用于3D打印的铝硅合金粉末及其制备方法
技术领域
本发明属于金属粉末3D打印技术领域，尤其是涉及用于3D打印的铝硅合金粉末及其制备方法。
背景技术
3D打印是一种利用三维模型数据，通过层层累积的方式获得具有复杂形状产品的制备技术。与传统塑料、陶瓷、金属和合金以及复合材料的制备方法相比，3D打印技术具有能制备高精度及复杂形状产品、节约原材料、节约成本等一系列优势，具有良好的应用前景。目前常用的3D打印方法包括直接三维打印成型技术(3DP)，选择性激光熔化技术(SLM)，立体光固化技术(SLA)，熔融沉积技术(FDM)等，其中选择性激光熔化技术(SLM)被广泛应用于金属粉末的3D打印。目前可用于SLM的金属及合金主要有不锈钢、钛合金、铝合金等，主要应用于航空航天及汽车工业。
铝基合金是金属3D打印中重要的组成部分，铝基合金具有重量轻、熔点低、安全性高和可塑性好等特点，在零件减重方面具有广阔的应用前景，也因此在轻量化汽车和航空航天工业中占据着越来越重要的地位。虽然工业界对通过3D打印技术制备铝合金产品有着很高的兴趣，也已经有很多SLM制备的铝合金零件在一些领域得到了应用，但是，SLM制备的铝合金产品的大规模应用仍然受到原料合金粉末的制备及其性能、配套打印机的生产、打印模型的开发、打印工艺以及各方面的成本等的限制。目前，能制备出性能更好的铝合金产品的SLM打印机大都是国外进口的，同样用于打印的合金粉末原料也大都需要进口，粉末售价也比较昂贵，这就大大增加了打印铝合金产品的成本，限制了它的技术开发及大规模应用。
国内也在积极开发合金粉末原料制备技术，但是，铝合金容易氧化，对粉末来讲，其比表面积增大就更容易氧化，而氧化的粉末对打印产品的性能有着极大的影响。而且，用于打印的粉末原料对粉末粒径大小及均匀性、流动性及粉末纯度都有着较高的要求。所以国内目前采用的粉末原料制备技术要么制得的产品性能不好，要么制备技术复杂，成本较高，不能大规模生产。
专利201810323621.1提出通过形成球形金属铝粉外包裹八甲基环四硅氧烷有机硅薄膜的打印材料，来优化打印产品的性能，避免烧结过程中的氧化等问题，但是没能从源头控制铝粉的性能，且有机物的引入增加了成本，增加了原料粉末制备和打印的技术难度。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于3D打印的铝硅合金粉末及其制备方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
本发明提供一种用于3D打印的铝硅合金粉末的制备方法，包括以下步骤：
将铝硅合金原料在真空加热熔融保温一段时间，使其充分混合均匀；
采用高速压缩气流冲击熔融铝硅合金流，将其碎裂得气雾化颗粒，冷却后即得通过气雾化技术制得的铝硅合金粉末；
气雾化后，对铝硅合金粉末进行筛分就得到所需粒径范围内的用于3D打印的铝硅合金粉末。
在本发明的一个实施方式中，铝硅合金原料在630℃-700℃的范围内加热熔融。
在本发明的一个实施方式中，铝硅合金原料中硅铝的配比满足最终用于3D打印的铝硅合金粉末中Si含量为15％wt-30％wt，Fe含量不超过0.3wt％，Cu含量不超过0.15wt％，其余为Al。
在本发明的一个实施方式中，采用高速压缩气流冲击熔融铝硅合金流采用的是融合laval与hartmann结构的超音速雾化喷嘴。融合laval与hartmann结构的超音速雾化喷嘴具体结构可以参考中国专利CN201410553284.7公开的融合laval与hartmann结构的超音速雾化喷嘴、中国专利CN201410553271.X公开的二级laval与hartmann结构融合的超音速雾化喷嘴以及中国专利CN201410553799.7公开的单级融合laval与hartmann结构的超音速雾化喷嘴。
在本发明的一个实施方式中，所述高速压缩气流选自高纯氩气或氮气。
在本发明的一个实施方式中，所述高速压缩气流的气体压力为1.6-2.5MPa，采用紧耦合的方式，保证出口负压在0.3-0.7kPa。
在本发明的一个实施方式中，气雾化后，对铝硅合金粉末进行筛分的方式为旋风分级筛分方式。
在本发明的一个实施方式中，对铝硅合金粉末进行筛分后，所述用于3D打印的铝硅合金粉末粒径范围为10-60μm。
在本发明的一个实施方式中，粒径不在10-60μm范围内的粉末可重新用于加热熔化，提高原料利用率。收集筛选出的粉末即可用于SLM打印。
本发明所述制备方法制备得到的用于3D打印的铝硅合金粉末中，Si含量为15％wt-30％wt，Fe含量不超过0.3wt％，Cu含量不超过0.15wt％，其余为Al，纯度较高。所述用于3D打印的铝硅合金粉末平均粒径在25-35μm之间，90％以上的粉末粒径大小在10-60μm之间，粉末真密度在2.60-2.68g/cm3之间，70％-90％的粉末颗粒为球形，粉末流动性较好。
本发明所述铝硅合金粉末优选适用于选择性激光熔化(SLM)，使用该铝硅合金粉末在SLM打印设备上打印出的铝硅合金产品与相同成分的铸造铝合金及其他3D打印铝合金相比具有更优异的力学性能。同时该粉末制备技术方便快捷，生产成本低，可以大批量生产。
与现有技术相比，本发明采用融合laval与hartmann结构的超音速雾化喷嘴，本发明的雾化技术来制备铝硅合金粉末，具有以下有益效果：
(1)能够制得性能更优异且稳定的铝硅合金粉末。所得铝硅粉末纯度达到99％以上，成分均匀。能够更好地控制粉末颗粒形状，70％-90％的粉末颗粒形状为球形，具有更好的流动性。粉末平均粒径在25-35μm之间，90％以上的粉末粒径在10-60μm内，能够获得更细的粉末颗粒，同时颗粒粒径分布更窄。
(2)制得的铝硅合金粉末用于SLM，可以获得性能更好的3D打印产品，其力学性能优于同成分的铸造及其他3D打印的铝硅合金；
(3)制得的铝硅合金粉末中含有微量Fe，Cu元素，微量Fe元素的存在可以形成细弥的Al-Fe化合物相，有利于增加材料的强度和硬度；Cu是促形核的细晶化元素，用意保证晶粒细小均匀；Al-Cu相也是铝合金常见的增强相。
(4)能够大规模生产用于3D打印的铝硅合金粉末，由于整个熔融和雾化过程都在真空下进行，有效减少氧的影响，避免粉末生产过程中发生氧化，通过改变雾化合金配比还能控制所生产粉末中各个元素成分的含量；
(5)整个雾化过程中，对原料的浪费较少，生产效率高，在保证铝硅合金粉末性能的前提下，其成本可降低4-10倍；进口铝合金粉末以AlSi10Mg为例，每千克需要500-1000RMB，但本发明所述铝硅合金粉末成本可低至150RMB以下。
本发明采用融合laval与hartmann结构的超音速雾化喷嘴技术能够大规模生产低成本高性能的3D打印用铝硅合金粉末，同时避免了粉末生产过程中的氧化等问题，使能打印出力学性能更好的产品。
附图说明
图1实施例1中粉末的XRD图谱；
图2实施例1中粉末颗粒形状SEM图；
图3实施例1中粉末粒径分布图；
图4实施例5所得产品的应力-应变曲线；
图5实施例5所得产品在200℃下的应力-应变曲线；
图6实施例5所得产品平行于打印方向上的金相显微镜图；
图7实施例5所得产品垂直于打印方向上的金相显微镜图。
图6与图7中标尺均表示100μm。
具体实施方式
一种用于3D打印的铝硅合金粉末的制备方法，包括以下步骤：
将铝硅合金原料在630℃-700℃的范围内真空加热熔融保温一段时间，使其充分混合均匀，铝硅合金原料中硅铝的配比满足最终用于3D打印的铝硅合金粉末中Si含量为15％wt-30％wt，Fe含量不超过0.3wt％，Cu含量不超过0.15wt％，其余为Al；
采用高速压缩气流(高纯氩气或氮气)冲击熔融铝硅合金流，所述高速压缩气流的气体压力为1.6-2.5MPa，采用紧耦合的方式，保证出口负压在0.3-0.7kPa，将其碎裂得气雾化颗粒，高速压缩气流冲击熔融铝硅合金流采用的是融合laval与hartmann结构的超音速雾化喷嘴。融合laval与hartmann结构的超音速雾化喷嘴具体结构可以参考中国专利CN201410553284.7公开的融合laval与hartmann结构的超音速雾化喷嘴、中国专利CN201410553271.X公开的二级laval与hartmann结构融合的超音速雾化喷嘴以及中国专利CN201410553799.7公开的单级融合laval与hartmann结构的超音速雾化喷嘴，冷却后即得通过气雾化技术制得的铝硅合金粉末；
气雾化后，采用旋风分级筛分方式对铝硅合金粉末进行筛分，得到粒径范围为10-60μm的用于3D打印的铝硅合金粉末。
对于粒径不在10-60μm范围内的粉末可重新用于加热熔化，提高原料利用率。收集筛选出的粉末即可用于SLM打印。
所述制备方法制备得到的用于3D打印的铝硅合金粉末中Si含量为15％wt-30％wt，Fe含量不超过0.3wt％，Cu含量不超过0.15wt％，其余为Al，纯度较高。所述用于3D打印的铝硅合金粉末平均粒径在25-35μm之间，90％以上的粉末粒径大小在10-60μm之间，粉末真密度在2.60-2.68g/cm3之间，70％-90％的粉末颗粒为球形，粉末流动性较好。
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例1
按照4：1的质量比分别取铝硅原料在660℃下真空加热熔融并保温半小时后，采用高速压缩气流冲击熔融铝硅合金流，融合laval与hartmann结构的超音速雾化喷嘴具体结构可以参考中国专利CN201410553271.X公开的二级laval与hartmann结构融合的超音速雾化喷嘴，雾化气体为高纯氩气，雾化时的气体压力为2MPa，采用紧耦合的方式，保证出口负压在0.5kPa，一级谐振气体频率为100kHz。气体雾化后，通过旋风分级方式筛选出10-45μm粒径的粉末，并进行收集，制得铝硅合金粉末。
通过ICP-AES方法对铝硅合金粉末的成分进行分析，确定其成分为：Si含量为24.56％wt，Fe含量为0.20％wt，Cu含量为0.05％wt，其余为Al，成分均匀。
参考图1所示粉末的XRD图谱(图1中没有示出Fe、Cu，原因是其含量太低)。
所得铝硅合金粉末中75％以上的粉末颗粒形状为球形，粉末流动性好，参考图2所示粉末颗粒形状SEM图。粉末平均粒径为29.68μm，90％以上的粉末粒径在10-45μm内，颗粒粒径分布窄，参考图3所示粉末粒径分布图。制备的粉末真密度为2.65g/cm3。
用该粉末在汉邦HBD-SLM100打印机上进行打印，所得产品维氏硬度均值为185HV，抗拉强度约为505MPa，屈服强度约为392MPa，伸长率约为2.6％，抗弯强度均值约为662MPa，所得产品的应力-应变曲线参考图4。所得产品在200℃下的应力-应变曲线参考图5。
用该粉末在汉邦HBD-SLM100打印机上进行打印，打印出表面光滑无裂纹的高强度铝硅合金产品。打印出的拉伸和弯曲样品，表面光滑无裂纹(可以参考图6所示产品平行于打印方向上的金相显微镜图以及图7所示产品垂直于打印方向上的金相显微镜图，可以看出产品的相对密度可达99％，相对密度用阿基米德法测得，具体而言就是先测出粉末真密度，再用排水法测出打印产品的密度，后者对前者的比值即为相对密度，金相图进一步说明组织致密，接近致密无裂纹，无大孔洞，只有少数小气孔，对产品拉伸等性能几乎没有影响)
本实施例所得铝硅合金粉末在汉邦HBD-SLM100打印机上进行打印，所得产品的硬度和拉伸强度均高于相同成分的铸造及其他3D打印铝合金。
表1铸造和各种SLM铝硅合金的硬度和拉伸性能对比
实施例2
一种用于3D打印的铝硅合金粉末的制备方法，包括以下步骤：
将铝硅合金原料在630℃的范围内真空加热熔融保温一段时间，使其充分混合均匀，铝硅合金原料中硅铝的配比满足最终用于3D打印的铝硅合金粉末中Si含量为15％wt，Al含量为84.6％wt，Fe含量为0.28wt％，Cu含量为0.12wt％，
采用高速压缩气流(高纯氩气)冲击熔融铝硅合金流，所述高速压缩气流的气体压力为1.6MPa，采用紧耦合的方式，保证出口负压在0.3kPa，将其碎裂得气雾化颗粒，高速压缩气流冲击熔融铝硅合金流采用的是融合laval与hartmann结构的超音速雾化喷嘴。融合laval与hartmann结构的超音速雾化喷嘴具体结构可以参考中国专利CN201410553284.7公开的融合laval与hartmann结构的超音速雾化喷嘴，冷却后即得通过气雾化技术制得的铝硅合金粉末；
气雾化后，采用旋风分级筛分方式对铝硅合金粉末进行筛分，得到粒径范围为10-60μm的用于3D打印的铝硅合金粉末。
对于粒径不在10-60μm范围内的粉末可重新用于加热熔化，提高原料利用率。收集筛选出的粉末即可用于SLM打印。
所述制备方法制备得到的用于3D打印的铝硅合金粉末中，硅的含量为15％wt，铝的含量为85％wt，纯度较高。所述用于3D打印的铝硅合金粉末平均粒径为25.7μm，90％以上的粉末粒径大小在10-60μm之间，粉末真密度为2.60g/cm3之间，70％以上的粉末颗粒为球形，粉末流动性较好。
实施例3
一种用于3D打印的铝硅合金粉末的制备方法，包括以下步骤：
将铝硅合金原料在660℃的范围内真空加热熔融保温一段时间，使其充分混合均匀，铝硅合金原料中硅铝的配比满足最终用于3D打印的铝硅合金粉末中Si含量为20％wt，Al含量为79.8％wt，Fe含量为0.1wt％，Cu含量为0.1wt％；
采用高速压缩气流(高纯氩气或氮气)冲击熔融铝硅合金流，所述高速压缩气流的气体压力为2.00MPa，采用紧耦合的方式，保证出口负压在0.4kPa，将其碎裂得气雾化颗粒，高速压缩气流冲击熔融铝硅合金流采用的是融合laval与hartmann结构的超音速雾化喷嘴。融合laval与hartmann结构的超音速雾化喷嘴具体结构可以参考中国专利CN201410553271.X公开的二级laval与hartmann结构融合的超音速雾化喷嘴，冷却后即得通过气雾化技术制得的铝硅合金粉末；
气雾化后，采用旋风分级筛分方式对铝硅合金粉末进行筛分，得到粒径范围为10-60μm的用于3D打印的铝硅合金粉末。
对于粒径不在10-60μm范围内的粉末可重新用于加热熔化，提高原料利用率。收集筛选出的粉末即可用于SLM打印。
所述制备方法制备得到的用于3D打印的铝硅合金粉末中，硅的含量为20％wt，铝的含量为80％wt，纯度较高。所述用于3D打印的铝硅合金粉末平均粒径在31μm，90％以上的粉末粒径大小在10-60μm之间，粉末真密度在2.64g/cm3之间，80％以上的粉末颗粒为球形，粉末流动性较好。
实施例4
一种用于3D打印的铝硅合金粉末的制备方法，包括以下步骤：
将铝硅合金原料在630℃-700℃的范围内真空加热熔融保温一段时间，使其充分混合均匀，铝硅合金原料中硅铝的配比满足最终用于3D打印的铝硅合金粉末中Si含量为29.8％wt，Al含量为70％wt，Fe含量为0.1wt％，Cu含量为0.1wt％；
采用高速压缩气流(高纯氩气或氮气)冲击熔融铝硅合金流，所述高速压缩气流的气体压力为2.5MPa，采用紧耦合的方式，保证出口负压在0.7kPa，将其碎裂得气雾化颗粒，高速压缩气流冲击熔融铝硅合金流采用的是融合laval与hartmann结构的超音速雾化喷嘴。融合laval与hartmann结构的超音速雾化喷嘴具体结构可以参考中国专利CN201410553799.7公开的单级融合laval与hartmann结构的超音速雾化喷嘴，冷却后即得通过气雾化技术制得的铝硅合金粉末；
气雾化后，采用旋风分级筛分方式对铝硅合金粉末进行筛分，得到粒径范围为10-60μm的用于3D打印的铝硅合金粉末。
对于粒径不在10-60μm范围内的粉末可重新用于加热熔化，提高原料利用率。收集筛选出的粉末即可用于SLM打印。
所述制备方法制备得到的用于3D打印的铝硅合金粉末中，硅的含量为25％wt，铝的含量为75％wt，纯度较高。所述用于3D打印的铝硅合金粉末平均粒径约为30.5μm，90％以上的粉末粒径大小在10-60μm之间，粉末真密度约为2.68g/cm3，90％的粉末颗粒为球形，粉末流动性较好。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。
