碳化鈦納米顆粒增強鋁合金的制備研究

張邱帥 李陽陽 張洲銘 申豪杰

摘要：本文通過分析鋁合金的物理化學特性，分析了鋁合金材料的缺點及在激光沉積加工中出現的問題，總結了鋁合金的國內外研究現狀，歸納了材料存在的問題，提出了加入碳化鈦納米顆粒的方式增強鋁合金材料的各種性能，研究發現該材料更適合激光加工技術。

關鍵詞：鋁合金;碳化鈦;激光加工

1.引言

目前，雖然在航空航天、汽車輕量化等領域對強度高、熱穩定性好的大型輕質高強鋁合金有強烈需求，但是，傳統的鋁合金加工技術（如鑄造、鍛造等）難以滿足高性能輕質材料的制造要求。激光增材制造技術（Laser Additive Manufacturing，LAM）的迅速發展，提供了一種新穎的方法來制造高性能輕質材料。與傳統加工技術相比，激光增材制造技術兼顧精確成型、高性能成型及一體化成型技術的優點，成型速度快、節省材料、耗時少及可以生產內部具有復雜結構的零件?！吨袊圃?025》指出要加快增材制造技術研發，國家重點研發計劃啟動實施“增材制造與激光制造”重點專項，而高強鋁合金的激光增材制造技術作為“增材制造與激光制造”重點專項重點研究任務之一。

然而，鋁合金對激光吸收率低、導熱率高、易氧化，同時，激光增材制造在成形中通常涉及復雜非平衡狀態下的物理、化學冶金機制，導致其快速成形結構件內部存在氣孔、裂紋以及較大殘余應力等缺陷。因此，采用激光增材制造技術制造大型高強鋁合金構件仍然非常困難。此外，鋁合金粉末流動性差、密度低，使得鋁合金粉末在傳輸過程中常會出現堵塞噴嘴的現象，使制件均勻性與連續性達不到標準。因此，目前關于鋁合金的研究主要集中在鋪粉選區激光熔化沉積成形小型鋁合金構件，而對于同軸送粉激光熔化沉積大型高強鋁合金構件的研究鮮有報道。

納米增強鋁基復合材料因具有比強度和比剛度高、熱膨脹系數低等眾多的優異性能受到了全世界研究者的廣泛關注。然而，由于納米增強顆粒具有很高的表面能，易于團聚，因此對于高性能納米顆粒增強鋁基復合材料而言，如何實現納米增強體在基體中充分分散、避免團聚是目前制備納米復合材料的難點。因此，本項目針對不足，設計并制備納米顆粒增強鋁粉，開展對納米增強鋁的激光熔化沉積成形機理研究。本項目揭示激光熔化沉積納米增強鋁的成形機理，為高強鋁合金大型結構件的增材制造技術提供必要的理論基礎，開辟新的思路。

2.國內外研究現狀

目前，納米顆粒增強鋁基復合材料制備方法主要有原位反應法、粉末冶金法、機械攪拌法、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）制備鋁基納米復合材料。Dutkiewicz等通過粉末冶金工藝制備出高強度的ZrO2/AA6061復合材料，其強度達到1GPa。Yang等在加入納米SiC顆粒時向熔體中引入超聲波，結果發現，相對于機械攪拌，超聲振動能夠均勻分散納米SiC顆粒，且獲得的SiC/A356鋁基復合材料的力學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，高的熱傳導率，容易氧化等特點，對制造工藝參數要求極高。目前，研究集中在激光增材制造鋁合金工藝參數與性能方面，對于制造出性能良好的高強鋁合金產品及廣泛應用仍需開展大量的研發工作。

近幾年來，隨著激光增材制造設備不斷改進完善，激光器輸出的激光能量不斷提高，國內外一些研究機構逐漸對激光增材制造鋁合金展開了研究。Konrad Bartkowiak等人根據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Al-Cu/Al-Zn合金粉末，通過激光熔覆技術在基體上熔覆一層，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，研究發現，SiC顆粒與鋁會反應生成有害的Al4C3，采用在復合基體粉末中加入不同質量分數的合金元素（Si或Ti）來改善Al4C3生成反應的平衡。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基非晶納米晶復合涂層。

3.研究內容

從國內外的研究現狀來看，鋁合金主要集中在鋪粉選區激光熔化沉積成形及激光熔覆涂層進行金屬表面改性上，而關于同軸送粉激光熔化沉積鋁合金研究鮮有報道，目前尚處于起步階段。主要原因有：鋁合金具有對激光能量吸收率低、導熱率高、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;鋁合金粉末流動性差，密度低，在傳輸過程中常出現堵塞現象，使制件均勻性與連續性達不到標準。

因此，針對鋁合金粉末存在的問題，設計并制備碳化鈦納米顆粒增強鋁粉末，并對納米增強鋁粉末的激光熔化成形機理進行研究，以實現納米顆粒增強鋁粉末激光增材制造?；诤娇蘸教臁⑵囕p量化等領域對高強鋁合金大型結構件的需求，可以預見，性能優異的新型納米增強鋁復合材料的激光增材制造將會成為未來發展趨勢。

針對增材制造研究熱點，對近年來鋁合金的增材制造組織和力學性能調控等文獻進行充分調研，創新在于以下三個方面：

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

2） 建立納米增強鋁的激光熔化沉積成形機理知識體系，解明了納米顆粒對激光熔化沉積組織和力學性能的影響機制。

3） 采用同軸送粉式激光熔化沉積技術快速打印納米增強鋁，為高強鋁合金大型結構件的增材制造技術開辟新的思路。

參考文獻：

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