碳化钛纳米颗粒增强铝合金的制备研究

张邱帅 李阳阳 张洲铭 申豪杰

摘要：本文通过分析铝合金的物理化学特性，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，总结了铝合金的国内外研究现状，归纳了材料存在的问题，提出了加入碳化钛纳米颗粒的方式增强铝合金材料的各种性能，研究发现该材料更适合激光加工技术。

关键词：铝合金;碳化钛;激光加工

1.引言

目前，虽然在航空航天、汽车轻量化等领域对强度高、热稳定性好的大型轻质高强铝合金有强烈需求，但是，传统的铝合金加工技术（如铸造、锻造等）难以满足高性能轻质材料的制造要求。激光增材制造技术（Laser Additive Manufacturing，LAM）的迅速发展，提供了一种新颖的方法来制造高性能轻质材料。与传统加工技术相比，激光增材制造技术兼顾精确成型、高性能成型及一体化成型技术的优点，成型速度快、节省材料、耗时少及可以生产内部具有复杂结构的零件。《中国制造2025》指出要加快增材制造技术研发，国家重点研发计划启动实施“增材制造与激光制造”重点专项，而高强铝合金的激光增材制造技术作为“增材制造与激光制造”重点专项重点研究任务之一。

然而，铝合金对激光吸收率低、导热率高、易氧化，同时，激光增材制造在成形中通常涉及复杂非平衡状态下的物理、化学冶金机制，导致其快速成形结构件内部存在气孔、裂纹以及较大残余应力等缺陷。因此，采用激光增材制造技术制造大型高强铝合金构件仍然非常困难。此外，铝合金粉末流动性差、密度低，使得铝合金粉末在传输过程中常会出现堵塞喷嘴的现象，使制件均匀性与连续性达不到标准。因此，目前关于铝合金的研究主要集中在铺粉选区激光熔化沉积成形小型铝合金构件，而对于同轴送粉激光熔化沉积大型高强铝合金构件的研究鲜有报道。

纳米增强铝基复合材料因具有比强度和比刚度高、热膨胀系数低等众多的优异性能受到了全世界研究者的广泛关注。然而，由于纳米增强颗粒具有很高的表面能，易于团聚，因此对于高性能纳米颗粒增强铝基复合材料而言，如何实现纳米增强体在基体中充分分散、避免团聚是目前制备纳米复合材料的难点。因此，本项目针对不足，设计并制备纳米颗粒增强铝粉，开展对纳米增强铝的激光熔化沉积成形机理研究。本项目揭示激光熔化沉积纳米增强铝的成形机理，为高强铝合金大型结构件的增材制造技术提供必要的理论基础，开辟新的思路。

2.国内外研究现状

目前，纳米颗粒增强铝基复合材料制备方法主要有原位反应法、粉末冶金法、机械搅拌法、搅拌摩擦法以及超声处理法等。Yalda Afkham等人采用原位反應法，在纯铝熔体中加入金属氧化物粉体（TiO2、ZnO）制备铝基纳米复合材料。Dutkiewicz等通过粉末冶金工艺制备出高强度的ZrO2/AA6061复合材料，其强度达到1GPa。Yang等在加入纳米SiC颗粒时向熔体中引入超声波，结果发现，相对于机械搅拌，超声振动能够均匀分散纳米SiC颗粒，且获得的SiC/A356铝基复合材料的力学性能得到很大的改善。

铝合金的激光增材制造与钛合金、铁基合金、镍基合金、不锈钢等金属相比，因其具有高的激光反射率，高的热传导率，容易氧化等特点，对制造工艺参数要求极高。目前，研究集中在激光增材制造铝合金工艺参数与性能方面，对于制造出性能良好的高强铝合金产品及广泛应用仍需开展大量的研发工作。

近几年来，随着激光增材制造设备不断改进完善，激光器输出的激光能量不断提高，国内外一些研究机构逐渐对激光增材制造铝合金展开了研究。Konrad Bartkowiak等人根据Al-Si合金粉末体系的特性分析，找出一种具有巨大潜力的新的合金体系Al-Cu/Al-Zn合金粉末，通过激光熔覆技术在基体上熔覆一层，取得了良好的效果，有可能用于多层增材制造;Ainhoa Riquelme等人采用激光熔覆工艺，在AA6082 铝合金上制备了Al/SiCp 涂层，研究发现，SiC颗粒与铝会反应生成有害的Al4C3，采用在复合基体粉末中加入不同质量分数的合金元素（Si或Ti）来改善Al4C3生成反应的平衡。谭超林等人采用激光熔覆粉末在AZ80 镁合金低温水冷条件下制备了Al基非晶纳米晶复合涂层。

3.研究内容

从国内外的研究现状来看，铝合金主要集中在铺粉选区激光熔化沉积成形及激光熔覆涂层进行金属表面改性上，而关于同轴送粉激光熔化沉积铝合金研究鲜有报道，目前尚处于起步阶段。主要原因有：铝合金具有对激光能量吸收率低、导热率高、易氧化等不足，使其在激光熔化沉积成形方面存在一定的困难;铝合金粉末流动性差，密度低，在传输过程中常出现堵塞现象，使制件均匀性与连续性达不到标准。

因此，针对铝合金粉末存在的问题，设计并制备碳化钛纳米颗粒增强铝粉末，并对纳米增强铝粉末的激光熔化成形机理进行研究，以实现纳米颗粒增强铝粉末激光增材制造。基于航空航天、汽车轻量化等领域对高强铝合金大型结构件的需求，可以预见，性能优异的新型纳米增强铝复合材料的激光增材制造将会成为未来发展趋势。

针对增材制造研究热点，对近年来铝合金的增材制造组织和力学性能调控等文献进行充分调研，创新在于以下三个方面：

1） 提出激光熔化沉积碳化钛纳米颗粒增强铝粉制备轻质高强铝合金的方法。该方法解决了铝粉反射率高、流动性差、易于堵塞熔覆头喷嘴，不利于激光增材制造的难点;同时还有助于细化晶粒组织，强化沉积层的性能。

2） 建立纳米增强铝的激光熔化沉积成形机理知识体系，解明了纳米颗粒对激光熔化沉积组织和力学性能的影响机制。

3） 采用同轴送粉式激光熔化沉积技术快速打印纳米增强铝，为高强铝合金大型结构件的增材制造技术开辟新的思路。

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.