一种基于选区激光熔化纳米陶瓷改性高硅铝合金
技术领域
本发明属于高硅铝合金材料领域，具体来说，本发明涉及一种基于选区激光熔化纳米陶瓷改性高硅铝合金。
背景技术
高硅铝合金具有密度低、强度高、耐腐蚀性好、热膨胀系数低等优点，在汽车、航空航天、电子封装等领域具有巨大的发展潜力和极为广阔的应用前景。与亚共晶、共晶铝硅合金不同，过共晶高硅铝合金组织中硅相以初生硅相和共晶硅相两种形式存在。随着硅含量的增加，铝合金的耐磨性能和耐热性能得以改善，但成形件显微组织中初晶硅和共晶硅相的尺寸、形态和分布对其机械性能也产生了显著影响，尤其是传统铸造组织中粗大板条状初晶硅相严重割裂了组织连续性，在硅相的棱角和尖锐部分容易产生应力集中且增加了裂纹萌生质点，最终使材料的强度和延伸率下降。基于此，在铝基体加入纳米陶瓷相进行结构改性，增加铝熔体凝固过程中的异质形核质点，有效调整初生硅相和共晶硅相形貌、尺寸和分布状态，最终达到提升材料机械性能目的。在常见的铝合金改性用陶瓷相中，二硼化钛具有更高弹性模量(560GPa)和硬度(35GPa)，优异的耐热性和耐磨性，与铝基体润湿性良好等特性，这使二硼化钛成为高硅铝合金中理想的结构改性材料。
从加工工艺角度来看，为实现细化晶粒、均匀组织和提升材料机械性能目的，制备过共晶高硅铝合金时通常采用快速凝固方法，如喷射沉积和粉末冶金工艺，但喷射沉积法设备和工艺较为复杂，且生产成本较高，而利用粉末冶金工艺制得的零件内部孔隙率较高，且难以成形结构较为复杂的零件。选区激光熔化技术作为一种新型的快速凝固技术，基于分层制造、累积叠加的局部成形原理，根据计算机辅助设计的三维零件模型，利用高能激光热源对金属粉末材料以逐道逐层方式进行选择性熔凝堆积成形，从而实现复杂结构金属构件的直接精密制造。选区激光熔化成形过程中，激光热源与预铺设的粉末层作用时间极短，仅为0.5～20ms左右，因此熔融材料具有相当高的冷却速率，这为高硅铝合金晶粒细化提供了有利条件，并且粉末颗粒在高能激光束作用下完全熔化，使相邻扫描道或层间冶金结合良好，改善高硅铝合金零件成形质量，提高材料的力学性能。选区激光熔化技术突破了传统制造工艺束缚，符合“近净成形”设计理念，有效地缩短了新产品的开发和制造周期，提高生产效率，并且能够成形具有复杂几何结构的零件，因此采用选区激光熔化技术制备高硅铝合金材料具有极大的发展潜力。
发明内容
针对目前高硅铝合金材料制备技术存在的问题，同时为满足以上提出的改进需求，本发明提供了一种基于选区激光熔化技术的纳米陶瓷改性高硅铝合金，以显著提升高硅铝合金的机械性能。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：
一种基于选区激光熔化纳米陶瓷改性高硅铝合金，包括如下步骤：
(1)采用Pulverisette 6型单罐行星式高能球磨工艺制备纳米TiB2陶瓷粉末;
(2)将Al-20Si合金粉末与步骤(1)制备的纳米TiB2陶瓷粉末通过QM系列行星式球磨机在惰性气体保护下混合均匀，得到纳米TiB2/Al-20Si复合粉体;
(3)在计算机中使用Soildworks软件建立目标零件的三维实体几何模型，然后利用Magics软件对该模型进行分层切片并规划激光扫描路径，将三维实体离散成一系列二维数据，将此文件保存并导入选区激光熔化成形设备中;
(4)选区激光熔化成形设备根据步骤(3)所保存的文件，将步骤(2)中的纳米TiB2/Al-20Si复合粉体逐层熔化，成形为所要建立的目标零件。
优选地，步骤(1)中，所使用的原始材料为多角形的微米TiB2粉末，粒径分布范围在1～5μm，纯度大于99.9%。
优选地，步骤(1)中，采用高能球磨转速为250～300rpm，球磨时间为20～25h。
优选地，步骤(1)中，高能球磨制备的纳米TiB2陶瓷粉末粒径为40～200nm。
优选地，步骤(2)中，所述Al-20Si合金粉末粒径分布范围在12～31μm，其中硅含量为19.2～20wt.%，铁含量为0.05～0.15%，余量为铝。
优选地，步骤(2)中，所述TiB2/Al-20Si复合粉末中纳米TiB2颗粒含量为1～10wt.%，最优选2wt.%，若纳米TiB2颗粒含量过低，其改性效果不佳;若纳米TiB2颗粒含量过高，激光成形质量降低，影响复合材料性能。
具体地，步骤(2)球磨机采用QM系列行星式球磨机进行球磨混粉操作，该过程采用陶瓷罐，球磨介质为直径6mm和8mm的陶瓷磨球。球磨工艺参数设定为：球料比为2:1;同时为防止球磨罐内温度过高，球磨时设备运行模式选用间隔式，即设备每运行15min后暂停空冷5min。该球磨过程要求在惰性气体保护下进行，以防止铝合金粉末被氧化或污染。
优选地，步骤(2)中，所采用球磨转速为150～250rpm，球磨时间为3～5h。
具体地，步骤(4)使用SLM-150型选区激光熔化设备，该设备主要包括YLR-500型光纤激光器、激光成形室、自动铺粉系统、保护气氛装置、计算机控制电路系统以及冷却循环系统。在成形前将经喷砂处理的铝基板固定在选区激光熔化成形设备工作台上并进行调平，然后通过密封装置将成形腔密封、抽真空并通入惰性气体保护气氛。典型选区激光熔化成形过程如下：(a)铺粉装置将待加工粉末均匀铺放在成形基板上，激光束根据预先设计好的扫描路径对切片区域逐行进行扫描，使粉层发生快速熔融-固化，从而获得零件的第一个二维平面;(b)计算机控制系统使成形基板下降一个粉层厚度，相反地，使供粉缸活塞上升一个粉层厚度，铺粉装置重新铺设一层待加工粉末，激光束根据切片信息完成第二粉末层扫描以获得零件的第二个二维平面;(c)重复以上步骤，待加工粉体逐层成形直至零件加工完毕。优选地，步骤(4)中选区激光熔化成形的激光扫描速度为1800～2200mm/s，激光功率为450W，扫描间距为50μm，铺粉厚度为50μm，采用分区岛状扫描策略，上述激光参数经工艺优化后确定。
可根据高硅铝合金材料组织及性能特点，合理选择、适当添加高硅铝合金结构改性剂，并采用与前沿的激光增材制造技术相结合的制备方法，可有效调整硅相的形貌、尺寸和分布状态，成功制备综合性能优异的高硅铝合金材料。
有益效果：
(1)本发明中以微米级二硼化钛粉末为原料，利用高能球磨工艺制备纳米TiB2粉末，并将所制得的纳米TiB2与Al-20Si粉末混合后置于QM系列行星式球磨机中进行球磨混粉，通过球磨工艺优化最终获得纳米TiB2分布均匀、流动性能良好且适用于选区激光熔化成形的TiB2/Al-20Si复合粉体，该工艺操作简单并节约成本。
(2)与Al-20Si合金粉体相比，纳米TiB2/Al-20Si粉体的激光吸收率显著增加，在选区激光熔化成形过程中粉床的激光能量输入增多，使粉末层能够充分熔化，从而提高零件成形质量。
(3)本发明利用选区激光熔化技术制备高硅铝合金材料不仅缩短生产周期，提高产品生产效率，而且几乎无需后续机加工处理即可成形具有复杂几何形状的零件。选区激光熔化成形时熔池的冷却速度极高，可达103～108K/s，使高硅铝合金熔体的过冷度增加，避免传统加工工艺中粗大树枝晶的生成，提高零件的机械性能。
(4)在TiB2/Al-20Si熔体凝固过程中，纳米TiB2增加硅相析出的异质形核点，阻碍凝固液相前沿析出硅相长大，使星状初生硅相明显减少，多角状初生硅相棱角钝化、边缘光滑，而且纤维状共晶硅组织也明显细化。本发明通过纳米TiB2对高硅铝合金组织中初生硅相和共晶硅相的细化和改性作用，可有效调整初生硅相和共晶硅相形貌和分布状态，显著提升Al-20Si的机械性能。
(5)经前期工艺优化获得选区激光熔化成形高硅铝合金的最优激光功率，通过改变激光扫描速度来调整激光能量密度。随着粉床激光能量输入变化，激光与粉床作用形成的熔池热力学和动力学特性也发生改变，通过合理选取激光工艺参数，调整激光能量输入，减少球化效应、孔隙、裂纹等冶金缺陷产生，获得组织致密、综合性能良好的TiB2/Al-20Si复合材料。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明做更进一步的具体说明，本发明的其它方面的优点将会变得更加清楚。
图1为实施例1中高能球磨工艺制备的纳米TiB2的TEM图像。
图2为实施例3中制得TiB2/Al-20Si复合粉体的SEM图像。
图3为实施例3中制得选区激光熔化纳米TiB2/Al-20Si复合材料试样的实物照片。
图4为实施例3中选区激光熔化成形纳米TiB2/Al-20Si复合材料试样的SEM图像。
图5为对比例1中选区激光熔化成形Al-20Si合金试样的SEM图像。
图6为对比例3中选区激光熔化成形微米TiB2/AlSi10Mg复合材料试样的SEM图像。
具体实施方式
根据下述实施例，可以更好地理解本发明。
以下实施例中，所用到的TiB2粉末原料为多角形微米TiB2粉末，粒径分布范围在1～5μm，纯度大于99.9%。Al-20Si合金粉末粒径为12～31μm，其中硅含量为19.2～20wt.%，铁含量为0.11%，余量为铝。
实施例1
(1)采用高能球磨工艺制备纳米TiB2陶瓷粉末，高能球磨设备为Pulverisette 6型单罐行星式高能球磨机，不锈钢球磨罐内球磨介质为直径为6mm和20mm的不锈钢磨球，球料比为10:1。当设备工作时，不锈钢球磨罐绕自轴以固定速度自转，同时又绕与自轴平行的固定轴线公转，球磨转速设定为250rpm，球磨时间为25h，在高能球磨过程中磨球与陶瓷粉末间相互碰撞、冲击使陶瓷相颗粒发生破碎，从而获得纳米TiB2陶瓷粉末。利用该高能球磨工艺制得的纳米TiB2粉末TEM图像如图1所示。
(2)将步骤(1)中制得的纳米TiB2陶瓷粉末按照1wt.%比例加入Al-20Si合金粉末中，进行球磨混粉制备TiB2/Al-20Si复合粉体。采用QM系列行星式球磨机内进行球磨混粉操作，该过程采用陶瓷罐，球磨介质为直径6mm和8mm的陶瓷磨球。球磨工艺参数设定为：球料比为2:1，球磨转速为150rpm，球磨时间为5h。同时为防止球磨罐内温度过高，球磨时设备运行模式选用间隔式，即设备每运行15min后暂停空冷5min。该球磨过程要求在氩气保护下进行，以防止铝合金粉末被氧化或污染。
(3)目标零件建模及切片处理
在计算机中使用Soildworks软件建立目标零件的三维实体几何模型，然后利用Magics软件对三维实体模型进行分层切片和扫描路径规划，将三维实体离散成一系列二维数据，将此文件保存并导入选区激光熔化成形设备中。其中激光工艺参数设定为：激光功率为450W，激光扫描速度为1800mm/s，扫描间距为50μm，铺粉厚度为50μm，采用分区岛状扫描策略，相邻层的激光扫描方向旋转角度为37°。
(4)选区激光熔化成形过程
将步骤(2)中制得的纳米陶瓷改性高硅铝合金粉体用于选区激光熔化成形。采用SLM-150型选区激光熔化设备，该系统主要包括YLR-500型光纤激光器、激光成形室、自动铺粉系统、保护气氛装置、计算机控制电路系统以及冷却循环系统。在成形前将经喷砂处理的铝基板固定在选区激光熔化成形设备工作台上并进行调平，然后通过密封装置将成形腔密封、抽真空并通入氩气保护气氛(氩气纯度为99.999%，出口压力为30mbar)，保证成形室内的O2含量低于10ppm。典型选区激光熔化成形过程如下：(a)铺粉装置将待加工粉末均匀铺放在成形基板上，激光束根据预先设计好的扫描路径对切片区域逐行进行扫描，使粉层发生快速熔融-固化，从而获得零件的第一个二维平面;(b)计算机控制系统使成形基板下降一个粉层厚度，相反地，使供粉缸活塞上升一个粉层厚度，铺粉装置重新铺设一层待加工粉末，激光束根据切片信息完成第二粉末层扫描以获得零件的第二个二维平面;(c)重复以上步骤，待加工粉体逐层成形直至零件加工完毕。
待冷却后，将成形基板从设备内取出，利用线切割工艺将零件与基板分离，获得纳米二硼化钛改性高硅铝合金试样。按照标准金相试样制备方法对纳米二硼化钛改性高硅铝合金块体试样进行打磨、抛光及腐蚀处理。
将获得的TiB2/Al-20Si标准拉伸试样进行室温拉伸试验，其抗拉强度可达409MPa。
实施例2
(1)采用高能球磨工艺制备纳米TiB2陶瓷粉末，高能球磨设备为Pulverisette 6型单罐行星式高能球磨机，不锈钢球磨罐内球磨介质为直径为6mm和20mm的不锈钢磨球，球料比为10:1。当设备工作时，不锈钢球磨罐绕自轴以固定速度自转，同时又绕与自轴平行的固定轴线公转，球磨转速设定为280rpm，球磨时间为23h，在高能球磨过程中磨球与陶瓷粉末间相互碰撞、冲击使陶瓷相颗粒发生破碎，从而获得纳米TiB2陶瓷粉末。
(2)将步骤(1)中制得的纳米TiB2陶瓷粉末按照10wt.%比例加入Al-20Si合金粉末中，进行球磨混粉制备TiB2/Al-20Si复合粉体。采用QM系列行星式球磨机内进行球磨混粉操作，该过程采用陶瓷罐，球磨介质为直径6mm和8mm的陶瓷磨球。球磨工艺参数设定为：球料比为2:1，球磨转速为200rpm，球磨时间为4h。同时为防止球磨罐内温度过高，球磨时设备运行模式选用间隔式，即设备每运行15min后暂停空冷5min。该球磨过程要求在氩气保护下进行，以防止铝合金粉末被氧化或污染。
(3)目标零件建模及切片处理
在计算机中使用Soildworks软件建立目标零件的三维实体几何模型，然后利用Magics软件对三维实体模型进行分层切片和扫描路径规划，将三维实体离散成一系列二维数据，将此文件保存并导入选区激光熔化成形设备中。其中激光工艺参数设定为：激光功率为450W，激光扫描速度为2000mm/s，扫描间距为50μm，铺粉厚度为50μm，采用分区岛状扫描策略，相邻层的激光扫描方向旋转角度为37°。
(4)选区激光熔化成形过程
将步骤(2)中制得的纳米陶瓷改性高硅铝合金粉体用于选区激光熔化成形。采用SLM-150型选区激光熔化设备，该系统主要包括YLR-500型光纤激光器、激光成形室、自动铺粉系统、保护气氛装置、计算机控制电路系统以及冷却循环系统。在成形前将经喷砂处理的铝基板固定在选区激光熔化成形设备工作台上并进行调平，然后通过密封装置将成形腔密封、抽真空并通入氩气保护气氛(氩气纯度为99.999%，出口压力为30mbar)，保证成形室内的O2含量低于10ppm。典型选区激光熔化成形过程如下：(a)铺粉装置将待加工粉末均匀铺放在成形基板上，激光束根据预先设计好的扫描路径对切片区域逐行进行扫描，使粉层发生快速熔融-固化，从而获得零件的第一个二维平面;(b)计算机控制系统使成形基板下降一个粉层厚度，相反地，使供粉缸活塞上升一个粉层厚度，铺粉装置重新铺设一层待加工粉末，激光束根据切片信息完成第二粉末层扫描以获得零件的第二个二维平面;(c)重复以上步骤，待加工粉体逐层成形直至零件加工完毕。
待冷却后，将成形基板从设备内取出，利用线切割工艺将零件与基板分离，获得纳米二硼化钛改性高硅铝合金试样。按照标准金相试样制备方法对纳米二硼化钛改性高硅铝合金块体试样进行打磨、抛光及腐蚀处理。
将获得的TiB2/Al-20Si标准拉伸试样进行室温拉伸试验，其抗拉强度可达472MPa。
实施例3
(1)采用高能球磨工艺制备纳米TiB2陶瓷粉末，高能球磨设备为Pulverisette 6型单罐行星式高能球磨机，不锈钢球磨罐内球磨介质为直径为6mm和20mm的不锈钢磨球，球料比为10:1。当设备工作时，不锈钢球磨罐绕自轴以固定速度自转，同时又绕与自轴平行的固定轴线公转，球磨转速设定为300rpm，球磨时间为20h，在高能球磨过程中磨球与陶瓷粉末间相互碰撞、冲击使陶瓷相颗粒发生破碎，从而获得纳米TiB2陶瓷粉末。
(2)将步骤(1)中制得的纳米TiB2陶瓷粉末按照2wt.%比例加入Al-20Si合金粉末中，进行球磨混粉制备TiB2/Al-20Si复合粉体。采用QM系列行星式球磨机内进行球磨混粉操作，该过程采用陶瓷罐，球磨介质为直径6mm和8mm的陶瓷磨球。球磨工艺参数设定为：球料比为2:1，球磨转速为250rpm，球磨时间为3h。同时为防止球磨罐内温度过高，球磨时设备运行模式选用间隔式，即设备每运行15min后暂停空冷5min。该球磨过程要求在氩气保护下进行，以防止铝合金粉末被氧化或污染。利用该球磨混粉制得的纳米TiB2/Al-20Si粉末的SEM图像如图2所示。
(3)目标零件建模及切片处理
在计算机中使用Soildworks软件建立目标零件的三维实体几何模型，然后利用Magics软件对三维实体模型进行分层切片和扫描路径规划，将三维实体离散成一系列二维数据，将此文件保存并导入选区激光熔化成形设备中。其中激光工艺参数设定为：激光功率为450W，激光扫描速度为2200mm/s，扫描间距为50μm，铺粉厚度为50μm，采用分区岛状扫描策略，相邻层的激光扫描方向旋转角度为37°。
(4)选区激光熔化成形过程
将步骤(2)中制得的纳米陶瓷改性高硅铝合金粉体用于选区激光熔化成形。采用SLM-150型选区激光熔化设备，该系统主要包括YLR-500型光纤激光器、激光成形室、自动铺粉系统、保护气氛装置、计算机控制电路系统以及冷却循环系统。在成形前将经喷砂处理的铝基板固定在选区激光熔化成形设备工作台上并进行调平，然后通过密封装置将成形腔密封、抽真空并通入氩气保护气氛(氩气纯度为99.999%，出口压力为30mbar)，保证成形室内的O2含量低于10ppm。典型选区激光熔化成形过程如下：(a)铺粉装置将待加工粉末均匀铺放在成形基板上，激光束根据预先设计好的扫描路径对切片区域逐行进行扫描，使粉层发生快速熔融-固化，从而获得零件的第一个二维平面;(b)计算机控制系统使成形基板下降一个粉层厚度，相反地，使供粉缸活塞上升一个粉层厚度，铺粉装置重新铺设一层待加工粉末，激光束根据切片信息完成第二粉末层扫描以获得零件的第二个二维平面;(c)重复以上步骤，待加工粉体逐层成形直至零件加工完毕，见图3。该选区激光熔化过程制得的纳米TiB2/Al-20Si复合材料试样显微组织，如图4所示。
待冷却后，将成形基板从设备内取出，利用线切割工艺将零件与基板分离，获得纳米二硼化钛改性高硅铝合金试样。按照标准金相试样制备方法对纳米二硼化钛改性高硅铝合金块体试样进行打磨、抛光及腐蚀处理。本例中纳米TiB2/Al-20Si复合材料试样的微观组织形貌如图4所示。
将获得的TiB2/Al-20Si标准拉伸试样进行室温拉伸试验，其抗拉强度可达494MPa。
对比例1
本对比例涉及一种基于选区激光熔化纳米陶瓷改性高硅铝合金的制备方法，其具体步骤与实施例3基本一致，不同之处在于：本对比例的步骤(1)(2)中，未以纳米TiB2为原料并利用球磨工艺制备纳米TiB2/Al-20Si复合粉体，而选用气雾化制备的近球形Al-20Si合金粉末为原材料，进行选区激光熔化成形，其显微组织如图5所示。对比图4和图5可发现，与纳米TiB2/Al-20Si复合材料相比，Al-20Si合金组织中星状和多角状初生硅相的数量明显增多且分散不均匀，呈现聚集状态，而纤维状共晶硅的尺寸明显增大，在脆性硅相聚集区或较大尺寸初生硅相的多角边缘处易出现应力集中，过早产生裂纹并扩展，从而降低材料的力学性能。
通过步骤(3)制得的Al-20Si合金标准拉伸试样进行室温拉伸试验，其抗拉强度可达357MPa。
对比例2
本对比例涉及一种基于选区激光熔化纳米陶瓷改性高硅铝合金的制备方法，其具体步骤与实施例3基本一致，不同之处在于：本对比例的步骤(2)中，纳米TiB2/Al-20Si复合粉体中TiB2纳米颗粒含量为25wt.%。本对比例中，由于纳米TiB2陶瓷的添加量过高，纳米颗粒发生团聚且使铝熔体的粘度明显增加，在随后凝固过程中粉末颗粒间隙缺乏充足熔体的填充从而形成孔隙缺陷，因此导致该试样的成形质量和性能严重降低。
对比例3
本对比例涉及一种基于选区激光熔化纳米陶瓷改性高硅铝合金的制备方法，其具体步骤与实施例3基本一致，不同之处在于：本对比例的步骤(1)(2)中，以微米TiB2和AlSi10Mg合金粉末为原材料，采用球磨工艺制备2wt.%TiB2/AlSi10Mg复合粉体，进行选区激光熔化成形，其微观组织如图6所示。对比图4和图6可发现，与纳米TiB2/Al-20Si复合材料相比，微米TiB2/AlSi10Mg复合材料中共晶硅组织明显粗化，这主要是因为相对于纳米陶瓷相，微米陶瓷相对铝基复合材料组织的细化程度较弱;同时较大尺寸陶瓷相增加了材料内部应力集中和断裂的倾向。本例所用铝合金中硅含量较低(低于铝硅合金共晶点12.6wt.%)，在铝合金熔体凝固过程中无均匀分布的细小块状初生硅相析出，从而降低复合材料的强度。
通过室温拉伸试验测得TiB2/AlSi10Mg复合材料的抗拉强度为444MPa。
由实施例1～3和对比例1～3可知，选区激光熔化成形纳米TiB2/Al-20Si复合材料试样的抗拉强度显著增加，机械性能明显改善，这主要归因于纳米TiB2对高硅铝合金组织中初生硅相和共晶硅相的细化和改性作用。与Al-20Si合金相比，纳米TiB2/Al-20Si复合材料中星状初生硅相明显减少，多角状初生硅相的棱角钝化、边缘光滑，而且纤维状共晶硅组织明显细化。纳米TiB2均匀分布于铝基体上，对高硅铝合金基体起到了弥散强化作用，而且TiB2陶瓷与铝合金的润湿性较好，使纳米TiB2陶瓷相与铝基体的界面结合紧密，进一步提高了材料的力学性能。
本发明提供了一种基于选区激光熔化纳米陶瓷改性高硅铝合金的思路及方法，具体实现该技术方案的方法和途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。
