碳化鈦納米顆粒增強(qiáng)鋁合金的制備研究

張邱帥 李陽(yáng)陽(yáng) 張洲銘 申豪杰

摘要：本文通過(guò)分析鋁合金的物理化學(xué)特性，分析了鋁合金材料的缺點(diǎn)及在激光沉積加工中出現(xiàn)的問(wèn)題，總結(jié)了鋁合金的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀，歸納了材料存在的問(wèn)題，提出了加入碳化鈦納米顆粒的方式增強(qiáng)鋁合金材料的各種性能，研究發(fā)現(xiàn)該材料更適合激光加工技術(shù)。

關(guān)鍵詞：鋁合金;碳化鈦;激光加工

1.引言

目前，雖然在航空航天、汽車輕量化等領(lǐng)域?qū)?qiáng)度高、熱穩(wěn)定性好的大型輕質(zhì)高強(qiáng)鋁合金有強(qiáng)烈需求，但是，傳統(tǒng)的鋁合金加工技術(shù)（如鑄造、鍛造等）難以滿足高性能輕質(zhì)材料的制造要求。激光增材制造技術(shù)（Laser Additive Manufacturing，LAM）的迅速發(fā)展，提供了一種新穎的方法來(lái)制造高性能輕質(zhì)材料。與傳統(tǒng)加工技術(shù)相比，激光增材制造技術(shù)兼顧精確成型、高性能成型及一體化成型技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，成型速度快、節(jié)省材料、耗時(shí)少及可以生產(chǎn)內(nèi)部具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的零件?！吨袊?guó)制造2025》指出要加快增材制造技術(shù)研發(fā)，國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃啟動(dòng)實(shí)施“增材制造與激光制造”重點(diǎn)專項(xiàng)，而高強(qiáng)鋁合金的激光增材制造技術(shù)作為“增材制造與激光制造”重點(diǎn)專項(xiàng)重點(diǎn)研究任務(wù)之一。

然而，鋁合金對(duì)激光吸收率低、導(dǎo)熱率高、易氧化，同時(shí)，激光增材制造在成形中通常涉及復(fù)雜非平衡狀態(tài)下的物理、化學(xué)冶金機(jī)制，導(dǎo)致其快速成形結(jié)構(gòu)件內(nèi)部存在氣孔、裂紋以及較大殘余應(yīng)力等缺陷。因此，采用激光增材制造技術(shù)制造大型高強(qiáng)鋁合金構(gòu)件仍然非常困難。此外，鋁合金粉末流動(dòng)性差、密度低，使得鋁合金粉末在傳輸過(guò)程中常會(huì)出現(xiàn)堵塞噴嘴的現(xiàn)象，使制件均勻性與連續(xù)性達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)。因此，目前關(guān)于鋁合金的研究主要集中在鋪粉選區(qū)激光熔化沉積成形小型鋁合金構(gòu)件，而對(duì)于同軸送粉激光熔化沉積大型高強(qiáng)鋁合金構(gòu)件的研究鮮有報(bào)道。

納米增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料因具有比強(qiáng)度和比剛度高、熱膨脹系數(shù)低等眾多的優(yōu)異性能受到了全世界研究者的廣泛關(guān)注。然而，由于納米增強(qiáng)顆粒具有很高的表面能，易于團(tuán)聚，因此對(duì)于高性能納米顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料而言，如何實(shí)現(xiàn)納米增強(qiáng)體在基體中充分分散、避免團(tuán)聚是目前制備納米復(fù)合材料的難點(diǎn)。因此，本項(xiàng)目針對(duì)不足，設(shè)計(jì)并制備納米顆粒增強(qiáng)鋁粉，開展對(duì)納米增強(qiáng)鋁的激光熔化沉積成形機(jī)理研究。本項(xiàng)目揭示激光熔化沉積納米增強(qiáng)鋁的成形機(jī)理，為高強(qiáng)鋁合金大型結(jié)構(gòu)件的增材制造技術(shù)提供必要的理論基礎(chǔ)，開辟新的思路。

2.國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

目前，納米顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料制備方法主要有原位反應(yīng)法、粉末冶金法、機(jī)械攪拌法、攪拌摩擦法以及超聲處理法等。Yalda Afkham等人采用原位反應(yīng)法，在純鋁熔體中加入金屬氧化物粉體（TiO2、ZnO）制備鋁基納米復(fù)合材料。Dutkiewicz等通過(guò)粉末冶金工藝制備出高強(qiáng)度的ZrO2/AA6061復(fù)合材料，其強(qiáng)度達(dá)到1GPa。Yang等在加入納米SiC顆粒時(shí)向熔體中引入超聲波，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，相對(duì)于機(jī)械攪拌，超聲振動(dòng)能夠均勻分散納米SiC顆粒，且獲得的SiC/A356鋁基復(fù)合材料的力學(xué)性能得到很大的改善。

鋁合金的激光增材制造與鈦合金、鐵基合金、鎳基合金、不銹鋼等金屬相比，因其具有高的激光反射率，高的熱傳導(dǎo)率，容易氧化等特點(diǎn)，對(duì)制造工藝參數(shù)要求極高。目前，研究集中在激光增材制造鋁合金工藝參數(shù)與性能方面，對(duì)于制造出性能良好的高強(qiáng)鋁合金產(chǎn)品及廣泛應(yīng)用仍需開展大量的研發(fā)工作。

近幾年來(lái)，隨著激光增材制造設(shè)備不斷改進(jìn)完善，激光器輸出的激光能量不斷提高，國(guó)內(nèi)外一些研究機(jī)構(gòu)逐漸對(duì)激光增材制造鋁合金展開了研究。Konrad Bartkowiak等人根據(jù)Al-Si合金粉末體系的特性分析，找出一種具有巨大潛力的新的合金體系A(chǔ)l-Cu/Al-Zn合金粉末，通過(guò)激光熔覆技術(shù)在基體上熔覆一層，取得了良好的效果，有可能用于多層增材制造;Ainhoa Riquelme等人采用激光熔覆工藝，在AA6082 鋁合金上制備了Al/SiCp 涂層，研究發(fā)現(xiàn)，SiC顆粒與鋁會(huì)反應(yīng)生成有害的Al4C3，采用在復(fù)合基體粉末中加入不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的合金元素（Si或Ti）來(lái)改善Al4C3生成反應(yīng)的平衡。譚超林等人采用激光熔覆粉末在AZ80 鎂合金低溫水冷條件下制備了Al基非晶納米晶復(fù)合涂層。

3.研究?jī)?nèi)容

從國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀來(lái)看，鋁合金主要集中在鋪粉選區(qū)激光熔化沉積成形及激光熔覆涂層進(jìn)行金屬表面改性上，而關(guān)于同軸送粉激光熔化沉積鋁合金研究鮮有報(bào)道，目前尚處于起步階段。主要原因有：鋁合金具有對(duì)激光能量吸收率低、導(dǎo)熱率高、易氧化等不足，使其在激光熔化沉積成形方面存在一定的困難;鋁合金粉末流動(dòng)性差，密度低，在傳輸過(guò)程中常出現(xiàn)堵塞現(xiàn)象，使制件均勻性與連續(xù)性達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)。

因此，針對(duì)鋁合金粉末存在的問(wèn)題，設(shè)計(jì)并制備碳化鈦納米顆粒增強(qiáng)鋁粉末，并對(duì)納米增強(qiáng)鋁粉末的激光熔化成形機(jī)理進(jìn)行研究，以實(shí)現(xiàn)納米顆粒增強(qiáng)鋁粉末激光增材制造?；诤娇蘸教?、汽車輕量化等領(lǐng)域?qū)Ω邚?qiáng)鋁合金大型結(jié)構(gòu)件的需求，可以預(yù)見，性能優(yōu)異的新型納米增強(qiáng)鋁復(fù)合材料的激光增材制造將會(huì)成為未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)。

針對(duì)增材制造研究熱點(diǎn)，對(duì)近年來(lái)鋁合金的增材制造組織和力學(xué)性能調(diào)控等文獻(xiàn)進(jìn)行充分調(diào)研，創(chuàng)新在于以下三個(gè)方面：

1） 提出激光熔化沉積碳化鈦納米顆粒增強(qiáng)鋁粉制備輕質(zhì)高強(qiáng)鋁合金的方法。該方法解決了鋁粉反射率高、流動(dòng)性差、易于堵塞熔覆頭噴嘴，不利于激光增材制造的難點(diǎn);同時(shí)還有助于細(xì)化晶粒組織，強(qiáng)化沉積層的性能。

2） 建立納米增強(qiáng)鋁的激光熔化沉積成形機(jī)理知識(shí)體系，解明了納米顆粒對(duì)激光熔化沉積組織和力學(xué)性能的影響機(jī)制。

3） 采用同軸送粉式激光熔化沉積技術(shù)快速打印納米增強(qiáng)鋁，為高強(qiáng)鋁合金大型結(jié)構(gòu)件的增材制造技術(shù)開辟新的思路。

參考文獻(xiàn)：

[1]李滌塵， 蘇秦， 盧秉恒. 增材制造-創(chuàng)新與創(chuàng)業(yè)的利器[J]. 航空制造技術(shù)， 2015， （10）： 40- 43.

[2] 劉強(qiáng)， 柯黎明， 黃春平， 等.碳納米管含量對(duì)鋁基復(fù)合材料力學(xué)性能的影響[J].材料報(bào)道 B，2016，30（10）：67-70.