纳米铝合金在激光沉积技术中的应用研究

李阳阳 张邱帅 张洲铭 申豪杰

摘要：本文设计了制备纳米颗粒增强铝粉末的步骤 ，分析了铝合金材料的缺点及在激光沉积加工中出现的问题，建立激光熔化沉积纳米增强铝的成形控制系统，研究了激光熔化沉积纳米增强铝组织演变机理、强化机理和对熔体的热传递和熔体流动的影响机制，得出加入碳化钛纳米颗粒的方式增强铝合金材料的各种性能是可行的。

关键词： 纳米铝合金;演变机理;强化机理;可行

1.设计和制备纳米颗粒增强铝粉末

纳米颗粒增强铝粉的研究路线

1）纳米陶瓷颗粒的选择

基于纳米颗粒的光学性质、润湿性、化学反应性、耐火性和高温下在金属熔液中的溶解度等因素优选纳米颗粒的种类。纳米颗粒种类（碳化物、硼化物、硅化物）及形貌（线形、球形）的选择对微结构性能的改善有着重要的意义。因此，

选择纳米粒子的要求是：

（a） 在加工温度（无或最小化学反应）下熔体热力学稳定;

（b） 基体合金与纳米粒子之间有良好的界面结合;

（c） 至少一维小于 100nm;（d）商业化或易于合成。

TiC 或 TiB2 纳米颗粒基本满足上述选择标准且有商业前景，因此本项目拟采用 TiC 或 TiB2 纳米作为铝粉的增强相。

2）纳米颗粒增强铝粉的制备

拟采用熔盐辅助自渗入法制备纳米颗粒增强铝粉。基本制备流程如下：

（a）将 NaCl/LiCl 盐粉末、纳米颗粒和 Al 微粒在机械振荡器中进行搅拌混合;

（b）在氩气保护下放入坩埚进行加热熔融后继续在氩气保护环境下冷却;

（c）将冷却样品在蒸馏水中反复溶解过滤收集粉末;

（d）将粉末在真空炉中干燥。

研究加热温度、加热时间、纳米颗粒的含量、熔盐的成分配比、超声波振动参数对纳米颗粒生长的影响，以获得纳米颗粒尺寸小、分布均匀、纳米颗粒为球形、表面无缺陷的工艺参数作为优化工艺参数。

3）纳米颗粒增强铝粉的表征

使用贝克曼库尔特 LS13320系列激光粒度分析仪来确定纳米增强铝粉末的尺寸分布。采用扫描电子显微镜（SEM）观察粉体的粒径和形貌。采用聚焦离子束系统（FIB）镓离子倾斜刻蚀，获得粉末与纳米颗粒倾斜横截面，采用扫描电子显微镜（SEM）观察铝粉内部结构及铝粉和纳米颗粒的界面结构。

2.建立激光熔化沉积纳米增强铝的成形控制系统

基于铝合金激光熔化易氧化的特点，搭建具有抗氧化性的试验平台。拟采用小型矩形密封腔充入惰性气体进行气氛保护。首先用真空泵抽掉密封腔中的空气，再在密封腔里面实时充入高纯惰性气体，使用氧含量检测仪对密封腔氧含量进行实时检测，使激光熔化沉积试样始终在惰性气体保护氛围内。

改变激光工艺参数激光功率、扫描速度、送粉速度、搭接率、扫描方式，和纳米颗粒增强铝粉末中纳米颗粒含量，进行单道单层熔覆、单道多层熔覆以及多道单层熔覆、多道多层熔覆制备试样。研究激光工艺参数及纳米颗粒含量与沉积层表面成形形貌的关系。

采用加拿大LD-600 高功率激光深熔焊接在线监控系统实时监测熔覆层质量，实时研究激光工艺参数及纳米颗粒含量与熔覆层质量之间的关系，分析熔覆层内气孔、裂纹、层间熔合不良等缺陷的控制性因素。以此为依据，优化调整工艺参数。

基于熔深的反馈控制系统，建立激光工艺参数-熔覆层表面成形形貌-熔覆层质量的映射关系，对激光工艺参数进行反馈控制。

3.激光熔化沉积纳米增强铝组织演变机理

制备微观组织分析试样，采用光学显微镜（OM）观察晶粒尺寸、形态和分布，分析激光工艺参数和纳米颗粒的含量对晶粒尺寸、形态和分布的影响规律。结合纳米颗粒在熔池中的分布特性以及激光作用下的熔池特性，基于纳米颗粒对元素浓度梯度、温度梯度、冷却速度三方面的影响，分析纳米颗粒促进晶粒细化、均匀，由树枝晶转变为等轴晶的机制。

采用扫描电子显微镜（SEM）、能谱仪（EDS）、透射电子显微镜（TEM/HRTEM）、X 射线衍射仪（XRD）分别观察沉积层的显微组织，确定沉积层中的相组成，分析激光工艺参数和纳米颗粒含量对显微组织和相组成的影响 规律。根据反应产物确定激光沉积过程中铝基体和纳米颗粒之间发生的界面反应， 阐明铝基体和纳米颗粒之间的相互作用机制。

4.纳米颗粒对激光熔化沉积纳米增强铝的强化机理

采用显微硬度仪测量激光熔化沉积纳米增强铝的硬度，采用纳米压痕测量其弹性模量。制备拉伸试样，测试试样的抗拉强度、屈服强度和延伸率等力学性能。

结合不同激光工艺参数和不同含量纳米颗粒得到的激光沉积试样的组织，分析激光熔化沉积纳米增强铝的硬度、弹性模量、抗拉强度、屈服强度、延伸率等力学性能变化的原因，建立工艺参数-组织-力学性能三者之间的对应关系。从纳米颗粒对晶粒尺寸的影响、纳米颗粒自身的强化特性以及其在铝基体中的分布特性出发，揭示納米颗粒对激光熔化沉积纳米增强铝的强化机理。

5.纳米颗粒对熔体的热传递和熔体流动的影响机制

不同含量的纳米颗粒增强铝粉样品的反射率采用日本岛津公司的UV3101PC 分光光度计测量，比热采用差示扫描量热仪（DSC）来测量，热导率采用激光闪射法测试，粘度采用震动式粘度计测量，表面张力采用静滴法测量。

采用有限元法对激光熔化沉积过程的温度场进行模拟，代入反射率的测量结果，可以得到纳米颗粒对激光与粉末相互作用的影响。将测量得到的纳米增强铝粉末及其熔体的物理性能代入数值模型，可以获得纳米增强铝的流体动力学、激光熔覆凝固过程和纳米颗粒的再分布。最终，数值模型将能够预测熔池和热影响区的几何形状、表面形貌、纳米颗粒的再分布、冷却速率和温度梯度以及可能的微观结构。将试验得到的实际熔池的表面形貌与理论预测相比较，进而验证模型的准确性。由此模型出发，即可分析纳米颗粒对熔体的热传递和熔体流动的影响机制。

6.可行性分析

研究的关键是在铝粉末表面制备分散均匀、且与铝之间具有一定结合力的纳米颗粒增强铝粉末，实现激光熔化沉积纳米颗粒增强铝的制备。研究发现纳米颗粒加入能改善粉末的热物理性能，控制熔池的流体动力学，从而改善熔池凝固后表面形貌，这为激光熔化沉积纳米增强铝的研究工作奠定了良好的理论基础。

因此，该文提出的通过制备纳米颗粒增强铝粉末的方式实现激光增材制造轻质高强铝合金的思路是可行的。

参考文献：

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[2] 刘强， 柯黎明， 黄春平， 等.碳纳米管含量对铝基复合材料力学性能的影响[J].材料报道 B，2016，30（10）：67-70.