含鋁金屬打印粉末及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及3D打印技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種含鋁金屬打印粉末及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 近年來，3D打印技術(shù)由于可直接生產(chǎn)復(fù)雜形狀零件而發(fā)展迅猛，在航空航天、衛(wèi)生 醫(yī)療、汽車、藝術(shù)、建筑等領(lǐng)域得到應(yīng)用。3D打印要求金屬粉末球形度好、粒度分布窄（粒度 分布在15~53μπι之間）、氧含量低、流動性好等特征。國內(nèi)外現(xiàn)在的研究重點基本都是在保 證金屬粉末球形度以及粉末氧含量上面，對于成型后的金屬零件的測試相對較少，一般情 況下會做零件表面粗糙度、密度和拉伸實驗，這些性能在3D打印之后都可以得到較好的滿 足，但是進行零件的疲勞測試時，一般都很難達到相關(guān)的要求，較于鍛造件來說，其疲勞壽 命都是相對較差的，這是因為在打印過程中會產(chǎn)生足夠的內(nèi)應(yīng)力，這對零件的疲勞壽命而 目是致命的。
[0003] 目前比較成熟的技術(shù)是采用氣霧化、等離子霧化和旋轉(zhuǎn)電極法進行球形粉末的生 產(chǎn)，其主要產(chǎn)品是用于教育、醫(yī)療和航天領(lǐng)域，在打印成型的零件，在強度和其他性能達到 要求的前提下，其耐磨和疲勞性能難以到達預(yù)期要求，跟傳統(tǒng)的鑄造及鍛造材料相比，其耐 磨性和疲勞壽命都相差甚遠，其主要原因是源于兩方面:其一是在3D打印過程中，零件的冷 卻速度較快，存在較大的內(nèi)應(yīng)力，即使后期進行了內(nèi)應(yīng)力退火，零件內(nèi)部依然會保留大量的 內(nèi)應(yīng)力，其二是硬質(zhì)相第二相粒子的形成是需要一定的形核和長大時間的，但是3D打印過 程中，金屬的融化和凝固都是在極短時間內(nèi)完成的，并且在打印過程中的溫度并不能完全 保證在第二相粒子形核長大的溫度區(qū)間，況且零件的溫度會在很短的時間內(nèi)降低到較低的 溫度。
[0004] 目前的3D打印的材料很少添加對耐磨性和疲勞性能有利的微量元素，即使存在少 量的微量元素也因為3D打印過程中積累的內(nèi)應(yīng)力無法完全消除而使得在3D打印之后的金 屬零件其耐磨性和疲勞壽命都得不到保障。
[0005] 為了在合金中生成彌散均勻分布的第二相顆粒，一般合金中是添加 C元素形成MC、 M23C6等碳化物，但是提高C含量導(dǎo)致材料的脆性增加，不利于材料的綜合性能。也有通過添 加碳納米管，但是不能解決碳納米管跟基體材料之間的潤濕性的問題，這就導(dǎo)致了材料在 使用過程中的功能的降低或者缺失。
[0006] 3D打印后的金屬零件想要獲得良好的機械性能需要復(fù)雜的后處理工序，這在一定 程度上增加了制造成本。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 基于此，本發(fā)明的目的是提供一種能夠提高含鋁金屬打印粉末耐磨性和抗疲勞性 能的制備方法。
[0008] 具體的技術(shù)方案如下：
[0009] -種含鋁金屬打印粉末的制備方法，包括如下步驟：
[0010]金屬間化合物復(fù)合塊的制備：
[0011]將鋁粉、碳納米管和過程控制劑混合后置于球磨攪拌機中，球磨的工藝參數(shù)為:控 制球料比為5-25:1，轉(zhuǎn)速為700-130(^/11^11，球磨時間為60-1801^11，球磨氣氛為惰性氣體 ； 球磨后的混合物經(jīng)冷壓成型，即得所述金屬間化合物復(fù)合塊；
[0012] 所述碳納米管的添加量為所述鋁粉用量的l_20wt%，所述過程控制劑的添加量為 所述鋁粉用量的l_5wt%;
[0013] 按所述含鋁金屬打印粉末的合金原料配比混合各原料和所述金屬間化合物復(fù)合 塊，所述金屬間化合物復(fù)合塊的加入量為所述含鋁金屬打印粉末總質(zhì)量的1-20%;然后進 行熔煉、霧化，即得所述含鋁金屬打印粉末。
[0014] 在其中一些實施例中，所述過程控制劑為乙醇和/或硬脂酸鈉。
[0015] 在其中一些實施例中，所述過程控制劑為質(zhì)量比為1:1的乙醇和硬脂酸鈉。
[0016] 在其中一些實施例中，所述碳納米管的直徑為20-40nm，長度為5-30μπι。
[0017] 在其中一些實施例中，所述鋁粉中鋁元素的質(zhì)量百分含量為99.5wt%以上。
[0018] 在其中一些實施例中，所述球磨的工藝參數(shù)為：控制球料比為10-20:1，轉(zhuǎn)速為 900-1300r/min，球磨時間為60-120min。
[0019] 本發(fā)明的另一目的是提供一種耐磨性和抗疲勞性能好的含鋁金屬打印粉末。
[0020] 具體的技術(shù)方案如下：
[0021 ]上述制備方法制備得到的含鋁金屬打印粉末。
[0022] 在其中一些實施例中，所述含鋁金屬打印粉末的合金組成為Ti6A14V或ALSilOMg。
[0023] 在其中一些實施例中，所述含鋁金屬打印粉末的含氧量小于1200ρρπι，53μπι以下粉 末占有率為50-70wt%。
[0024] 本發(fā)明的原理及優(yōu)點如下：
[0025] 本發(fā)明的制備方法克服了合金材料中添加碳納米管后，無法跟基體獲得良好的潤 濕性的問題，并且能夠使得碳納米管在金屬粉末中均勻分布，進而獲得良好的耐磨性能和 良好的疲勞壽命。
[0026] 1.碳納米管和鋁粉的高速球磨保證了碳納米管與鋁形成了金屬間化合物，在熔煉 過程中，碳納米管不會暴露在高溫環(huán)境中，保證了碳納米管在后續(xù)的熔煉過程中的不被融 化；
[0027] 2.本發(fā)明的制備方法保證了碳納米管不會在高溫合金液中被大量燒損，保證了最 后的合金粉末中能夠含有大量的碳納米管，碳納米管在含鋁金屬打印粉末打印成為金屬零 部件的時候可以作為均勻彌散粉末的細微顆粒，起到強化金屬零件機械性能和磨損及疲勞 性能；
[0028] 3.采用本發(fā)明的制備方法得到含鋁金屬粉末在打印之后進行常規(guī)的后處理，得到 的產(chǎn)品均能獲得良好的耐磨性能和良好的疲勞壽命，滿足常規(guī)機械性能測試的要求。
【具體實施方式】
[0029] 以下通過實施例對本申請做進一步闡述。
[0030] 實施例1
[0031] 一種含鋁金屬打印粉末，合金組成為AlSilOMg，其制備方法包括如下步驟：
[0032] (1)將D50為70μπι，鋁含量為99.5wt %的鋁粉作為原料，在鋁粉中添加碳納米管，其 含量為鋁粉的5wt%，其長度為5-15μπι，直徑為20-25nm，按照上述比例進行混料，添加過程 控制劑(具體為硬脂酸鈉），過程控制劑的含量為鋁粉含量的2%，將鋁粉，碳納米管以及過 程控制劑混合成原料，重量為2kg，將上述原材料進行球磨處理，球化介質(zhì)為不銹鋼球，其球 料比為10:1，在氬氣氣體保護下進行球磨處理，球磨速度為900r/min，球磨時間為60min，將 球磨好的粉料進行冷壓處理得到金屬間化合物復(fù)合塊。
[0033] (2)根據(jù)AlSilOMg合金的配比要求將上述得到的金屬間化合物復(fù)合塊同其他原材 料進行配比，其中金屬間化合物復(fù)合塊在原材料中占的比例為3%，采用真空加熱技術(shù)將原 材料進行熔煉，采用氣霧化技術(shù)進行制備，在霧化過程中控制氣體的溫度為500°C，霧化壓 力為IMPa，氣流速度為500m/s以及氣體流量與液體流量的比值8:1來控制整個霧化過程，將 得到的含鋁金屬打印粉末(AlSilOMg)進行篩分和混料，測試相關(guān)參數(shù)，比如金屬粉末的粒 徑分布，粉末中的氧含量，并用沒有添加碳納米管并采用相同設(shè)備和技術(shù)獲得的金屬粉末 進行3D打印，都采用SLS技術(shù)進行打印，得到拉伸標準件，在退火處理后進行拉伸實驗，測試 其強度，得到的結(jié)果如下：

[0035] 從上述的結(jié)果可以看出，在添加碳納米管之后的AlSilOMg合金的抗拉強度和屈服 強度都有提升。
[0036] 實施例2:
[0037] 一種含鋁金屬打印粉末，合金組成為AlSilOMg，其制備方法包括如下步驟：
[0038] (1)將D50為100μπι，鋁含量為99.8wt %的鋁粉作為原料，在鋁粉中添加碳納米管， 其含量為鋁粉的15wt %，其長度為20-30μπι，直徑為25-30nm，按照上述比例進行混料，添加 過程控制劑(具體為乙醇），過程控制劑的含量為鋁粉含量的5wt%，將鋁粉，碳納米管以及 過程控制劑混合成原料，重量為5kg，將上述原材料進行球磨處理，球化介質(zhì)為不銹鋼球，其 球料比為15:1，在氬氣氣體保護下進行球磨處理，球磨速度為1000r/min，球磨時間為 120min，將球磨好的粉料進行冷壓處理得到金屬間化合物復(fù)合塊。
[0039] (2)根據(jù)AlSilOMg合金的配比要求將上述得到的金屬間化合物復(fù)合塊同其他原材 料進行配比，其中金屬間化合物復(fù)合塊在原材料中占的比例為l〇wt%，采用真空加熱技術(shù) 將原材料進行熔煉，采用氣霧化技術(shù)進行制備，在霧化過程中控制氣體的溫度550°c，霧化 壓力1.5MPa，氣流速度450m/s以及氣體流量與液體流量的比值10:1來控制整個霧化過程， 將得到的含鋁金屬打印粉末(AlSilOMg)進行篩分和混料，測試相關(guān)參數(shù)，比如金屬粉末的 粒徑分布，粉末中的氧含量，并用沒有添加碳納米管并采用相同設(shè)備和技術(shù)獲得的金屬粉 末進行3D打印，都采用SLS技術(shù)進行打印，得到拉伸標準件，在退火處理后進行拉伸實驗，測 試其強度，得到的結(jié)果如下：

[0041] 從上述的結(jié)果可以看出，在添加碳納米管之后的AlSilOMg合金的抗拉強度和屈服 強度都有提升。
[0042] 實施例3:
[0043] 一種含鋁金屬打印粉末，合金組成為AlSilOMg，其制備方法包括如下步驟：
[0044] (1)將D50為100μπι，鋁含量為99.8wt %的鋁粉作為原料，在鋁粉中添加碳納米管， 其含量為鋁粉的15wt %，其長度為20-30μπι，直徑為25-30nm，按照上述比例進行混料，添加 過程控制劑（具體為質(zhì)量比為1:1的乙醇和硬脂酸鈉），過程控制劑的含量為鋁粉含量的 5wt %，將鋁粉，碳納米管以及過程控制劑混合成原料，重量為5kg，將上述原材料進行球磨 處理，球化介質(zhì)為不銹鋼球，其球料比為15:1，在氬氣氣體保護下進行球磨處理，球磨速度 為1000r/min，球磨時間為lOOmin，將球磨好的粉料進行冷壓處理得到金屬間化合物復(fù)合 塊。
[0045] (2)根據(jù)AlSilOMg合金的配比要求將上述得到的金屬間化合物復(fù)合塊同其他原材 料進行配比，其中金屬間化合物復(fù)合塊在原材料中占的比例為l〇wt%，采用真空加熱技術(shù) 將原材料進行熔煉，采用氣霧化技術(shù)進行制備，在霧化過程中控制氣體的溫度580°C，霧化 壓力2MPa，氣流速度480m/s以及氣體流量與液體流量的比值9:1來控制整個霧化過程，將得 到的含鋁金屬打印粉末(AlSilOMg)進行篩分和混料，測試相關(guān)參數(shù)，比如金屬粉末的粒徑 分布，粉末中的氧含量，并用沒有添加碳納米管并采用相同設(shè)備和技術(shù)獲得的金屬粉末進 行3D打印，都采用SLS技術(shù)進行打印，得到拉伸標準件，在退火處理后進行拉伸實驗，測試其 強度，得到的結(jié)果如下：

[0047] 從上述的結(jié)果可以看出，在添加碳納米管之后的AlSilOMg合金的抗拉強度和屈服 強度都有提升。
[0048] 實施例4:
[0049] -種含鋁金屬打印粉末，合金組成為Ti6A14V，其制備方法包括如下步驟：
[0050] (1)將D50為130μπι，鋁含量為99.8wt %的鋁粉作為原料，在鋁粉中添加碳納米管， 其含量為鋁粉的20wt %，其長度為15-30μπι，直徑為25-40nm，按照上述比例進行混料，添加 過程控制劑（具體為質(zhì)量比為1:1的乙醇和硬脂酸鈉），過程控制劑的含量為鋁粉含量的 5wt %，將鋁粉，碳納米管以及過程控制劑混合成原料，重量為5kg，將上述原材料進行球磨 處理，球化介質(zhì)為不銹鋼球，其球料比為20:1，在氬氣氣體保護下進行球磨處理，球磨速度 為1300r/min，球磨時間為120min，將球磨好的粉料進行冷壓處理得到金屬間化合物復(fù)合 塊。
[0051] (2)根據(jù)Ti6A14V合金的配比要求將上述得到的金屬間化合物復(fù)合塊同其他原材 料進行配比，其中金屬間化合物復(fù)合塊在原材料中占的比例為20wt%，采用真空加熱技術(shù) 將原材料進行熔煉，采用氣霧化技術(shù)進行制備，在霧化過程中控制氣體的溫度700°C，霧化 壓力2. IMPa，氣流速度480m/s以及氣體流量與液體流量的比值7:1來控制整個霧化過程，將 得到的含鋁金屬打印粉末(Ti6A14V)進行篩分和混料，測試相關(guān)參數(shù)，比如金屬粉末的粒徑 分布，粉末中的氧含量，并用沒有添加碳納米管并采用相同設(shè)備和技術(shù)獲得的金屬粉末進 行3D打印，都采用SLS技術(shù)進行打印，得到拉伸標準件，在退火處理后進行拉伸實驗，測試其 強度，得到的結(jié)果如下：

[0053] 從上述的結(jié)果可以看出，在添加碳納米管之后的Ti6A14V合金的抗拉強度和屈服 強度都有提升。
[0054] 對打印后的試樣進行磨損實驗，實驗結(jié)果如下：

[0056]通過上表可以看出其耐磨性能有了很大的提升。
[0057]對打印后的成品進行磨拋處理后用PLG-100高頻疲勞試驗機進行疲勞實驗，實驗 結(jié)果如下表所示：

[0059] 實驗結(jié)果表明，將碳納米管添加到合金中，對合金的疲勞性能也有了很大的提升。
[0060] 本發(fā)明不僅僅限于單一的或者一個種類的金屬粉末，對于含有鋁元素的合金都可 以采用相同的方法進行碳納米管的添加和制粉，用于3D金屬打印方面，能有效的提高合金 的各項性能，有利于合金在3D打印技術(shù)中的應(yīng)用。
[0061] 以上所述實施例的各技術(shù)特征可以進行任意的組合，為使描述簡潔，未對上述實 施例中的各個技術(shù)特征所有可能的組合都進行描述，然而，只要這些技術(shù)特征的組合不存 在矛盾，都應(yīng)當認為是本說明書記載的范圍。
[0062] 以上所述實施例僅表達了本發(fā)明的幾種實施方式，其描述較為具體和詳細，但并 不能因此而理解為對發(fā)明專利范圍的限制。應(yīng)當指出的是，對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來 說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變形和改進，這些都屬于本發(fā)明的保護 范圍。因此，本發(fā)明專利的保護范圍應(yīng)以所附權(quán)利要求為準。
【主權(quán)項】
1. 一種含鋁金屬打印粉末的制備方法，其特征在于，包括如下步驟： 金屬間化合物復(fù)合塊的制備： 將鋁粉、碳納米管和過程控制劑混合后置于球磨攪拌機中，球磨的工藝參數(shù)為:控制球 料比為5-25:1，轉(zhuǎn)速為700-1300r/min，球磨時間為60-180min，球磨氣氛為惰性氣體;球磨 后的混合物經(jīng)冷壓成型，即得所述金屬間化合物復(fù)合塊； 所述碳納米管的添加量為所述鋁粉用量的l_20wt%，所述過程控制劑的添加量為所述 鋁粉用量的l_5wt%; 按所述含鋁金屬打印粉末的合金原料配比混合各原料和所述金屬間化合物復(fù)合塊，所 述金屬間化合物復(fù)合塊的加入量為所述含鋁金屬打印粉末總質(zhì)量的1-20%;然后進行熔 煉、霧化，即得所述含鋁金屬打印粉末。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的含鋁金屬打印粉末的制備方法，其特征在于，所述過程控制劑 為乙醇和/或硬脂酸鈉。3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的含鋁金屬打印粉末的制備方法，其特征在于，所述過程控制劑 為質(zhì)量比為1:1的乙醇和硬脂酸鈉。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的含鋁金屬打印粉末的制備方法，其特征在于，所述碳納米管的 直徑為20-40nm，長度為5-30μηι。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的含鋁金屬打印粉末的制備方法，其特征在于，所述鋁粉中鋁元 素的質(zhì)量百分含量為99.5wt%以上。6. 根據(jù)權(quán)利要求1-5任一項所述的含鋁金屬打印粉末的制備方法，其特征在于，所述球 磨的工藝參數(shù)為:控制球料比為10-20:1，轉(zhuǎn)速為900-1300r/min，球磨時間為60-120min。7. 權(quán)利要求1-6任一項所述的制備方法制備得到的含鋁金屬打印粉末。8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的含鋁金屬打印粉末，其特征在于，所述含鋁金屬打印粉末的合 金組成為 Ti6A14V 或 AlSilOMg。9. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的含鋁金屬打印粉末，其特征在于，所述含鋁金屬打印粉末的含 氧量小于1200ppm，53μπι以下粉末占有率為50-70wt %。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種含鋁金屬打印粉末及其制備方法，制備方法包括如下步驟：金屬間化合物復(fù)合塊的制備，將鋁粉、碳納米管和過程控制劑混合后置于球磨攪拌機中，球磨后的混合物經(jīng)冷壓成型，即得所述金屬間化合物復(fù)合塊；按所述含鋁金屬打印粉末的合金原料配比混合各原料和所述金屬間化合物復(fù)合塊，然后進行熔煉、霧化，即得所述含鋁金屬打印粉末。本發(fā)明的制備方法克服了合金材料中添加碳納米管后，無法跟基體獲得良好的潤濕性的問題，并且能夠使得碳納米管在金屬粉末中均勻分布，獲得良好的耐磨性能和良好的疲勞壽命。
【IPC分類】B33Y70/00, B22F9/04, B22F1/00, B22F9/08
【公開號】CN105710380
【申請?zhí)枴緾N201610231510
【發(fā)明人】楊金文
【申請人】廣州納聯(lián)材料科技有限公司