一種金屬基複合3D列印材料及其製備方法與流程

2023-10-11 03:43:09

本發明屬於3D列印材料領域，具體涉及一種金屬基複合3D列印材料，並進一步涉及該金屬基3D列印材料的製備方法。
背景技術：
：鋁合金是工業中應用最廣泛的一類有色金屬結構材料，在航空、航天、汽車、機械製造、船舶及化學工業中已大量應用，目前鋁合金是應用最多的合金。單晶藍寶石晶須(SinglecrystalsapphireWhisker，亦稱單晶藍寶石纖維)是一種具有一定長徑比的單晶氧化鋁晶須，具有超強機械強度、抗熱衝擊、比重小、抗氧化、高耐磨量和高耐腐蝕性等優異的物理性能。單晶藍寶石晶須適合作為陶瓷、金屬、塑料及橡膠的增強組元。因此，單晶藍寶石晶須成為第三代先進複合材料的最佳選擇。3D列印技術的原理是疊層製造，逐層增加材料來生成三維實體的技術，所以又被稱為增材製造技術。不但客服了傳統減材製造的浪費和損耗，而且使產品製造精準化，高效化，智能化。特別是涉及到複雜形狀的高端產品，3D列印技術顯示出巨大的優越性。被譽為顛覆傳統製造業的第三次工業革命，被列入我國戰略性新興產業。但是由於3D列印技術是對傳統製造模式的顛覆，3D列印材料成為3D列印技術的瓶頸，限制了3D列印技術的發展，同時這也成為3D列印技術的創新點和難點。3D列印主流成型技術包括選擇性雷射燒結（SLS）、熔融沉澱成型（FDM）、立體光固化（SLA）等。金屬粉末作為3D列印原料，主要採用選擇性雷射燒結。選擇性雷射燒結技術是用高能量束（雷射、電子束）作為熱源，對粉末進行選區熔化，冷卻後連續堆積，最終形成產品，由於金屬通常熔點較高，又容易被氧化，這樣會影響產品的強度。熔融的金屬材料在凝固過程中體積收縮，會造成巨大的熱應力，這也會影響材料的強度。另一方面，由於金屬粉末粒徑分布不均，冷卻結晶過程複雜且難以控制，會出現晶體長大和枝晶等，必將降低材料的力學性能，導致構建產品無法獲得高端應用。中國發明專利CN201510138884.1公開了一種使用雷射3D列印技術製備鋁合金結構件的材料及方法，採用CAD三維實體模型切片技術，數字編程技術，雷射快速成型技術，在鋁合金的基體上通過雷射束快速熔化、凝固「多層熔覆堆積」從零件數字模型完成鋁合金結構件。通過直接球磨混合的方式混合粉料，含氧量高，粉體球形度低，熔融溫度高，金屬粉顆粒不均。在3D列印融化不均，在凝固時就會造成體積收縮，造成材料結構缺陷，強度受損。技術實現要素：本發明的目的在於提供一種金屬基複合3D列印材料及其製備方法，在鋁合金中加入單晶藍寶石晶須後，可以顯著提高3D列印材料的球形度，降低氧含量，同時提高3D列印製品在高溫下的彎曲彈性模量、抗拉強度，具有高強度、耐高溫、抗氧化、耐腐蝕等多種性能，主要應用在航空航天、汽車製造等行業中，製作功能性原型件，用於結構驗證和設計驗證。為實現以上目的，本發明的技術方案為：一種金屬基複合3D列印材料，包括按重量計的如下組分：鋁合金基體100重量份單晶藍寶石晶須1~50重量份穩定劑1~20重量份；所述鋁合金基體的成分包括Al、Fe和Si。各組分優選重量份數如下：鋁合金基體100重量份單晶藍寶石晶須1~30重量份穩定劑1~10重量份。進一步優選，鋁合金基體的成分包括Al、Fe、Cu、Mn、Mg、Ni、Zn、Pb、Sn、Ti、Si。進一步優選，鋁合金基體的成分中Al、Fe、Cu、Mn、Mg、Ni、Zn、Pb、Sn、Ti、Si的重量分數分別為：Al:85-92,Fe:0.5,Cu:0.05,Mn:0.04,Mg:0.3,Ni:0.04,Zn:0.1,Pb:0.05,Sn:0.01,Ti:0.01,Si:5-12。進一步優選：鋁合金基體的成分分別為：Al:89.9,Fe:0.5,Cu:0.05,Mn:0.04,Mg:0.3,Ni:0.04,Zn:0.1,Pb:0.05,Sn:0.01,Ti:0.01,Si:9；或Al:88.9,Fe:0.5,Cu:0.05,Mn:0.04,Mg:0.3,Ni:0.04,Zn:0.1,Pb:0.05,Sn:0.01,Ti:0.01,Si:10。所述單晶藍寶石晶須為直徑0.1~0.5μm，長度為5~10μm，密度為4g/cm3，純度（wt%）為90-99.9%的單晶藍寶石晶須。所述穩定劑為Ce2O3、Sm2O3中的任一種或兩者的混合物。一種金屬基複合3D列印材料的製備方法包括：（1）將單晶藍寶石晶須和穩定劑加入無水乙醇中以500~750r/min攪拌3~15h後，超聲分散10~30min。單晶藍寶石晶須和穩定劑總質量與無水乙醇的質量比為1:1~10（2）將分散好的單晶藍寶石晶須和穩定劑的混合液冷凍乾燥得到分散均勻的單晶藍寶石晶須和穩定劑混合粉末，備用。（3）母材熔化：將鋁合金基體棒材裝入坩堝內，置於霧化制粉爐中，在低於0.1Pa的真空下採用中頻感應加熱基體棒材。（4）脫氣：基體棒材完全熔化後，真空脫氣10~15min。（5）保溫：向霧化氣氛爐內充入高純氬氣，並在650~800℃溫度範圍內保溫5~10min，得到精煉的母合金熔液。所述高純氬氣純度為99.999wt%，氧含量低於10ppm。（6）混合霧化：將上述熔融母合金熔液以5~25g/s的質量流經導管流下，用高純氬氣將金屬熔液流破碎成細小液滴，同時另外一個導管用1~10g/s的流量將單晶藍寶石晶須和穩定劑的混合物均勻送至導管口與金屬細小液滴混合，經過冷卻和凝固形成球形粉末。（7）篩分：待粉末完全冷卻後，在高純氬氣下篩分，篩分粒徑在50μm以下的粉末進行真空包裝，得到金屬基複合3D列印材料。本發明的有益效果是：（1）本發明的一種金屬基3D列印材料具有高強度、耐高溫、抗氧化、耐腐蝕等多種性能，主要應用在航空航天、汽車製造等行業中，製作功能性原型件，用於結構驗證和設計驗證；（2）本發明的一種金屬基3D列印材料含氧量低，球形度高，粒徑分布窄，流動性較好，與3D印表機成型速度匹配性較好；產品性質穩定，精度高。（3）本發明的一種金屬基3D列印材料過程簡單，易於工業化生產，而且具有良好的環境效益和經濟效益。具體實施方式通過實施例進一步詳述本發明。實施例1（1）將10g單晶藍寶石晶須和10gCe2O3加入30ml無水乙醇中，以500~750r/min攪拌3h後，超聲分散10~30min。（2）將分散好的單晶藍寶石晶須和穩定劑的混合液冷凍乾燥得到分散均勻的單晶藍寶石晶須和穩定劑混合粉末備用。（3）母材熔化：將1000g鋁合金基體棒材裝入坩堝內，置於霧化制粉爐中，在低於0.1Pa的真空下採用中頻感應加熱基體棒材。（4）脫氣：基體棒材完全熔化後，真空脫氣10~15min。（5）保溫：向霧化氣氛爐內充入高純氬氣，並在650℃溫度範圍內保溫5~10min，得到精煉的母合金熔液。（6）混合霧化：將上述熔融母合金熔液以5~25g/s的質量流經導管流下，用高純氬氣將金屬熔液流破碎成細小液滴，同時另外一個導管用1~10g/s的流量將單晶藍寶石晶須和穩定劑的混合物均勻送至導管口與金屬細小液滴混合，經過冷卻和凝固形成球形粉末。（7）篩分：待粉末完全冷卻後，在高純氬氣下篩分，篩分粒徑在50μm以下的粉末進行真空包裝，得到實施例1的金屬基複合3D列印材料。實施例2（1）將50g單晶藍寶石晶須和20gSm2O3加入150ml無水乙醇中，以500~750r/min攪拌5h後，超聲分散10~30min。（2）將分散好的單晶藍寶石晶須和穩定劑的混合液冷凍乾燥得到分散均勻的單晶藍寶石晶須和穩定劑混合粉末備用。（3）母材熔化：將1000g鋁合金基體棒材裝入坩堝內，置於霧化制粉爐中，在低於0.1Pa的真空下採用中頻感應加熱基體棒材。（4）脫氣：基體棒材完全熔化後，真空脫氣10~15min。（5）保溫：向霧化氣氛爐內充入高純氬氣，並在700℃溫度範圍內保溫5~10min，得到精煉的母合金熔液。（6）混合霧化：將上述熔融母合金熔液以5~25g/s的質量流經導管流下，用高純氬氣將金屬熔液流破碎成細小液滴，同時另外一個導管用1~10g/s的流量將單晶藍寶石晶須和穩定劑的混合物均勻送至導管口與金屬細小液滴混合，經過冷卻和凝固形成球形粉末。（7）篩分：待粉末完全冷卻後，在高純氬氣下篩分，篩分粒徑在50μm以下的粉末進行真空包裝，得到實施例2的金屬基複合3D列印材料。實施例3（1）將150g單晶藍寶石晶須和40gCe2O3加入1000ml無水乙醇中，以500~750r/min攪拌5h後，超聲分散10~30min。（2）將分散好的單晶藍寶石晶須和穩定劑的混合液冷凍乾燥得到分散均勻的單晶藍寶石晶須和穩定劑混合粉末備用。（3）母材熔化：將1000g鋁合金基體棒材裝入坩堝內，置於霧化制粉爐中，在低於0.1Pa的真空下採用中頻感應加熱基體棒材。（4）脫氣：基體棒材完全熔化後，真空脫氣10~15min。（5）保溫：向霧化氣氛爐內充入高純氬氣，並在700℃溫度範圍內保溫5~10min，得到精煉的母合金熔液。（6）混合霧化：將上述熔融母合金熔液以5~25g/s的質量流經導管流下，用高純氬氣將金屬熔液流破碎成細小液滴，同時另外一個導管用1~10g/s的流量將單晶藍寶石晶須和穩定劑的混合物均勻送至導管口與金屬細小液滴混合，經過冷卻和凝固形成球形粉末。（7）篩分：待粉末完全冷卻後，在高純氬氣下篩分，篩分粒徑在50μm以下的粉末進行真空包裝，得到實施例3的金屬基複合3D列印材料。實施例4（1）將200g單晶藍寶石晶須和100gCe2O3加入1500ml無水乙醇中，以500~750r/min攪拌5h後，超聲分散10~30min。（2）將分散好的單晶藍寶石晶須和穩定劑的混合液冷凍乾燥得到分散均勻的單晶藍寶石晶須和穩定劑混合粉末備用。（3）母材熔化：將1000g鋁合金基體棒材裝入坩堝內，置於霧化制粉爐中，在低於0.1Pa的真空下採用中頻感應加熱基體棒材。（4）脫氣：基體棒材完全熔化後，真空脫氣10~15min。（5）保溫：向霧化氣氛爐內充入高純氬氣，並在800℃溫度範圍內保溫5~10min，得到精煉的母合金熔液。（6）混合霧化：將上述熔融母合金熔液以5~25g/s的質量流經導管流下，用高純氬氣將金屬熔液流破碎成細小液滴，同時另外一個導管用1~10g/s的流量將單晶藍寶石晶須和穩定劑的混合物均勻送至導管口與金屬細小液滴混合，經過冷卻和凝固形成球形粉末。（7）篩分：待粉末完全冷卻後，在高純氬氣下篩分，篩分粒徑在50μm以下的粉末進行真空包裝，得到實施例4的金屬基複合3D列印材料。實施例5（1）將300g單晶藍寶石晶須和80gSm2O3加入3000ml無水乙醇中，以500~750r/min攪拌15h後，超聲分散10~30min。（2）將分散好的單晶藍寶石晶須和穩定劑的混合液冷凍乾燥得到分散均勻的單晶藍寶石晶須和穩定劑混合粉末備用。（3）母材熔化：將1000g鋁合金基體棒材裝入坩堝內，置於霧化制粉爐中，在低於0.1Pa的真空下採用中頻感應加熱基體棒材。（4）脫氣：基體棒材完全熔化後，真空脫氣10~15min。（5）保溫：向霧化氣氛爐內充入高純氬氣，並在800℃溫度範圍內保溫5~10min，得到精煉的母合金熔液。（6）混合霧化：將上述熔融母合金熔液以5~25g/s的質量流經導管流下，用高純氬氣將金屬熔液流破碎成細小液滴，同時另外一個導管用1~10g/s的流量將單晶藍寶石晶須和穩定劑的混合物均勻送至導管口與金屬細小液滴混合，經過冷卻和凝固形成球形粉末。（7）篩分：待粉末完全冷卻後，在高純氬氣下篩分，篩分粒徑在50μm以下的粉末進行真空包裝，得到實施例5的金屬基複合3D列印材料。將實施例1-5製備的金屬基複合3D列印材料分別進行性能測試，測試結果如下：實施案例中金屬基複合3D列印材料的性能參數平均粒徑（μm）球形度（%）含氧量（ppm）硬度（HBW）實施例14580213125實施例24885225137實施例34290246128實施例44387254131實施例54585233129通過以上數據表明，本發明製備的金屬基複合3D列印材料含氧量低，球形度高，粒徑分布窄，流動性較好，硬度高。以上顯示和描述了本發明的基本原理、主要特徵和本發明的優點，本行業的技術人員應該了解，本發明不受上述實施例的限制，上述實施例和說明書中描述的只是說明本發明的原理，在不脫離本發明精神和範圍的前提下本發明還會有各種變化和改進，這些變化和改進都落入要求保護的本發明範圍內。本發明要求保護範圍由所附的權利要求書及其等同物界定。當前第1頁1&nbsp2&nbsp3&nbsp