探索金属3D打印原料 | 铝基纳米复合材料

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。 

- 激光吸收率低，熔化不完全

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；

- 增强颗粒分散均匀性差

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；

- 成形过程易产生裂纹

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，导致成形过程中形成的液相不能均匀铺展，随后凝固过程中产生较大的收缩应力而出现裂纹。

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，有效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。

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。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。

- 精当的比例
粉末成分包括：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；

陶瓷颗粒选用碳化物，旨在成形过程中改善界面结构；

在尺寸方面利用行星式球磨机将原料处理至纳米尺寸，则借助小尺寸和表界面效应有效提高材料的强韧性；

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。

- 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。

采用高能球磨法，适当控制球磨条件可以制备出纳米相增强铝基复合粉末，再采用热挤压、热等静压等技术加压可制成各种块体纳米相增强铝基复合材料制品。具有成本低、产量高、工艺简单易行等特点。

① 运用高能球磨法合成出一系列铝基纳米复合材料:CeOz/Al, NiO/Al ,CeOz/Al一Ni等多种功能复合材料。分析结果表明，纳米颗粒在铝(或铝合金)基体中呈单分散状态，这种优异的复合效果迄今为止鲜见有文献报导。

② 在低温条件下采用球磨+热压的方法制取了纳米陶瓷颗粒分布均匀且力学性能优良的铝基复合材料，所得到的纳米颗粒尺寸均匀、显微结构稳定。

③ K. D. Woo与D. L. Zhang合作采用高能球磨法成功得到纳米SiC颗粒增强Al-7C/o Si-0. 4% Mg(质量分数)复合材料。由于高能球磨过程中提高了混合粉末的扩散速率，引起烧结过程中粉末的烧结率也加快了，烧结后的显微结构表明:其颗粒尺寸与用混合粉末直接烧结的颗粒相比明显变小，烧结体的硬度也大大提高。

使用Pulverisette 7 加强型行星式球磨仪对陶瓷颗粒增强型铝基复合材料进行研磨制备，在表面活性剂作用下湿法研磨5小时后，d50减少至50nm以下。

P7加强型配备的充气顶盖，适用于在研磨过程中需要惰性气体环境的制备工艺