本發(fā)明屬于增材制造技術(shù)和金屬基復(fù)合材料，具體涉及多尺度混雜顆粒增強鋁基復(fù)合材料，還涉及多尺度混雜顆粒增強鋁基復(fù)合材料的slm制備方法。

背景技術(shù)：

1、金屬基復(fù)合材料因其優(yōu)異的綜合力學性能，在眾多工業(yè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。傳統(tǒng)制備金屬基復(fù)合材料的方法主要有粉末冶金、壓力鑄造、擠壓等，存在以下問題：(1)工藝流程長，成本高；(2)材料利用率低，近凈成形能力差；(3)難以制備形狀復(fù)雜、內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜的構(gòu)件；(4)工藝參數(shù)易受設(shè)備、模具等限制，品質(zhì)穩(wěn)定性和可重復(fù)性差。

2、選擇性激光熔化(slm)作為一種新興的金屬3d打印技術(shù)，利用高能激光束逐層選擇性熔化金屬粉末，直接制造出三維復(fù)雜構(gòu)件。與傳統(tǒng)工藝相比，slm具有以下優(yōu)勢：(1)無需模具，可直接制造復(fù)雜異型構(gòu)件；(2)材料利用率高，廢料少；(3)生產(chǎn)周期短，小批量定制化生產(chǎn)成本低；(4)激光熔化、快速凝固形成細小均勻的晶粒，力學性能優(yōu)異。因此，slm技術(shù)在航空航天、生物醫(yī)療等高端制造領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。

3、然而，slm成形鋁合金面臨以下技術(shù)難題：(1)鋁合金導(dǎo)熱系數(shù)大，激光能量利用率低；(2)鋁合金在slm過程中易發(fā)生燒結(jié)球化、熱裂紋等缺陷；(3)slm成形件內(nèi)部易殘留孔洞、未熔合等缺陷，致密度難以保證；(4)單一增強體難以同時提高強度、韌性和硬度。因此，亟需開發(fā)一種可slm成形的高性能鋁基復(fù)合材料體系。

4、目前鋁合金增強改性的常用方法是加入硬質(zhì)顆粒，如陶瓷、金屬間化合物等。已報道的增強顆粒有很多種，尤其是昂貴的金剛石、碳納米管(cnt)、石墨烯等碳材料也常被用作鋁合金的增強體。然而，傳統(tǒng)的增強方法大多采用單一種類、單一尺度的顆粒，或者兩種但不具備多尺度級配特征的較單一強化機制來提高復(fù)合材料的力學性能，難以兼顧強度、韌性、硬度等多種性能需求。

5、以往的研究工作多集中在微米級顆粒增強方面，而忽視了納米、亞微米等不同尺度顆粒的復(fù)合增強效應(yīng)。僅有少數(shù)研究涉及納米顆粒增強，但存在分散不均勻、團聚嚴重等問題，難以充分發(fā)揮納米增強效果，制約了其在工業(yè)領(lǐng)域的推廣應(yīng)用。這主要是由于納米顆粒比表面積大，表面能高，極易團聚。如何在制備過程中實現(xiàn)納米顆粒的均勻分散是一大挑戰(zhàn)。

6、此外，slm成形工藝參數(shù)(如激光功率、掃描速度、掃描間距等)對成形件質(zhì)量有決定性影響。然而，傳統(tǒng)的參數(shù)優(yōu)化大多針對單一材料體系，很少考慮復(fù)合材料的成形特點。不同增強顆粒的加入必然影響基體的熔化、凝固、致密化行為，需要開展針對性研究，優(yōu)化工藝窗口，才能獲得高性能的slm增材制造復(fù)合材料構(gòu)件。

7、綜上所述，單一增強體系的性能提升空間有限，亟需開發(fā)多組分、多尺度復(fù)合增強新體系。同時，要攻克納米顆粒均勻分散和slm成形工藝優(yōu)化的難題，推動高性能鋁基復(fù)合材料的3d打印制備和工程化應(yīng)用。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的第一個目的是提供多尺度混雜顆粒增強鋁基復(fù)合材料，該材料為高強度、高韌性、高硬度的鋁基復(fù)合材料。

2、本發(fā)明的第二個目的是提供多尺度混雜顆粒增強鋁基復(fù)合材料的slm制備方法，通過顆粒含量優(yōu)化、粉體制備工藝創(chuàng)新和slm工藝參數(shù)優(yōu)選，獲得高強度、高韌性、高硬度的鋁基復(fù)合材料，并實現(xiàn)其增材制造。

3、本發(fā)明所采用的第一個技術(shù)方案是，多尺度混雜顆粒增強鋁基復(fù)合材料，由以下原料粉末按照質(zhì)量百分比組成：alsi10mg霧化粉末70～98.5％、微米級al2o3粉末0.5～20％、納米級al2o3粉末0.5～20％、亞微米級sic粉末0.5～20％，以上組分質(zhì)量百分比之和為100％。

4、本發(fā)明的特征還在于：

5、微米al2o3粉末的平均粒徑為1μm～10μm，納米al2o3粉末的平均粒徑為10nm～100nm，亞微米sic粉末的平均粒徑為0.1μm～1μm。

6、本發(fā)明所采用的第二個技術(shù)方案是，多尺度混雜顆粒增強鋁基復(fù)合材料的制備方法，包括以下步驟：

7、步驟1：按質(zhì)量百分比分別稱取：alsi10mg霧化粉末70～98.5％、微米級al2o3粉末0.5～20％、納米級al2o3粉末0.5～20％、亞微米級sic粉末0.5～20％，以上組分質(zhì)量百分比之和為100％；

8、步驟2：制備slm用復(fù)合粉末；

9、步驟3：采用選區(qū)激光熔化成形系統(tǒng)(slm成形系統(tǒng))制備多尺度混雜顆粒增強鋁基復(fù)合材料。

10、本發(fā)明的特征還在于：

11、步驟2具體為：

12、步驟2.1：將步驟1稱量好的微米級al2o3粉末、納米級al2o3粉末及亞微米級sic粉末依次加入無水乙醇介質(zhì)中，固液比1：(1～5)，超聲分散并機械攪拌得到陶瓷懸浮液；

13、步驟2.2：將alsi10mg粉末與步驟2.1得到陶瓷懸浮液混合，加入直徑分別為10mm、15mm、20mm的瑪瑙球或氧化鋯球，球料比為1～3：1，采用行星式球磨機低能球磨；采取"間歇式正反轉(zhuǎn)"球磨方式，具體為：正轉(zhuǎn)5min～30min，停止5min～30min，反轉(zhuǎn)5min～30min，如此循環(huán)，直至總時間達到5h～8h；球磨后將粉體在30℃～80℃下烘干，過篩，得到slm用復(fù)合粉末。步驟2.1中，在無水乙醇中先分散納米al2o3?10min～30min，再加入亞微米sic繼續(xù)分散10min～30min，最后加入微米al2o3并分散10min～30min；超聲功率100w～500w，總分散時間10min～60min。步驟2.2中，直徑為10mm、15mm及20mm三種規(guī)格的瑪瑙球或氧化鋯球采用2:3:5的質(zhì)量配比，球磨時間為2h～8h；轉(zhuǎn)速100rpm～400rpm。步驟3中：選區(qū)激光熔化成形系統(tǒng)中激光功率p、掃描速度v、掃描間距h三個關(guān)鍵參數(shù)分別為180w～280w，600mm/s～800mm/s，50μm～90μm；采用棋盤格分區(qū)掃描，分區(qū)尺寸1.5mm～3.5mm×1.5mm～3.5mm，每層掃描方向交錯30o～90o，將基板預(yù)熱至100℃～300℃，成形室充入高純氬氣保護，氧含量控制在0.1％以下。

14、本發(fā)明的有益效果是：

15、(1)本發(fā)明方法采用微米al2o3、納米al2o3及亞微米sic這三種尺度、兩種al2o3成分的增強顆粒制備alsi10mg基復(fù)合材料，利用多組分、多尺度協(xié)同增強機制，在提高材料強度(≥400mpa)、硬度(≥180hv0.3)的同時，保證優(yōu)異的韌性(≥5％)，拓展了鋁基復(fù)合材料的性能調(diào)控空間，為其在航空航天、汽車、電子等行業(yè)的輕量化應(yīng)用提供了新思路。且與常用的cnt、石墨烯等增強體相比，al2o3和sic陶瓷顆粒可顯著降低復(fù)合材料成本。

16、(2)本發(fā)明方法采用超聲分散結(jié)合低能球磨的"兩步法"制備復(fù)合粉體，解決了納米al2o3和亞微米sic顆粒的均勻分散難題。先將三種陶瓷顆粒在乙醇介質(zhì)中進行梯度超聲分散，利用乙醇分子的空化效應(yīng)和"以小帶大"機制，抑制納米顆粒團聚；再與alsi10mg粉末進行低能球磨，采用間歇式正反轉(zhuǎn)模式，避免過度冷焊。與傳統(tǒng)球磨工藝相比，所制備復(fù)合粉體的顆粒均勻性、松裝密度、流動性等指標顯著提高。該方法可減少slm成形缺陷，降低粉末制備成本，具有顯著的工藝優(yōu)勢和應(yīng)用價值。

17、(3)本發(fā)明方法采用優(yōu)化slm工藝參數(shù)，獲得高致密(≥97.5％)、細晶(≤5μm)的近終形件。激光功率、掃描速度、掃描間距分別控制在180～280w、600～800mm/s、50～90μm范圍，在保證充分熔化的同時，避免材料燒損和氣孔缺陷。采用分區(qū)、交錯掃描，預(yù)熱基板至100～300℃，ar氣氛保護，可減小殘余應(yīng)力，防止開裂。與未優(yōu)化參數(shù)相比，致密度提高2％以上，強度、韌性、硬度分別提高25％、30％和15％。與常規(guī)制造方法(如鑄造)相比，slm成形的復(fù)合材料綜合力學性能提高30％以上。

18、(4)本發(fā)明復(fù)合材料與單一微米級al2o3顆粒增強相比，多尺度混雜al2o3/sic協(xié)同增強體系的力學性能全面提高，強度、斷裂伸長率、硬度分別提高20％、50％、10％，且成本降低10％以上。與cnt、石墨烯等碳基增強體相比，本發(fā)明采用al2o3、sic陶瓷顆粒，可使復(fù)合材料成本降低50％以上，且分散性、界面結(jié)合力、可加工性等方面優(yōu)勢明顯。因此，本發(fā)明在降低成本的同時實現(xiàn)了alsi10mg基復(fù)合材料的性能提升，極大拓展了其應(yīng)用空間。

19、綜上所述，本發(fā)明從材料、工藝、性能、成本等方面系統(tǒng)提升了alsi10mg基復(fù)合材料的制備水平和應(yīng)用價值，在輕量化、集成化制造等方面展現(xiàn)出巨大優(yōu)勢，對推動金屬基復(fù)合材料在航空航天、汽車、電子等行業(yè)的3d打印應(yīng)用具有重要意義。