本發(fā)明屬于3D打印材料領(lǐng)域，具體涉及一種金屬基復(fù)合3D打印材料，并進(jìn)一步涉及該金屬基3D打印材料的制備方法。
背景技術(shù)：
：鋁合金是工業(yè)中應(yīng)用最廣泛的一類有色金屬結(jié)構(gòu)材料，在航空、航天、汽車、機(jī)械制造、船舶及化學(xué)工業(yè)中已大量應(yīng)用，目前鋁合金是應(yīng)用最多的合金。單晶藍(lán)寶石晶須(SinglecrystalsapphireWhisker，亦稱單晶藍(lán)寶石纖維)是一種具有一定長(zhǎng)徑比的單晶氧化鋁晶須，具有超強(qiáng)機(jī)械強(qiáng)度、抗熱沖擊、比重小、抗氧化、高耐磨量和高耐腐蝕性等優(yōu)異的物理性能。單晶藍(lán)寶石晶須適合作為陶瓷、金屬、塑料及橡膠的增強(qiáng)組元。因此，單晶藍(lán)寶石晶須成為第三代先進(jìn)復(fù)合材料的最佳選擇。3D打印技術(shù)的原理是疊層制造，逐層增加材料來(lái)生成三維實(shí)體的技術(shù)，所以又被稱為增材制造技術(shù)。不但客服了傳統(tǒng)減材制造的浪費(fèi)和損耗，而且使產(chǎn)品制造精準(zhǔn)化，高效化，智能化。特別是涉及到復(fù)雜形狀的高端產(chǎn)品，3D打印技術(shù)顯示出巨大的優(yōu)越性。被譽(yù)為顛覆傳統(tǒng)制造業(yè)的第三次工業(yè)革命，被列入我國(guó)戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)。但是由于3D打印技術(shù)是對(duì)傳統(tǒng)制造模式的顛覆，3D打印材料成為3D打印技術(shù)的瓶頸，限制了3D打印技術(shù)的發(fā)展，同時(shí)這也成為3D打印技術(shù)的創(chuàng)新點(diǎn)和難點(diǎn)。3D打印主流成型技術(shù)包括選擇性激光燒結(jié)（SLS）、熔融沉淀成型（FDM）、立體光固化（SLA）等。金屬粉末作為3D打印原料，主要采用選擇性激光燒結(jié)。選擇性激光燒結(jié)技術(shù)是用高能量束（激光、電子束）作為熱源，對(duì)粉末進(jìn)行選區(qū)熔化，冷卻后連續(xù)堆積，最終形成產(chǎn)品，由于金屬通常熔點(diǎn)較高，又容易被氧化，這樣會(huì)影響產(chǎn)品的強(qiáng)度。熔融的金屬材料在凝固過(guò)程中體積收縮，會(huì)造成巨大的熱應(yīng)力，這也會(huì)影響材料的強(qiáng)度。另一方面，由于金屬粉末粒徑分布不均，冷卻結(jié)晶過(guò)程復(fù)雜且難以控制，會(huì)出現(xiàn)晶體長(zhǎng)大和枝晶等，必將降低材料的力學(xué)性能，導(dǎo)致構(gòu)建產(chǎn)品無(wú)法獲得高端應(yīng)用。中國(guó)發(fā)明專利CN201510138884.1公開了一種使用激光3D打印技術(shù)制備鋁合金結(jié)構(gòu)件的材料及方法，采用CAD三維實(shí)體模型切片技術(shù)，數(shù)字編程技術(shù)，激光快速成型技術(shù)，在鋁合金的基體上通過(guò)激光束快速熔化、凝固“多層熔覆堆積”從零件數(shù)字模型完成鋁合金結(jié)構(gòu)件。通過(guò)直接球磨混合的方式混合粉料，含氧量高，粉體球形度低，熔融溫度高，金屬粉顆粒不均。在3D打印融化不均，在凝固時(shí)就會(huì)造成體積收縮，造成材料結(jié)構(gòu)缺陷，強(qiáng)度受損。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：本發(fā)明的目的在于提供一種金屬基復(fù)合3D打印材料及其制備方法，在鋁合金中加入單晶藍(lán)寶石晶須后，可以顯著提高3D打印材料的球形度，降低氧含量，同時(shí)提高3D打印制品在高溫下的彎曲彈性模量、抗拉強(qiáng)度，具有高強(qiáng)度、耐高溫、抗氧化、耐腐蝕等多種性能，主要應(yīng)用在航空航天、汽車制造等行業(yè)中，制作功能性原型件，用于結(jié)構(gòu)驗(yàn)證和設(shè)計(jì)驗(yàn)證。為實(shí)現(xiàn)以上目的，本發(fā)明的技術(shù)方案為：一種金屬基復(fù)合3D打印材料，包括按重量計(jì)的如下組分：鋁合金基體100重量份單晶藍(lán)寶石晶須1~50重量份穩(wěn)定劑1~20重量份；所述鋁合金基體的成分包括Al、Fe和Si。各組分優(yōu)選重量份數(shù)如下：鋁合金基體100重量份單晶藍(lán)寶石晶須1~30重量份穩(wěn)定劑1~10重量份。進(jìn)一步優(yōu)選，鋁合金基體的成分包括Al、Fe、Cu、Mn、Mg、Ni、Zn、Pb、Sn、Ti、Si。進(jìn)一步優(yōu)選，鋁合金基體的成分中Al、Fe、Cu、Mn、Mg、Ni、Zn、Pb、Sn、Ti、Si的重量分?jǐn)?shù)分別為：Al:85-92,Fe:0.5,Cu:0.05,Mn:0.04,Mg:0.3,Ni:0.04,Zn:0.1,Pb:0.05,Sn:0.01,Ti:0.01,Si:5-12。進(jìn)一步優(yōu)選：鋁合金基體的成分分別為：Al:89.9,Fe:0.5,Cu:0.05,Mn:0.04,Mg:0.3,Ni:0.04,Zn:0.1,Pb:0.05,Sn:0.01,Ti:0.01,Si:9；或Al:88.9,Fe:0.5,Cu:0.05,Mn:0.04,Mg:0.3,Ni:0.04,Zn:0.1,Pb:0.05,Sn:0.01,Ti:0.01,Si:10。所述單晶藍(lán)寶石晶須為直徑0.1~0.5μm，長(zhǎng)度為5~10μm，密度為4g/cm3，純度（wt%）為90-99.9%的單晶藍(lán)寶石晶須。所述穩(wěn)定劑為Ce2O3、Sm2O3中的任一種或兩者的混合物。一種金屬基復(fù)合3D打印材料的制備方法包括：（1）將單晶藍(lán)寶石晶須和穩(wěn)定劑加入無(wú)水乙醇中以500~750r/min攪拌3~15h后，超聲分散10~30min。單晶藍(lán)寶石晶須和穩(wěn)定劑總質(zhì)量與無(wú)水乙醇的質(zhì)量比為1:1~10（2）將分散好的單晶藍(lán)寶石晶須和穩(wěn)定劑的混合液冷凍干燥得到分散均勻的單晶藍(lán)寶石晶須和穩(wěn)定劑混合粉末，備用。（3）母材熔化：將鋁合金基體棒材裝入坩堝內(nèi)，置于霧化制粉爐中，在低于0.1Pa的真空下采用中頻感應(yīng)加熱基體棒材。（4）脫氣：基體棒材完全熔化后，真空脫氣10~15min。（5）保溫：向霧化氣氛爐內(nèi)充入高純氬氣，并在650~800℃溫度范圍內(nèi)保溫5~10min，得到精煉的母合金熔液。所述高純氬氣純度為99.999wt%，氧含量低于10ppm。（6）混合霧化：將上述熔融母合金熔液以5~25g/s的質(zhì)量流經(jīng)導(dǎo)管流下，用高純氬氣將金屬熔液流破碎成細(xì)小液滴，同時(shí)另外一個(gè)導(dǎo)管用1~10g/s的流量將單晶藍(lán)寶石晶須和穩(wěn)定劑的混合物均勻送至導(dǎo)管口與金屬細(xì)小液滴混合，經(jīng)過(guò)冷卻和凝固形成球形粉末。（7）篩分：待粉末完全冷卻后，在高純氬氣下篩分，篩分粒徑在50μm以下的粉末進(jìn)行真空包裝，得到金屬基復(fù)合3D打印材料。本發(fā)明的有益效果是：（1）本發(fā)明的一種金屬基3D打印材料具有高強(qiáng)度、耐高溫、抗氧化、耐腐蝕等多種性能，主要應(yīng)用在航空航天、汽車制造等行業(yè)中，制作功能性原型件，用于結(jié)構(gòu)驗(yàn)證和設(shè)計(jì)驗(yàn)證；（2）本發(fā)明的一種金屬基3D打印材料含氧量低，球形度高，粒徑分布窄，流動(dòng)性較好，與3D打印機(jī)成型速度匹配性較好；產(chǎn)品性質(zhì)穩(wěn)定，精度高。（3）本發(fā)明的一種金屬基3D打印材料過(guò)程簡(jiǎn)單，易于工業(yè)化生產(chǎn)，而且具有良好的環(huán)境效益和經(jīng)濟(jì)效益。具體實(shí)施方式通過(guò)實(shí)施例進(jìn)一步詳述本發(fā)明。實(shí)施例1（1）將10g單晶藍(lán)寶石晶須和10gCe2O3加入30ml無(wú)水乙醇中，以500~750r/min攪拌3h后，超聲分散10~30min。（2）將分散好的單晶藍(lán)寶石晶須和穩(wěn)定劑的混合液冷凍干燥得到分散均勻的單晶藍(lán)寶石晶須和穩(wěn)定劑混合粉末備用。（3）母材熔化：將1000g鋁合金基體棒材裝入坩堝內(nèi)，置于霧化制粉爐中，在低于0.1Pa的真空下采用中頻感應(yīng)加熱基體棒材。（4）脫氣：基體棒材完全熔化后，真空脫氣10~15min。（5）保溫：向霧化氣氛爐內(nèi)充入高純氬氣，并在650℃溫度范圍內(nèi)保溫5~10min，得到精煉的母合金熔液。（6）混合霧化：將上述熔融母合金熔液以5~25g/s的質(zhì)量流經(jīng)導(dǎo)管流下，用高純氬氣將金屬熔液流破碎成細(xì)小液滴，同時(shí)另外一個(gè)導(dǎo)管用1~10g/s的流量將單晶藍(lán)寶石晶須和穩(wěn)定劑的混合物均勻送至導(dǎo)管口與金屬細(xì)小液滴混合，經(jīng)過(guò)冷卻和凝固形成球形粉末。（7）篩分：待粉末完全冷卻后，在高純氬氣下篩分，篩分粒徑在50μm以下的粉末進(jìn)行真空包裝，得到實(shí)施例1的金屬基復(fù)合3D打印材料。實(shí)施例2（1）將50g單晶藍(lán)寶石晶須和20gSm2O3加入150ml無(wú)水乙醇中，以500~750r/min攪拌5h后，超聲分散10~30min。（2）將分散好的單晶藍(lán)寶石晶須和穩(wěn)定劑的混合液冷凍干燥得到分散均勻的單晶藍(lán)寶石晶須和穩(wěn)定劑混合粉末備用。（3）母材熔化：將1000g鋁合金基體棒材裝入坩堝內(nèi)，置于霧化制粉爐中，在低于0.1Pa的真空下采用中頻感應(yīng)加熱基體棒材。（4）脫氣：基體棒材完全熔化后，真空脫氣10~15min。（5）保溫：向霧化氣氛爐內(nèi)充入高純氬氣，并在700℃溫度范圍內(nèi)保溫5~10min，得到精煉的母合金熔液。（6）混合霧化：將上述熔融母合金熔液以5~25g/s的質(zhì)量流經(jīng)導(dǎo)管流下，用高純氬氣將金屬熔液流破碎成細(xì)小液滴，同時(shí)另外一個(gè)導(dǎo)管用1~10g/s的流量將單晶藍(lán)寶石晶須和穩(wěn)定劑的混合物均勻送至導(dǎo)管口與金屬細(xì)小液滴混合，經(jīng)過(guò)冷卻和凝固形成球形粉末。（7）篩分：待粉末完全冷卻后，在高純氬氣下篩分，篩分粒徑在50μm以下的粉末進(jìn)行真空包裝，得到實(shí)施例2的金屬基復(fù)合3D打印材料。實(shí)施例3（1）將150g單晶藍(lán)寶石晶須和40gCe2O3加入1000ml無(wú)水乙醇中，以500~750r/min攪拌5h后，超聲分散10~30min。（2）將分散好的單晶藍(lán)寶石晶須和穩(wěn)定劑的混合液冷凍干燥得到分散均勻的單晶藍(lán)寶石晶須和穩(wěn)定劑混合粉末備用。（3）母材熔化：將1000g鋁合金基體棒材裝入坩堝內(nèi)，置于霧化制粉爐中，在低于0.1Pa的真空下采用中頻感應(yīng)加熱基體棒材。（4）脫氣：基體棒材完全熔化后，真空脫氣10~15min。（5）保溫：向霧化氣氛爐內(nèi)充入高純氬氣，并在700℃溫度范圍內(nèi)保溫5~10min，得到精煉的母合金熔液。（6）混合霧化：將上述熔融母合金熔液以5~25g/s的質(zhì)量流經(jīng)導(dǎo)管流下，用高純氬氣將金屬熔液流破碎成細(xì)小液滴，同時(shí)另外一個(gè)導(dǎo)管用1~10g/s的流量將單晶藍(lán)寶石晶須和穩(wěn)定劑的混合物均勻送至導(dǎo)管口與金屬細(xì)小液滴混合，經(jīng)過(guò)冷卻和凝固形成球形粉末。（7）篩分：待粉末完全冷卻后，在高純氬氣下篩分，篩分粒徑在50μm以下的粉末進(jìn)行真空包裝，得到實(shí)施例3的金屬基復(fù)合3D打印材料。實(shí)施例4（1）將200g單晶藍(lán)寶石晶須和100gCe2O3加入1500ml無(wú)水乙醇中，以500~750r/min攪拌5h后，超聲分散10~30min。（2）將分散好的單晶藍(lán)寶石晶須和穩(wěn)定劑的混合液冷凍干燥得到分散均勻的單晶藍(lán)寶石晶須和穩(wěn)定劑混合粉末備用。（3）母材熔化：將1000g鋁合金基體棒材裝入坩堝內(nèi)，置于霧化制粉爐中，在低于0.1Pa的真空下采用中頻感應(yīng)加熱基體棒材。（4）脫氣：基體棒材完全熔化后，真空脫氣10~15min。（5）保溫：向霧化氣氛爐內(nèi)充入高純氬氣，并在800℃溫度范圍內(nèi)保溫5~10min，得到精煉的母合金熔液。（6）混合霧化：將上述熔融母合金熔液以5~25g/s的質(zhì)量流經(jīng)導(dǎo)管流下，用高純氬氣將金屬熔液流破碎成細(xì)小液滴，同時(shí)另外一個(gè)導(dǎo)管用1~10g/s的流量將單晶藍(lán)寶石晶須和穩(wěn)定劑的混合物均勻送至導(dǎo)管口與金屬細(xì)小液滴混合，經(jīng)過(guò)冷卻和凝固形成球形粉末。（7）篩分：待粉末完全冷卻后，在高純氬氣下篩分，篩分粒徑在50μm以下的粉末進(jìn)行真空包裝，得到實(shí)施例4的金屬基復(fù)合3D打印材料。實(shí)施例5（1）將300g單晶藍(lán)寶石晶須和80gSm2O3加入3000ml無(wú)水乙醇中，以500~750r/min攪拌15h后，超聲分散10~30min。（2）將分散好的單晶藍(lán)寶石晶須和穩(wěn)定劑的混合液冷凍干燥得到分散均勻的單晶藍(lán)寶石晶須和穩(wěn)定劑混合粉末備用。（3）母材熔化：將1000g鋁合金基體棒材裝入坩堝內(nèi)，置于霧化制粉爐中，在低于0.1Pa的真空下采用中頻感應(yīng)加熱基體棒材。（4）脫氣：基體棒材完全熔化后，真空脫氣10~15min。（5）保溫：向霧化氣氛爐內(nèi)充入高純氬氣，并在800℃溫度范圍內(nèi)保溫5~10min，得到精煉的母合金熔液。（6）混合霧化：將上述熔融母合金熔液以5~25g/s的質(zhì)量流經(jīng)導(dǎo)管流下，用高純氬氣將金屬熔液流破碎成細(xì)小液滴，同時(shí)另外一個(gè)導(dǎo)管用1~10g/s的流量將單晶藍(lán)寶石晶須和穩(wěn)定劑的混合物均勻送至導(dǎo)管口與金屬細(xì)小液滴混合，經(jīng)過(guò)冷卻和凝固形成球形粉末。（7）篩分：待粉末完全冷卻后，在高純氬氣下篩分，篩分粒徑在50μm以下的粉末進(jìn)行真空包裝，得到實(shí)施例5的金屬基復(fù)合3D打印材料。將實(shí)施例1-5制備的金屬基復(fù)合3D打印材料分別進(jìn)行性能測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如下：實(shí)施案例中金屬基復(fù)合3D打印材料的性能參數(shù)平均粒徑（μm）球形度（%）含氧量（ppm）硬度（HBW）實(shí)施例14580213125實(shí)施例24885225137實(shí)施例34290246128實(shí)施例44387254131實(shí)施例54585233129通過(guò)以上數(shù)據(jù)表明，本發(fā)明制備的金屬基復(fù)合3D打印材料含氧量低，球形度高，粒徑分布窄，流動(dòng)性較好，硬度高。以上顯示和描述了本發(fā)明的基本原理、主要特征和本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)，本行業(yè)的技術(shù)人員應(yīng)該了解，本發(fā)明不受上述實(shí)施例的限制，上述實(shí)施例和說(shuō)明書中描述的只是說(shuō)明本發(fā)明的原理，在不脫離本發(fā)明精神和范圍的前提下本發(fā)明還會(huì)有各種變化和改進(jìn)，這些變化和改進(jìn)都落入要求保護(hù)的本發(fā)明范圍內(nèi)。本發(fā)明要求保護(hù)范圍由所附的權(quán)利要求書及其等同物界定。當(dāng)前第1頁(yè)1 2 3