國內(nèi)鋁基納米復(fù)合材料的3D打印制備方法

目前對于激光增材制造的顆粒增強鋁基復(fù)合材料，在成形加工過程中主要面臨這樣一些問題：

- 由于鋁對激光具有很高的激光反射率，通常低功率激光器難以使得鋁合金發(fā)生完全熔化，增強顆粒的加入能夠在程度上提高粉體對激光的吸收率，但增強顆粒加入過多則會導(dǎo)致材料延伸性能下降；

- 研究表明，降低增強體的顆粒尺寸達到納米級可以有效提高金屬基復(fù)合材料的機械性能，如提高強度和減少裂紋，但是當(dāng)增強顆粒的尺寸減小至納米尺度時，顆粒之間會因強烈的范德瓦爾力以及極大的表面張力而緊密地團聚在一起，從而很不利于增強顆粒在基體中的均勻分散，在激光增材制造過程中，所形成熔池中特有的Marongoni流可以起到均勻分散第二相的作用，但該Marangoni流又與熔池的溫度場緊密相連；

- 由于通常加入的增強顆粒為陶瓷相，而陶瓷相與基體相之間的潤濕性很差，同時它們之間的熱膨脹系數(shù)差異也往往較大，這就導(dǎo)致在成形過程中形成的液相不能均勻鋪展，同時在隨后的凝固過程中產(chǎn)生較大的收縮應(yīng)力而出現(xiàn)裂紋。

為解決上述存在的技術(shù)問題，南京航空航天大學(xué)提供一種基于SLM成形的鋁基納米復(fù)合材料，用于激光增材技術(shù)領(lǐng)域，有效的解決鋁基納米復(fù)合材料在激光增材過程中工藝性能與力學(xué)性能不匹配、增強顆粒分布不均勻以及陶瓷相與基材相之間潤濕性較差的問題，使得所獲得的產(chǎn)品具備良好的界面結(jié)合以及優(yōu)異的力學(xué)性能。

南京航空航天大學(xué)對于鋁基納米復(fù)合材料的加工是在高純氬氣保護氣氛環(huán)境中進行的，成形過程中維持在正壓0.9-1.2atm。加工過程中，加工參數(shù)和粉體性能是影響激光最終成形件的兩個最主要因素。從粉體成分角度考慮，稀土元素和陶瓷顆粒的添加必然會增強鋁合金粉體對激光的吸收率，從而可保證在的激光功率下熔池具有充足的液相量。一方面，添加的陶瓷相其粒徑大小、密度以及質(zhì)量分數(shù)均會影響到激光吸收率。另一方面，激光成形工藝參數(shù)同樣會顯著影響到鋁基納米復(fù)合材料成形過程中熔池的熱動力學(xué)特性以及隨后的顯微組織和性能。

針對這些因素的考慮，南京航空航天大學(xué)的方案具有如下優(yōu)點：

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粉末成分包括了鋁硅合金粉末、稀土相和陶瓷相，其中稀土相為La、Nd、Sm或Y中的任意一種，所選擇的這些稀土元素按照其熱物性(熔點、熱膨脹系數(shù)和表面張力)處于基體相和增強相之間的原則進行選取，保證了在激光加工過程中陶瓷增強相與基體之間良好的潤濕性能和避免因熱物性差異過大而導(dǎo)致在凝固過程中的開裂情況，其含量控制在0.3-0.8wt％，避免加入過多導(dǎo)致性能惡化；陶瓷顆粒選用碳化物，旨在成形過程中產(chǎn)生原位反應(yīng)，改善界面結(jié)構(gòu)，在尺寸方面選擇納米尺寸，則借助小尺寸和表界面效應(yīng)有效提高材料的強韌性，此外陶瓷相的添加還可有效提高粉末對激光的吸收率，提高粉末的加工性能，但其添加含量需控制在4-6wt％，保證材料不會因增強相的過高而引起延展性下降。

- 梯度界面層
鋁基納米復(fù)合材料在增強相與基體相之間形成一定厚度的梯度界面層，從基體相到增強相Al及稀土元素成分呈現(xiàn)梯度變化，在加載過程中，增強顆粒處往往容易造成應(yīng)力集中而導(dǎo)致開裂情況，但這種梯度界面層的存在則有效緩解了應(yīng)力集中的發(fā)生，從而對材料起到了強韌化的作用；同時增強顆粒由于稀土元素的加入變得更加的細小和圓潤，也減小了材料內(nèi)部在加載中發(fā)生應(yīng)力集中的幾率。

- 均勻的粉體
利用高能球磨作用實現(xiàn)對陶瓷增強相和稀土相的包覆作用，借助二次球磨作用，有效獲取滿足于SLM成形工藝的粉體，即具有良好的流動性、球形度以及均勻的成分分布、較窄的粒徑分布，該粉體制備方法簡單、操作簡便。

-控制有效體能量密度
通過優(yōu)化SLM成形中有效體能量密度來控制獲得良好的成形質(zhì)量，有效體能量密度的作用體現(xiàn)在對激光加工中熔池的穩(wěn)定性、溫度場、流場以及伴隨的激光顯微組織結(jié)構(gòu)的影響，綜合的反映了粉體物性和加工參數(shù)這兩者對SLM加工過程的影響。南京航空航天大學(xué)的制造工藝所形成的熔池具有很好的穩(wěn)定性，成形件表面具有光滑并呈現(xiàn)出波紋狀的熔道軌跡，同時幾乎看不到球化效應(yīng)并獲得近全致密的結(jié)構(gòu)。顯微組織分析表明增強顆粒得到均勻的彌散分布，基體晶粒細小并呈胞狀結(jié)構(gòu)生長。