本技术涉及一种多尺度颗粒增强铝基复合材料,其原料粉末按质量百分比配比为:AlSi10Mg雾化粉末70~98.5%,微米级Al2O3颗粒0.5~15%,纳米级Al2O3颗粒0.5~10%,以及纳米级TiC颗粒0.5~5%。该复合材料通过选择性激光熔化(SLM)技术制备,具有优异的力学性能和耐磨性。
背景技术
金属基复合材料因其优异的综合力学性能,在众多工业领域得到广泛应用。传统制备金属基复合材料的方法主要有粉末冶金、压力铸造、挤压等,存在以下问题:(1)工艺流程长,成本高;(2)材料利用率低,近净成形能力差;(3)难以制备形状复杂、内部结构复杂的构件;(4)工艺参数易受设备、模具等限制,品质稳定性和可重复性差。
选择性激光熔化(SLM)作为一种新兴的金属3D打印技术,利用高能激光束逐层选择性熔化金属粉末,直接制造出三维复杂构件。与传统工艺相比,SLM具有以下优势:(1)无需模具,可直接制造复杂异型构件;(2)材料利用率高,废料少;(3)生产周期短,小批量定制化生产成本低;(4)激光熔化、快速凝固形成细小均匀的晶粒,力学性能优异。因此,SLM技术在航空航天、生物医疗等高端制造领域展现出巨大的应用潜力。
然而,SLM成形铝合金面临以下技术难题:(1)铝合金导热系数大,激光能量利用率低;(2)铝合金在SLM过程中易发生烧结球化、热裂纹等缺陷;(3)SLM成形件内部易残留孔洞、未熔合等缺陷,致密度难以保证;(4)单一增强体难以同时提高强度、韧性和硬度。因此,亟需开发一种可SLM成形的高性能铝基复合材料体系。
目前铝合金增强改性的常用方法是加入硬质颗粒,如陶瓷、金属间化合物等。已报道的增强颗粒有很多种,尤其是昂贵的金刚石、碳纳米管(CNT)、石墨烯等碳材料也常被用作铝合金的增强体。然而,传统的增强方法大多采用单一种类、单一尺度的颗粒,或者两种但不具备多尺度级配特征的较单一强化机制来提高复合材料的力学性能,难以兼顾强度、韧性、硬度等多种性能需求。
以往的研究工作多集中在微米级颗粒增强方面,而忽视了纳米、亚微米等不同尺度颗粒的复合增强效应。仅有少数研究涉及纳米颗粒增强,但存在分散不均匀、团聚严重等问题,难以充分发挥纳米增强效果,制约了其在工业领域的推广应用。这主要是由于纳米颗粒比表面积大,表面能高,极易团聚。如何在制备过程中实现纳米颗粒的均匀分散是一大挑战。
此外,SLM成形工艺参数(如激光功率、扫描速度、扫描间距等)对成形件质量有决定性影响。然而,传统的参数优化大多针对单一材料体系,很少考虑复合材料的成形特点。不同增强颗粒的加入必然影响基体的熔化、凝固、致密化行为,需要开展针对性研究,优化工艺窗口,才能获得高性能的SLM增材制造复合材料构件。
综上所述,单一增强体系的性能提升空间有限,亟需开发多组分、多尺度复合增强新体系。同时,要攻克纳米颗粒均匀分散和SLM成形工艺优化的难题,推动高性能铝基复合材料的3D打印制备和工程化应用。
实现思路