一种在增材制造中原位合成MgAlB4或MgAl2O4晶须增强铝基复合材料的方法技术

本发明专利技术涉及一种在增材制造中原位合成MgAlB4或MgAl2O4晶须增强铝基复合材料的方法。原位合成MgAlB4晶须增强铝基复合材料的方法，包括以下步骤：复合粉末制备：向纯铝或不含镁元素的铝合金粉末中外加引入镁元素和硼元素或向含镁元素的铝合金粉末中外加引入硼元素或直接通过元素设计配比直接制备含镁元素或硼元素的铝合金粉末以实现Mg:B:Al的摩尔比为1:(0.1～10):X(X>10)；激光粉末床熔融成型：3D打印参数为激光功率200～500W，激光扫描速率为500～2000mm/s，扫描线间距80～110μm，粉末层厚20～40μm，激光层间旋转角度0

【技术实现步骤摘要】
一种在增材制造中原位合成MgAlB4或MgAl2O4晶须增强铝基复合材料的方法


[0001]本专利技术涉及到一种利用激光粉末床熔融法原位合成MgAlB4晶须或MgAl2O4晶须增强铝基复合材料的方法，属于增材制造铝合金及其复合材料领域。

技术介绍

[0002]铝合金是一种十分常见的轻金属材料，具有较高的比强度、比刚度，有着良好的导电导热性、耐蚀性等优点，已逐步发展成为现代工业中极其重要的结构材料之一。铝合金在建筑、交通运输和航空航天等领域均有着广泛应用：飞机的机身、蒙皮、汽车轮毂等常用铝合金制造，以在维持原有性能不变的基础上实现减重的效果。近年来，由于传统的铝合金加工工艺生产的构件形状上较为简单，难以直接制备出具有较高精度与设计自由度的构件等诸多不足，金属增材制造作为一种十分具有发展前景和潜力的技术近年来得到了各行业的广泛研究和关注。
[0003]近年来，关于高强铝合金如2xxx系和7xxx系铝合金的3D打印研究也逐渐增多。高强铝合金由于凝固区间较长，在3D打印中有着很强的热裂纹敏感性。如何通过增材制造法在制备出致密度高、缺陷少的高强铝合金基础上，进一步在铝基体中引入增强相制备铝基复合材料，以实现服役性能的进一步提升是当前的研究热点。在这种应用需求下，向增材制造法制备的铝基复合材料中加入的增强相不仅要作为增强相实现增强效果还必须发挥作为异质形核剂促进形核、消除柱状晶等缺陷的作用。
[0004]在铝合金中加入增强相可以分为外加和原位合成两种方式。外加法存在增强相难以均匀分散、与基体界面结合差等缺点，而原位合成增强相可以有效克服这些缺点。另外一维增强相在基体中除了阻碍位错运动外还可以起到载荷传递的效果，相对颗粒增强相具有更好的增强效果。与此同时，铝合金增材制造中的原位合成相在作为形核剂时通常会具有更高的异质形核效率。综上所述，在铝合金的增材制造中通过原位合成一维增强相(异质形核剂)制备铝基复合材料是一种非常理想的消除成型缺陷、增强合金基体的方式。
[0005]在粉末冶金法中，已有研究者通过原位合成的方式实现了在铝基体和钛基体中生长硼化物晶须制备铝基和钛基复合材料以及在铝基体中生长尖晶石晶须，并实现了较为理想的增强效果。但增材制造的制备方式和机理与传统制备方式存在着较大差异，截止到目前，尚未见到通过增材制造的方式实现原位反应合成晶须促进形核增强基体以制备原位反应晶须增强铝基复合材料的有关报道。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的在于提供一种利用激光粉末床熔融以原位合成方式制备MgAlB4晶须和MgAl2O4晶须增强铝基复合材料的方法。该方法能够有效克服外加增强体分布不均、增强体与铝基体界面结合差难以有效促进形核消除缺陷的缺点。为实现上述目的，本专利技术通过以下技术方案加以实施：
[0007]一种在激光粉末床熔融法中原位合成MgAlB4晶须增强铝基复合材料的方法，包括以下步骤：
[0008](1)复合粉末制备
[0009]向纯铝或不含镁元素的铝合金粉末中外加引入镁元素和硼元素或向含镁元素的铝合金粉末中外加引入硼元素或直接通过元素设计配比直接制备含镁元素或硼元素的铝合金粉末以实现Mg:B:Al的摩尔比为 1:(0.1～10):X(X>10)；对于向纯铝或不含镁元素的铝合金粉末中外加引入镁元素和硼元素或向含镁元素的铝合金粉末中外加引入硼元素之后所制得的粉末，进行三维混料分散；
[0010](2)激光粉末床熔融成型
[0011]三维混料分散后的粉末或是直接按照元素摩尔比制备好的合金粉末放入激光粉末床熔融打印机中进行3D打印成型，3D打印参数为激光功率200～500W，激光扫描速率为500～2000mm/s，扫描线间距80～110 μm，粉末层厚20～40μm，激光层间旋转角度0
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[0012]优选地，步骤(1)中，各元素含量为Mg:0.05～20wt％；B:0.05～20wt％。
[0013]优选地，步骤(1)中，各元素含量为Mg:1～10wt％；B:0.5～2.5wt％。
[0014]优选地，步骤(1)中，所述的镁元素来自镁粉；所述的硼元素来自硼粉。
[0015]优选地，3D打印参数为激光功率275～325W，激光扫描速率为1000～1500mm/s，扫描线间距90～100 μm，粉末层厚30～40μm，激光层间旋转角度45
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[0016]本专利技术同时给出与上述制备方法为相同专利技术构思的一种在激光粉末床熔融法中原位合成MgAl2O4晶须增强铝基复合材料的方法，包括以下步骤：
[0017](1)复合粉末制备
[0018]向纯铝或不含镁元素的铝合金粉末中外加引入镁元素和氧元素或向含镁元素的铝合金粉末中外加引入氧元素或直接通过元素设计配比直接制备含镁元素和氧元素的铝合金粉末以实现Mg:O:Al的摩尔比为 1:(0.1～10):X(X>10)；对于向纯铝或不含镁元素的铝合金粉末中外加引入镁元素和氧元素或向含镁元素的铝合金粉末中外加引入氧元素之后所制得的粉末，进行三维混料分散；
[0019](2)激光粉末床熔融成型
[0020]将步骤(1)所制得的三维混料分散后的粉末或是直接按照元素摩尔比制备好的合金粉末放入激光粉末床熔融打印机中进行3D打印成型，3D打印参数为激光功率200～500W，激光扫描速率为500～2000mm/s，扫描线间距80～110μm，粉末层厚20～40μm，激光层间旋转角度0
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[0021]优选地，步骤(1)中，各元素含量为Mg:0.05～20wt％；O:0.01～15wt％。
[0022]优选地，步骤(1)中，Mg:1～10wt％；O:1～5wt％。
[0023]优选地，步骤(1)中，镁元素来自镁粉；氧元素来自氧化硼。
[0024]优选地，步骤(2)中，3D打印参数为激光功率275～325W，激光扫描速率为1000～1500mm/s，扫描线间距90～100μm，粉末层厚30～40μm，激光层间旋转角度45
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[0025]与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：
[0026](1)制备高质量的MgAlB4晶须或MgAl2O4晶须：基于激光粉末床熔融法中的高温加热及快速冷却工艺，可以有效解决MgAlB4晶须和MgAl2O4晶须在较低温度下难以制备的问题，并且可以获得较为均匀、细小、弥散的MgAlB4晶须和MgAl2O4晶须增强铝基复合材料。
[0027](2)利用激光粉末床熔融法可控制备原位合成MgAlB4晶须或MgAl2O4晶须增强铝基复合材料：通过改变铝合金粉末中铝元素、镁元素、硼元素的比例，3D打印的相关参数(激光功率、激光扫描速率、扫描线间距、粉末层厚等)，可以调控MgAlB4晶须或MgAl2O4晶须的形貌及复合材料的力学性能等本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种在激光粉末床熔融法中原位合成MgAlB4晶须增强铝基复合材料的方法，包括以下步骤：(1)复合粉末制备向纯铝或不含镁元素的铝合金粉末中外加引入镁元素和硼元素或向含镁元素的铝合金粉末中外加引入硼元素或直接通过元素设计配比直接制备含镁元素或硼元素的铝合金粉末以实现Mg:B:Al的摩尔比为1:(0.1～10):X(X>10)；对于向纯铝或不含镁元素的铝合金粉末中外加引入镁元素和硼元素或向含镁元素的铝合金粉末中外加引入硼元素之后所制得的粉末，进行三维混料分散；(2)激光粉末床熔融成型三维混料分散后的粉末或是直接按照元素摩尔比制备好的合金粉末放入激光粉末床熔融打印机中进行3D打印成型，3D打印参数为激光功率200～500W，激光扫描速率为500～2000mm/s，扫描线间距80～110μm，粉末层厚20～40μm，激光层间旋转角度0
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。2.根据权利要求1所述的原位合成MgAlB4晶须增强铝基复合材料的方法，其特征在于，步骤(1)中，各元素含量为Mg:0.05～20wt％；B:0.05～20wt％。3.根据权利要求1所述的原位合成MgAlB4晶须增强铝基复合材料的方法，其特征在于，步骤(1)中，各元素含量为Mg:1～10wt％；B:0.5～2.5wt％。4.根据权利要求1所述的原位合成MgAlB4晶须增强铝基复合材料的方法，其特征在于，步骤(1)中，所述的镁元素来自镁粉；所述的硼元素来自硼粉。5.根据权利要求1所述的原位合成MgAlB4晶须增强铝基复合材料的方法，其特征在于，3D打印参数为激光功率275～325W，激光扫描速率为1000～1500mm/s，扫描线间距90～100μm，粉末层厚30～40μm，激光层间旋转角度45
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。6.一种在激光粉末床熔...

【专利技术属性】
技术研发人员：沙军威，杨浩然，赵冬冬，赵乃勤，戎旭东，何春年，师春生，何芳，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：