国内铝基纳米复合材料的3D打印制备方法举例

     随着对高性能的轻质合金材料的需求越来越强烈，特别是在航空航天、汽车、医疗等领域，对于新颖的金属基复合材料的设计与制备正得到越来越多研究者的关注。传统的铝硅合金由于在比强度、耐磨损性能以及热膨胀系数等方面具有显著的优势而受到广泛关注，但无论如何其性能也已不能满足于现有的需求。

     借助颗粒增强获得的铝硅基复合材料可显著提高传统的铝硅合金的力学性能，已经被广泛的研究并在实际工程中获得应用，这其中常用的增强体包括Al2O3、TiC、TiB、SiC等。用于激光增材制造的金属材料包括了不锈钢、工具钢、钛合金、镍基高温合金、Co-Cr-Mo合金、铝合金等，但对于金属基复合材料的激光增材制造研究还相对较少。 本期，我们一起来领略南京航空航天大学在铝基纳米复合材料的3D打印制备方法的成果。

    目前对于激光增材制造的颗粒增强铝基复合材料，在成形加工过程中主要面临这样一些问题：

- 由于铝对激光具有很高的激光反射率，通常低功率激光器难以使得铝合金发生完全熔化，增强颗粒的加入能够在程度上提高粉体对激光的吸收率，但增强颗粒加入过多则会导致材料延伸性能下降；

- 研究表明，降低增强体的颗粒尺寸达到纳米级可以有效提高金属基复合材料的机械性能，如提高强度和减少裂纹，但是当增强颗粒的尺寸减小至纳米尺度时，颗粒之间会因强烈的范德瓦尔力以及极大的表面张力而紧密地团聚在一起，从而很不利于增强颗粒在基体中的均匀分散，在激光增材制造过程中，所形成熔池中特有的Marongoni流可以起到均匀分散第二相的作用，但该Marangoni流又与熔池的温度场紧密相连；

- 由于通常加入的增强颗粒为陶瓷相，而陶瓷相与基体相之间的润湿性很差，同时它们之间的热膨胀系数差异也往往较大，这就导致在成形过程中形成的液相不能均匀铺展，同时在随后的凝固过程中产生较大的收缩应力而出现裂纹。

    为解决上述存在的技术问题，南京航空航天大学提供一种基于SLM成形的铝基纳米复合材料，用于激光增材技术领域，有效的解决铝基纳米复合材料在激光增材过程中工艺性能与力学性能不匹配、增强颗粒分布不均匀以及陶瓷相与基材相之间润湿性较差的问题，使得所获得的产品具备良好的界面结合以及优异的力学性能。

    南京航空航天大学对于铝基纳米复合材料的加工是在高纯氩气保护气氛环境中进行的，成形过程中维持在正压0.9-1.2atm。加工过程中，加工参数和粉体性能是影响激光最终成形件的两个最主要因素。从粉体成分角度考虑，稀土元素和陶瓷颗粒的添加必然会增强铝合金粉体对激光的吸收率，从而可保证在的激光功率下熔池具有充足的液相量。一方面，添加的陶瓷相其粒径大小、密度以及质量分数均会影响到激光吸收率。另一方面，激光成形工艺参数同样会显著影响到铝基纳米复合材料成形过程中熔池的热动力学特性以及随后的显微组织和性能。

针对这些因素的考虑，南京航空航天大学的方案具有如下优点：

- 精当的比例 
   粉末成分包括了铝硅合金粉末、稀土相和陶瓷相，其中稀土相为La、Nd、Sm或Y中的任意一种，所选择的这些稀土元素按照其热物性(熔点、热膨胀系数和表面张力)处于基体相和增强相之间的原则进行选取，保证了在激光加工过程中陶瓷增强相与基体之间良好的润湿性能和避免因热物性差异过大而导致在凝固过程中的开裂情况，其含量控制在0.3-0.8wt％，避免加入过多导致性能恶化；陶瓷颗粒选用碳化物，旨在成形过程中产生原位反应，改善界面结构，在尺寸方面选择纳米尺寸，则借助小尺寸和表界面效应有效提高材料的强韧性，此外陶瓷相的添加还可有效提高粉末对激光的吸收率，提高粉末的加工性能，但其添加含量需控制在4-6wt％，保证材料不会因增强相的过高而引起延展性下降。

- 梯度界面层
铝基纳米复合材料在增强相与基体相之间形成一定厚度的梯度界面层，从基体相到增强相Al及稀土元素成分呈现梯度变化，在加载过程中，增强颗粒处往往容易造成应力集中而导致开裂情况，但这种梯度界面层的存在则有效缓解了应力集中的发生，从而对材料起到了强韧化的作用；同时增强颗粒由于稀土元素的加入变得更加的细小和圆润，也减小了材料内部在加载中发生应力集中的几率。

- 均匀的粉体
    利用高能球磨作用实现对陶瓷增强相和稀土相的包覆作用，借助二次球磨作用，有效获取满足于SLM成形工艺的粉体，即具有良好的流动性、球形度以及均匀的成分分布、较窄的粒径分布，该粉体制备方法简单、操作简便。

-控制有效体能量密度
   通过优化SLM成形中有效体能量密度来控制获得良好的成形质量，有效体能量密度的作用体现在对激光加工中熔池的稳定性、温度场、流场以及伴随的激光显微组织结构的影响，综合的反映了粉体物性和加工参数这两者对SLM加工过程的影响。南京航空航天大学的制造工艺所形成的熔池具有很好的稳定性，成形件表面具有光滑并呈现出波纹状的熔道轨迹，同时几乎看不到球化效应并获得近全致密的结构。显微组织分析表明增强颗粒得到均匀的弥散分布，基体晶粒细小并呈胞状结构生长。

Clyne TW, Withers P J. An Introduction to metal Matrix Composites.Cambridge University Press

文章来源：3D科学谷