一种金属3D打印制备空心玻璃微珠增强铝基复合材料的方法技术

本发明专利技术涉及一种金属3D打印制备空心玻璃微珠增强铝基复合材料的方法，所述复合材料由下述配比的物质组成：质量分数为5～30％的空心玻璃微珠，余量为铝合金。所述的复合材料采用3D打印方法制备，打印所用复合粉末经粒度分级、预处理、配料、混粉、烘粉制得。本发明专利技术的复合材料具有较小的密度、较高的比刚度、比强度、低的热膨胀系数、优良的尺寸稳定性，可以适应轻量化进程起到减重的作用，此外空心增强相的添加使得材料最终成形后呈现一种多孔结构，从而提高材料的隔音降噪、抗冲击的能力，使材料可以应用于某些对材料的功能特性有特殊要求的用途。

A method of fabricating hollow glass bead reinforced aluminum matrix composites by metal 3D printing

【技术实现步骤摘要】
一种金属3D打印制备空心玻璃微珠增强铝基复合材料的方法
本专利技术涉及一种金属3D打印制备空心玻璃微珠增强铝复合材料的方法，属于金属基复合材料及3D打印材料制备领域。
技术介绍
相较于铝合金而言，铝基复合材料由于增强相的加入，具有更高的比强度、比刚度和弹性模量以及更低的热膨胀系数，耐摩擦性能也有较大的提升。铝基复合材料根据增强体的特性、含量、分布可以达到很多的优良特性，空心玻璃微珠密度小，导热系数低，抗压强度高，可以减轻材料重量，消除材料内应力确保尺寸稳定性，抗冲击，隔音隔热，在航空航天、船舶、军事等领域有着广泛的应用前景，并逐步向民用领域如汽车行业扩展。随着航空航天、汽车工业的发展，轻质高强的材料越来越受到人们的重视，如何在不大幅度降低材料性能的基础上减少材料的密度，实现材料的减重，是如今材料开发者迫切需要解决的问题。本专利技术对原材料的选择和复合材料的成形方式进行改进。首先选择空心玻璃微珠作为增强相颗粒，不仅降低了材料的密度，实现了材料的减重，而且材料内部的空心结构还起到了抗冲击、抗压的作用；其次采用3D打印的方式对复合粉末成形，无需机械加工或任何模具，极大地缩短产品的研制周期，提高生产率和降低生产成本，也提高了原料的利用率，节省了后期加工的时间和成本。空心玻璃微珠的密度和体积分数对最终打印成形的铝基复合材料有着直接的影响，如何调节空心玻璃微珠增强相的体分和密度，并找到与之相匹配的打印工艺，是本专利技术将要阐述的内容。CN01141912公开了一种空心微珠/铝基复合材料的制备工艺。此专利技术的空心微珠/铝基复合材料的制造工艺是通过对煤灰粉进行分级、除铁、除碳等处理而获得的球形率在95％以上的空心微珠，在对其进行敏化、活化、化学镀、烘干等处理而获得润湿性良好的空心微珠，再把纯铝熔化，并在搅拌的条件下加入处理后的空心微珠，在快速冷却条件下获得优良的浇注空心微珠/铝基复合材料。这种复合材料的特点是：弹性模量高、密度低、耐磨性好、硬度高、生产成本低。CN201310611099公开了一种含有Al2O3空心球的镁基多孔复合材料的制备方法，它涉及镁基多孔复合材料的制备方法。它要解决现有镁基多孔复合材料制备过程中存在的方法复杂、成本高的问题。该专利提供了两种制备方法，第一种方法是Al2O3空心球装填、预热、浇注、加压浸渗、保压冷却、脱模；第二种方法是不同粒径Al2O3空心球混合后装填、预热、浇注、加压浸渗、保压冷却、脱模。本专利技术的含有Al2O3空心球的镁基多孔复合材料，是由镁或镁合金浸渗Al2O3空心球预制块之间的间隙中制备而成，具备了颗粒增强金属基复材料和多孔镁基材料的共同特征，而且Al2O3空心球体尺寸可调整，多孔结构的可设计性很强。CN201710225271公开了一种空心氧化铝球/碳化硅增强铝基复合材料的制备方法，是通过采用空心氧化铝球和不同尺寸微米级碳化硅为增强体，在保证力学性能和低膨胀系数的前提下降低复合材料整体密度。采用空心氧化铝球的目的在于既使用的氧化铝陶瓷强度高的特点，又因为其空心结构，可以最大限度降低整体材料的密度，另外，氧化铝与铝的界面活化能较低，添加碳化硅颗粒后，能够增强复合界面活化能，从而复合材料力学性能更加优越。通过不同颗粒尺寸配比，能够最大限度提高增强体的体积分数，从而提高复合材料力学强度，使铝的韧性和增强体的刚性达到最佳配比。CN201810522116公开了一种用于3D打印的金属基纳米复合材料粉末的制备方法，属于金属材料及3D打印材料制备领域。本专利技术通过熔盐辅助向目标金属中加入纳米增强体，以提高目标金属3D打印部件的强度，同时降低高热裂倾向目标金属的热裂，制备出的金属基纳米复合材料粉末能广泛用于3D打印中。本专利技术通过向目标金属中引入化学稳定的纳米增强体制备了新型的力学性能优异、热裂倾向性低、成形性能优良的金属基纳米复合材料粉末，能提高现有可打印金属粉末的力学性能，同时又可消除目前不可打印合金种类在3D打印过程中产生的热裂，拓宽金属3D打印部件的应用范围。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种金属3D打印制备空心玻璃微珠增强铝复合材料的方法，其特征在于，所述复合材料由下述配比的物质组成：质量分数为5～30％的空心玻璃微珠，余量为铝合金。本专利技术的优选技术方案中，所述空心玻璃微珠的含量为质量分数5-30％，优选为5-20％。本专利技术的优选技术方案中，所述玻璃微珠的化学组成为SiO2的含量为50-90％(质量分数，下同)，Al2O3的含量为10-50％，K2O的含量为5-10％，CaO的含量为0.1-10％，B2O3的含量为0-12％。本专利技术的优选技术方案中，所述空心玻璃微珠为球形，所述玻璃微珠是由两种不同粒径的玻璃微珠组成，一种粒径较小而另一种粒径较大。本专利技术的优选技术方案中，所述粒径较小的空心玻璃微珠的粒径为0～30μm，更优选为0-10μm，还优选为0-5μm。本专利技术的优选技术方案中，所述粒径较大的空心玻璃微珠的粒径为10～60μm，更优选为10-45μm，还优选为15-30μm。本专利技术的优选技术方案中，所述铝合金的组成(质量分数)为Si9.0～11.0％，Mg0.2～0.45％，Zn≤0.1％，Fe≤0.55％，Ti≤0.15％，Mn≤0.45％，O≤0.1％，余量为Al；其余元素单个含量≤0.05％，其余元素合计总含量≤0.15％。本专利技术的优选技术方案中，所述铝合金为球状粉末，优选其中值粒径D50为10～60μm，更优选为10-50μm，还优选为15-40μm。本专利技术所述的复合材料采用对复合粉末进行3D打印的方法制备，复合粉末经粒度分级、预处理、配料、混粉、烘粉制得。本专利技术的优选技术方案中，所述粒度分级是通过超声振动筛筛分方式进行，筛分粒径较大的空心珠所用筛网为300-500目，优选为400-500目；筛分粒径较小的空心珠所用筛网为1000-2000目，优选为1340-2000目。本专利技术的优选技术方案中，所述预处理是采用活化、化学镀、水洗、烘干等工序。本专利技术的优选技术方案中，所述配料处理即分别称取或量取所需要的空心玻璃微珠(包括两种粒径)、铝合金。本专利技术的优选技术方案中，所述混粉过程是先将量取的两种不同粒径的玻璃微珠按一定转速混合4-10h，优选为6-8h；再将混好的玻璃微珠与铝合金粉末按一定转速混合4-10h，优选为6-8h。本专利技术的优选技术方案中，所述混粉过程的混粉转速为75-500rpm，更优选为100-400rpm，还优选为200-400rpm。本专利技术的优选技术方案中，所述混粉处理过程中通氮气进行保护，氮气压力为0.1-0.5MPa，更优选为0.1-0.4MPa，还优选为0.15-0.35MPa。混粉结束后继续通气直至温度降至室内温度，出粉，装袋备用。本专利技术的优选技术方案中，所述烘粉处理的参数控制为温度50-150℃，优选为100-150℃；烘粉时间为2-7h，优选为4-7h。本专利技术的优选技术方案中，所述3D打印的方式为选区激光熔化(SL本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种金属3D打印制备空心玻璃微珠增强铝基复合材料的方法，其特征在于，所述复合材料由下述配比的物质组成：质量分数5~30%的空心玻璃微珠，余量为铝合金。/n

【技术特征摘要】
1.一种金属3D打印制备空心玻璃微珠增强铝基复合材料的方法，其特征在于，所述复合材料由下述配比的物质组成：质量分数5~30%的空心玻璃微珠，余量为铝合金。


2.根据权利要求1所述的复合材料，其特征在于包含以下步骤：
（1）对空心玻璃微珠采用活化、化学镀、水洗、烘干等工序进行预处理；
（2）分别称取或量取所需要的空心玻璃微珠（包括两种粒径）、铝合金；
（3）先将量取的两种不同粒径的玻璃微珠按一定转速混合4-10h，优选为6-8h；再将混好的玻璃微珠与铝合金粉末按一定转速混合4-10h，优选为6-8h；
（4）对复合粉在50-150℃的温度条件下进行烘粉处理，时长为2-7h；
（5）对烘干后得复合粉进行3D打印，所述3D打印的方式为选区激光熔化（SLM），参数选择如下，激光功率为400-600W，扫描速率为500-800mm/s，扫描间距为0.05-0.1mm，打印的预热温度为80-1...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡万谦，李振民，孟庆宇，刘干，王联波，
申请(专利权)人：江西宝航新材料有限公司，
类型：发明
国别省市：江西;36