的混合料通过3D激光打印工艺而生成；其中，Al-Si-Mg合金粉末的各组成成分 及质量百分含量为7-9. 2%的Si，0. 2-0. 48%的Mg，〈0. 1%的其他杂质元素，余量为A1。 [0011] 本发明的另一目的在于提供一种基于激光3D打印形成的铝基原位复合材料的制 备方法，包括： 配备原料，所述原料为：质量分数比为（4-7):1的Al-Si-Mg合金粉末和A1203粉末的混 合料； 球磨，将混合料采用间歇式球磨工艺进行球磨，采用A1203陶瓷球为球磨介质，每球磨 10-30 min空冷5-10 min，球磨至混合料的粒径为1-10 um; 激光成型，A、建立工件的三维CAD模型，并对该三维CAD模型进行分层切片处理，每层 的厚度为50~90 μ m ;B、根据工件的三维CAD模型，将经过球磨处理的混合料均匀铺放在成 型缸基板上，且铺粉厚度与切片厚度相同；C、采用激光功率为100~150 W的激光束逐行扫 描所铺粉末形成工件的一个二维截面；D、成形缸活塞下降，直至成形缸行程等于粉层厚度， 而供粉缸活塞以二倍粉层厚度距离上升，铺粉装置再次铺粉；E、重复上述B、C两步骤，直至 三维块体加工完毕，即可形成在A1基体上分散有Al2Si4〇i。增强相的铝基原位复合材料。
[0012] 作为本发明优选的技术方案，所述Al-Si-Mg合金粉末的平均粒径在30 um，纯度 为99. 7%及以上，A1203粉末的平均粒径为5 um，纯度为99. 5%及以上。
[0013] 作为本发明优选的技术方案，所述间歇式球磨的球磨介质与混合料的重量比为 5:1~10:1 ;所述间歇式球磨的磨球的转速为300~400 r/min，球磨时间3_9h。
[0014] 作为本发明优选的技术方案，所述A1203陶瓷球的直径为Φ8~10 mm。
[0015] 作为本发明优选的技术方案，所述激光3D打印的光斑直径为60~100 μ m，扫描速 度为400~700 mm/s，扫描间距为50~80 μπι;所述激光3D打印的分层切片厚度优选为50 um ;所述激光3D打印的激光功率优选为140 W。
[0016] 作为本发明优选的技术方案，所述激光3D打印是在氩气保护气氛下进行的；所述 氩气出气压力为1~5 KPa。
[0017] 与现有技术相比，本发明具有以下优点： 1、本发明提供的铝基原位复合材料呈半核壳式结构，其内核与外壳均包括A1基体与 分散于A1基体上的Al2Si4〇i。增强相，这种相结构使得铝基原位复合材料具有较高的的硬 度，并且可承受较大的负载；其中外壳的晶粒大于内核的晶粒，外壳的韧性较高，外壳与外 壳之间可在相邻半核壳式结构中起到缓冲带的作用，进而大幅减小材料应力集中及阻止裂 纹扩展；这种内硬外韧的半核壳式结构的铝基原位复合材料具有优异的综合力学性能。
[0018] 2、本发明提供的铝基原位复合材料是通过激光熔融重新成型，并非是直接添加硬 质相，所得的铝基原位复合材料内部相与相之间的润湿性、界面强度都较现有技术所得到 的铝基原位复合材料高，进而铝基原位复合材料的整体力学性能得到提高，同时也跨过铝 合金发展的一个瓶颈。
[0019] 3、本发明提供的铝基原位复合材料的制备方法操作简便，可实现复杂零件的激 光净成形或近净成形，满足实际应用要求；激光加工过程是基于完全熔化/凝固机制，过 冷度很大，可以制备出晶粒显著细化的组织，从而提高材料的力学性能；激光成形过程中， Al-Si-Mg合金和A1203在高能激光作用下原位生成A1 。增强相；所得的错基原位复合 材料，界面湿润性得到很大程度地提高，材料本身也具有较高的界面强度。
[0020] 4、选用Al-Si-Mg合金，在3D激光打印成型的过程中，Mg元素能够辅助促进金属 和陶瓷的湿润性、降低界面能、减小接触角；但Mg质量百分含量控制在0. 2-0. 48%，使得3D 打印过程中形成更多的硬质相为Al2SiA。增强相，而非Mg 2Si。
[0021] 说明书附图 下面结合附图对本发明的【具体实施方式】作进一步详细的说明。
[0022] 图1为本发明一种基于激光3D打印形成的铝基原位复合材料的制备方法的工艺 流程示意图； 图2为本发明制得的铝基原位复合材料的200倍下的显微形貌图； 图3为本发明制得的铝基原位复合材料的核壳式结构的形成过程示意图； 图4为本发明制得的铝基原位复合材料的半核壳式结构的2000倍下的扫描电镜图； 图5为2000倍显微镜下观察的成型后的铝基原位复合材料的半核壳结构的相以及相 形貌、大小的不意图； 图6为本发明实施例1制得的铝基原位复合材料的XRD图谱； 图