RU2831668C1 - Алюминиевый композиционный материал, армированный SiC/TiC, для лазерного плавления и способ его получения - Google Patents
Алюминиевый композиционный материал, армированный SiC/TiC, для лазерного плавления и способ его получения Download PDFInfo
- Publication number
- RU2831668C1 RU2831668C1 RU2023127700A RU2023127700A RU2831668C1 RU 2831668 C1 RU2831668 C1 RU 2831668C1 RU 2023127700 A RU2023127700 A RU 2023127700A RU 2023127700 A RU2023127700 A RU 2023127700A RU 2831668 C1 RU2831668 C1 RU 2831668C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- composite material
- tic
- ceramic particles
- sic
- powder
- Prior art date
Links
- 239000002131 composite material Substances 0.000 title claims abstract description 73
- 238000002844 melting Methods 0.000 title claims abstract description 48
- 230000008018 melting Effects 0.000 title claims abstract description 48
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 46
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 46
- 239000004411 aluminium Substances 0.000 title abstract 3
- 238000000034 method Methods 0.000 title description 13
- 239000000843 powder Substances 0.000 claims abstract description 71
- 239000002245 particle Substances 0.000 claims abstract description 53
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 claims abstract description 32
- 238000002156 mixing Methods 0.000 claims abstract description 27
- 229910000838 Al alloy Inorganic materials 0.000 claims abstract description 25
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 claims abstract description 18
- XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N Argon Chemical compound [Ar] XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 14
- 229910052786 argon Inorganic materials 0.000 claims abstract description 7
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 claims description 20
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims description 3
- 229910010271 silicon carbide Inorganic materials 0.000 claims description 3
- MTPVUVINMAGMJL-UHFFFAOYSA-N trimethyl(1,1,2,2,2-pentafluoroethyl)silane Chemical compound C[Si](C)(C)C(F)(F)C(F)(F)F MTPVUVINMAGMJL-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims 4
- HBMJWWWQQXIZIP-UHFFFAOYSA-N silicon carbide Chemical compound [Si+]#[C-] HBMJWWWQQXIZIP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims 3
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 abstract description 9
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract description 6
- 238000005272 metallurgy Methods 0.000 abstract description 2
- 238000004663 powder metallurgy Methods 0.000 abstract description 2
- 230000004927 fusion Effects 0.000 abstract 1
- 239000000463 material Substances 0.000 description 21
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 17
- 229910003407 AlSi10Mg Inorganic materials 0.000 description 10
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 description 8
- 239000000956 alloy Substances 0.000 description 8
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 8
- 239000006185 dispersion Substances 0.000 description 7
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 7
- 238000000137 annealing Methods 0.000 description 5
- 238000010146 3D printing Methods 0.000 description 4
- 238000000227 grinding Methods 0.000 description 4
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 4
- 229910018072 Al 2 O 3 Inorganic materials 0.000 description 3
- 229910018125 Al-Si Inorganic materials 0.000 description 3
- 229910018520 Al—Si Inorganic materials 0.000 description 3
- 238000005275 alloying Methods 0.000 description 3
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 3
- 238000011065 in-situ storage Methods 0.000 description 3
- 150000001247 metal acetylides Chemical class 0.000 description 3
- 230000003014 reinforcing effect Effects 0.000 description 3
- QYEXBYZXHDUPRC-UHFFFAOYSA-N B#[Ti]#B Chemical compound B#[Ti]#B QYEXBYZXHDUPRC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910003923 SiC 4 Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910004298 SiO 2 Inorganic materials 0.000 description 2
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910033181 TiB2 Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910034327 TiC Inorganic materials 0.000 description 2
- ATJFFYVFTNAWJD-UHFFFAOYSA-N Tin Chemical compound [Sn] ATJFFYVFTNAWJD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- MCMNRKCIXSYSNV-UHFFFAOYSA-N Zirconium dioxide Chemical compound O=[Zr]=O MCMNRKCIXSYSNV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000011109 contamination Methods 0.000 description 2
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 2
- 238000009837 dry grinding Methods 0.000 description 2
- 230000005496 eutectics Effects 0.000 description 2
- 239000012535 impurity Substances 0.000 description 2
- 239000002905 metal composite material Substances 0.000 description 2
- 239000002105 nanoparticle Substances 0.000 description 2
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 2
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000006104 solid solution Substances 0.000 description 2
- 238000005728 strengthening Methods 0.000 description 2
- 229910052718 tin Inorganic materials 0.000 description 2
- 229920000049 Carbon (fiber) Polymers 0.000 description 1
- 229910019018 Mg 2 Si Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910008332 Si-Ti Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910006749 Si—Ti Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910010413 TiO 2 Inorganic materials 0.000 description 1
- RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N Titanium Chemical compound [Ti] RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- NIXOWILDQLNWCW-UHFFFAOYSA-N acrylic acid group Chemical group C(C=C)(=O)O NIXOWILDQLNWCW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- AZDRQVAHHNSJOQ-UHFFFAOYSA-N alumane Chemical class [AlH3] AZDRQVAHHNSJOQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N aluminium oxide Inorganic materials [O-2].[O-2].[O-2].[Al+3].[Al+3] PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000004917 carbon fiber Substances 0.000 description 1
- 239000002041 carbon nanotube Substances 0.000 description 1
- 238000005266 casting Methods 0.000 description 1
- 239000003638 chemical reducing agent Substances 0.000 description 1
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052593 corundum Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000002425 crystallisation Methods 0.000 description 1
- 230000008025 crystallization Effects 0.000 description 1
- 238000001035 drying Methods 0.000 description 1
- 239000010419 fine particle Substances 0.000 description 1
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 1
- 239000011261 inert gas Substances 0.000 description 1
- 229910000765 intermetallic Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052742 iron Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000000155 melt Substances 0.000 description 1
- 238000010309 melting process Methods 0.000 description 1
- 239000011156 metal matrix composite Substances 0.000 description 1
- VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N methane Chemical compound C VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000004377 microelectronic Methods 0.000 description 1
- 229910003465 moissanite Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002114 nanocomposite Substances 0.000 description 1
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 1
- 238000003825 pressing Methods 0.000 description 1
- 230000001681 protective effect Effects 0.000 description 1
- 239000011819 refractory material Substances 0.000 description 1
- 230000002787 reinforcement Effects 0.000 description 1
- 238000005245 sintering Methods 0.000 description 1
- 239000010936 titanium Substances 0.000 description 1
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011882 ultra-fine particle Substances 0.000 description 1
- 238000009827 uniform distribution Methods 0.000 description 1
- 238000001238 wet grinding Methods 0.000 description 1
- 229910001845 yogo sapphire Inorganic materials 0.000 description 1
- XLOMVQKBTHCTTD-UHFFFAOYSA-N zinc oxide Inorganic materials [Zn]=O XLOMVQKBTHCTTD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
Abstract
Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к получению алюминиевого композиционного материала для изготовления различных изделий лазерным сплавлением. Алюминиевый композиционный материал для лазерного плавления содержит, мас. %: субмикронные керамические частицы SiC 6,5-16, субмикронные керамические частицы TiC 7,5-18, алюминиевый сплав AlSi11Cu 66-86. Композиционный материал получают путем смешивания исходного порошка алюминиевого сплава AlSi11Cu с размером частиц 15-45 мкм с керамическими частицами SiC с размером 6-10 мкм и керамическими частицами TiC с размером 3-5 мкм в пневматическом смесителе под давлением 2 атм в среде аргона в течение 10 мин. Обеспечивается формирование однородной микроструктуры композиционного материала и, как следствие, высокий уровень твердости получаемого из него изделия. 2 н.п. ф-лы, 2 табл., 5 пр.
Description
Изобретение относится к области металлургии алюминиевых сплавов с ультрадисперсной структурой, в частности к алюминиевым матричным композиционным материалам, которые могут быть использованы для изготовления методом лазерного плавления изделий в различных отраслях промышленности.
Алюминиевые композиционные материалы (АКМ), содержащие тугоплавкие материалы и соединения, например TiC, TiB2, SiC, Al2O3, ZrO2, углеродное волокно, углеродные нанотрубки (CNTs) и др., становятся все более востребованы в аэрокосмической, военной промышленности и микроэлектронике благодаря сочетанию высокой теплопроводности, высокой прочности и низкой плотности. Для создания АКМ наиболее широко используют частицы SiC благодаря сочетанию высокого модуля Юнга, низкой плотности и высокой рентабельности. Армированные частицами SiC алюминиевые композиты являются перспективными материалами для использования в автомобилестроении, аэрокосмических, военных и оптических приборах. АКМ традиционно получают методами порошковой металлургии путем прессования и спекания. Однако при критически большой доле легирующих частиц получение изделий данным способом становится трудновыполнимым или практически невозможным. Кроме того, продукцию из АКМ сложной формы крайне сложно изготовить, прибегая к традиционным методам изготовления композиционных материалов. Использование современных технологий лазерного плавления, в том числе селективного лазерного плавления, позволит решить проблему получения изделий сложной формы с бездефектной структурой и с улучшенным комплексом механических свойств.
Из уровня техники известен алюминиевый композиционный материал AlSi10Mg/TiC, имеющий следующий состав, в массовых процентах: 10 - Si, 0,5 - Mg, 5 - TiC (Rapid fabrication of Al-based bulk-form nanocomposites with novel reinforcement and enhanced performance by selective laser melting. Dongdong Gu, Hongqiao Wang, Donghua Dai, Pengpeng Yuan, Wilhelm Meiners and Reinhart Poprawe. Scripta Materialia 96 (2015) 25-28). Алюминиевый композиционный материал получают селективным лазерным плавлением при плотности энергии лазерного излучения 240 [Дж⋅мм-3], при этом сплав имеет твердость 188,3 HV0,1, что обусловлено зернсграничным упрочнением за счет формирования наноразмерной фазы TiC с кольцевой структурой и измельчением зерна. Недостатком сплава является высокая трудоемкость процесса приготовления порошка для последующего лазерного плавления, при этом полученный сплав имеет сравнительно невысокую твердость.
Известен двухфазный армированный алюминиевый матричный композит (CN 114990415 А, опублик.02.09.2022 г.) и метод его получения. Композитный материал с двухфазной армированной алюминиевой матрицей, где в качестве основы используется алюминиевый сплав AlSi10Mg, а в качестве армирующих частиц -TiC и ZrO2, при этом массовая доля TiC составляет более 0 и менее 10 мас. %, а массовая доля ZrO2 больше 0 и меньше 10 мас. %,. Метод получения заключается в приготовлении алюминиевого матричного композита в планетарной шаровой мельнице при скорости 100-300 об/мин в течение 5-24 ч, с последующей сушкой при температуре от 80°С до 120°С, в течение 4-12 ч. Материал получают методом селективного лазерного плавления при мощности лазера 100-300 Вт, скорости сканирования 600-1400 мм/с, расстоянии сканирования 90-120 мкм и толщине слоя 25-40 мкм, средний размер порошковых частиц составляет 15-53 мкм. Недостатком данного изобретения является небольшой прирост прочности (9%) при значительных объемах легирования, по сравнению с нелегированным сплавом AlSi10Mg, длительный процесс приготовления алюминиевого матричного композита.
Известен порошковый композиционный материал на основе алюминия (CN 107574338 A, опублик. 12.01.2018 г. ) со следующим содержанием компонентов, масс. %: наноразмерный порошок SiC 13-20%, остальное - порошок AlSi10Mg. Для получения композиционного материала порошок SiC и AlSi10Mg смешивают в планетарной шаровой мельнице при скорости вращения 180-250 об/мин в течение 15-20 минут, затем временная остановка 3-5 минут, инвертирование 20-25 минут, приостановка 3-5 минут, при этом общее время измельчения в шаровой мельнице составляет 4-5 ч. Полученный порошковый материал используется для печати изделий методом селективного лазерного плавления. Полученный композиционный материал характеризуется повышенной, по сравнению с наноармированным сплавом AlSi10Mg, твердостью, равной 220 HV. Повышение твердости связано с образованием упрочняющей фазы Al4SiC4 в процессе лазерного плавления. Недостатком данного изобретения является длительное время приготовления порошковой смеси для последующего лазерного плавления и сравнительно небольшой прирост твердости.
Известен многофазный композиционный материал на основе алюминия (CN 104745894 А, опублик. 01.07.2015 г.), армированный нанокерамическими частицами, и способ получения из него изделия с помощью лазерной 3D-печати. В качестве композиционного материала используют порошок AlSiMg чистотой 99,9% и выше с размером частиц 15-30 мкм, в армирующей фазыиспользуют порошковую композицию, содержащую Al2O3, SiO2, TiN и TiC, ZnO и Y2O3. В композитах на основе А1 доля каждого компонента составляет, масс. %: AlSiMg 65-75, Al2O3 3-15, SiO2 2-8, TiN 5-10, TiC 3-6, ZnO 3-10, Y2O3 3-10. Порошки предварительно смешивают в планетарной шаровой мельнице, после чего используется для лазерной 3D печати при следующих параметрах: толщина порошкового слоя 50-70 мкм, диаметр пятна - 50-100 мкм, мощность лазера - 100-150 Вт, скорость сканирования - 100-400 мм/с. Композитный материал на основе алюминия, полученный в соответствии с изобретением, имеет однородно микроструктуру и превосходные механические свойства, по сравнению с механическими свойствами соответствующих материалов, полученных традиционными методами литья, комплексные механические свойства композита на основе алюминия увеличиваются на 25% или выше. Недостатком данного изобретения является высокая сложность приготовления порошковой смеси, сложность в достижении однородного перемешивания большого количества компонентов, высокая стоимость композита.
Известен двухфазный композитный порошок на основе алюминия (CN 109550963 А, опублик.02.04.2019 г.), модифицированный субмикронными частицами, для 3D-печати и способ его получения. Композитный порошок представляет собой порошок алюминиевого сплава серии 6ХХХ микронного размера и субмикронные керамические частицы TiH2, субмикронные керамические частицы Mg2Si. Композиционный порошок получают предварительным смешиванием исходных порошков алюминиевого сплава серии 6ХХХ в количестве 95-99,5 масс. %, TiH2 в количестве 0,5-1,5 масс. % и Mg2SiB количестве 0,5-3,5 масс. % в планетарной шаровой мельнице при скорости вращения 120-150 об/мин, в течение 3-6 ч, при соотношении мелющих тел к материалу - 3:1-8:1 в среде инертного газа. Последующее селективное лазерное плавление композиционного порошка позволяет получить материал, отличающийся мелким размером зерна и высоким уровнем механических свойств, по сравнению с кованым алюминием 6ХХХ серии. Недостатком данного изобретения является высокая трудоемкость приготовления композиционного порошкового материала.
Известен порошковый композиционный материал на основе алюминия (CN 109759578 В, опублик. 23.11.2021 г.) и способ его получения. Для получения композиционного порошкового материала в качестве алюминиевого сплава используют один из сплавов системы Al-Si: AlSi10Mg, AlSi12 или AlSi7Mg, а в качестве армирующих частиц - наноразмерные керамические частицы TiB2 и субмикронные керамические частицы SiC. Соотношение порошков следующее: 95-97 масс. % - порошок алюминиевого сплава, 2 масс. % - порошок TiB2 и 1-3 масс. % - порошок SiC. Смешивание порошков проводят в шаровой мельнице с соотношением шар-материал 8:1-12:1 при частоте вращения 200-500 об/мин не менее 8 часов. После смешивания проводят вакуумную сушку подготовленного композитного порошка при температуре 60°С в течение 4 часов, затем получают деталь селективным лазерным плавлением при мощности лазера 180 Вт, скорости сканирования 1000 мм/с итолщине слоя порошка 30 мкм. Полученный материал характеризуется микротвердостью 150-162 HV0.3. Недостатком данного изобретения является невысокая твердость материала при большом затрачивании ресурсов и времени на приготовление композиционного порошкового материала.
Известен металлический композиционный порошок для 3D-печати (CN 111940723 В, опублик. 25.11.2022 г.). В качестве материала основы используют порошок AlSi10Mg в количестве 90-99,5 масс. %, а в качестве керамических частиц - порошок TiC и TiB2, WC, SiC, CrC, Al2O3, Y2O3, TiO2 микронного размера в количестве 0,5-10,0 масс. %. Металлический композиционный порошок имеет высокую сферичность, хорошую текучесть, узкий диапазон размеров частиц и равномерно распределенныекерамические частицы благодаряиспользованию специального процесса смешивания в шаровой мельнице, плазменной сфероидизации с последующей классификацией и просеиванием. Процесс смешивания в планетарной шаровой мельнице осуществляется мокрым помолом при соотношении материалов шаров к порошку от 10:1 до 5:1, при скорости вращения шаров 150-300 об/мин, времени измельчения 5-20 ч; далее следует обработка сухим помолом. Процесс сухого помола осуществляется в инерционном газе при следующих параметрах:соотношение материала шара к порошку от 5:1 до 1:1, скорость вращения 100-200 об/мин, время измельчения 2-10 ч. Полученный порошковый композиционный материал плавят методом селективного лазерного плавления при следующих параметрах: диаметр лазерного пятна 70-110 мкм, мощность лазера 150-400 Вт, скорость сканирования 500-1300 мм/с, толщина порошкового слоя 30-50 мкм. Полученный методом селективного лазерного плавления композиционный материал имеет твердость 216.2-262 HV 0.1. Недостатком данного изобретения является длительное приготовление порошка в шаровой мельнице, загрязнение порошка примесными продуктами, сравнительно невысокий уровень твердости полученного композиционного материала.
Наиболее близким вариантом изобретения является композиционный материал на основе алюминия для селективного лазерного плавления (CN111235417A, опублик. 05.06.2020 г.). Композит с алюминиевой матрицей содержит следующие компоненты в масс. %: 96-97 - сплав AlSi10Mg, 2 - субмикронные керамические частицы SiC и 1-2 - керамические наночастицы TiC. Получение композиционного материала на основе алюминия заключается в предварительном смешивании порошков сплава AlSi10Mg, размером частиц 15-53 мкм, керамических частиц SiC, размером 300-500 нм, и керамических наночастиц TiC, размером 20-100 нм, в планетарной шаровой мельнице при скорости вращения 120 об/мин в течение 30 мин, далее остановка на 5 мин, после чего следуют повторные акты смешивания. Полученный композиционный порошок подвергают селективному лазерному плавлению при мощности лазера 240-280 Вт, скорости лазерного сканирования 1100-1400 мм/с, интервал лазерного сканирования 120 мкм. Недостатком данного изобретения является загрязнение порошка примесными продуктами в процессе смешения в планетарной шаровой мельнице, длительный процесс смешения.
Задачей данного изобретения является повышение уровня характеристик механических свойств за счет создания металломатричного композиционного материала на основе алюминия для получения из него изделий посредством лазерного плавления, содержащего в своем составе карбиды и характеризуемого однородной микроструктурой.
Техническим результатом данного изобретения является повышение уровня твердости (305-318 HV0.05) за счет формирования карбидов при сохранении однородной микроструктуры в процессе лазерного плавления, формирование однородной микроструктуры, которая обеспечивается предварительным однородным смешиванием исходных порошков в специальном пневматическом смесителе, который используется вместо планетарной шаровой мельницы.
Указанный технический результат достигается следующим образом.
Композиционный материал для лазерного плавления с однородной бездефектной структурой и дисперсными карбидными соединениями, которые образуются in-situ в процессе лазерного плавления состоит из алюминиевого сплава и субмикронных керамических частиц, причем в качестве металлической матрицы используется алюминиевый сплав AlSi11Cu и керамические частицы в следующем компонентом соотношении, масс. %:
субмикронные керамические частицы SiC - 6,5-16;
субмикронные керамические частицы TiC - 7,5-18;
алюминиевый сплав AlSi11Cu - 66-86
Кроме того размер исходных порошков составляет: AlSi11Cu - 15-45 мкм, керамических частиц SiC - 6-10 мкм и керамических частиц TiC - 3-5 мкм.
Способ получения алюминиевого композиционного материала для лазерного плавления заключается в смешивании исходных порошков алюминиевого сплава AlSi11Cu с размером частиц 15-45 мкм, с керамическими частицами SiC с размером 6-10 мкм, и керамическими частицами TiC с размером 3-5 мкм, причем для смешивания исходных порошков используется пневматический смеситель, в котором перемешивание порошковых частиц осуществляется под давлением 2 атм в среде аргона в течение 10 минут.
Благодаря своему составу алюминиевый матричный композиционный материал обладает однородной бездефектной структурой с дисперсными карбидными соединениями, которые образуются in-situ в процессе лазерного плавления. После лазерного плавления алюминиевый композиционный материал в разы превосходит аналоги по твердости (250-318 HV0.05).
Комплексное добавление керамических частиц SiC и TiC в алюминиевый сплав и последующее лазерное плавление смеси позволяет сформировать дисперсные интерметаллидные фазы и эвтектики, состоящие из карбидов SiC, TiC, Al4SiC4, образование которых происходит in-situ в процессе расплавления порошков лазерным лучом. Короткое время существования расплава и высокая скорость охлаждения при кристаллизации позволяет получить очень дисперсное строение эвтектики и интерметаллидов, что обеспечивает желаемую структуру композиционного материала с высоким уровнем механических свойств.
Технология плавления лазерным лучом позволяет расширить классический диапазон легирования керамическими частицами SiC и TiC алюминия, принятый для порошковой технологии получения композиционных материалов, до 17 масс. %, что обусловлено высокой скоростью охлаждения. В свою очередь это позволяет сформировать композиционный материал с однородной и очень дисперсной структурой и получить значительный прирост твердости.
Способ получения композиционного материала для лазерного плавления заключается в смешивании исходных порошков алюминиевого сплава BaAlSi11Cu с размером частиц 15-45 мкм, с керамическими частицами SiC с размером 6-10 мкм, и керамическими частицами TiC с размером 3-5 мкм с использованием пневматического смесителя. Пневматический смеситель представляет собой герметичное устройство, в котором происходит процесс смешивания порошков в кипящем слое при помощи потока аргона, который подается в камеру под давлением 2 атм при помощи компрессора с ресивером (компрессор закачивает аргон в камеру и создает нужное давление). Перемешивание происходит в течение 10 минут. Камера для перемешивания порошка представляет собой акриловую трубу с внутренним диаметром 46 мм, толщиной стенки 2 мм и общей длиной 500 мм. Конструкция верхнего узла представляет собой корпус, который надевается на трубу. Крепление корпуса к трубе осуществляется за счет гайки и резинового уплотнителя между гайкой и корпусом. Гайка обеспечивает прижим уплотнителя к трубе. При закручивании гайки коническая часть уплотнителя герметично прижимается к внутренней фаске корпуса, в результате чего происходит уменьшение внутреннего диаметра уплотнителя, что в свою очередь обеспечивает механическое соединение узла с трубой. Конструкция нижнего узла представляет собой герметичный корпус, который надевается на трубу и позволяет удерживать порошок внутри смесителя и имеет возможность подключения воздушного компрессора для создания воздушного потока. Соединение нижнего узла с установкой осуществляется за счет двух резиновых колец. В нижней части узла присутствует трубная резьба ¾ дюйма, предназначенная для крепления переходника к пневматическому цанговому фитингу. После сборки и закрепления установки на штативе, к нижнему узлу подключается трубка воздушного компрессора с ресивером. Требуемое давление воздушного потока обеспечивается с помощью редуктора.
Использование такой системы смешивания позволяет в разы сократить время приготовления композиционного материала, по сравнению с аналогами, сохранить чистоту и сферичность порошковых частиц, по сравнению с планетарной шаровой мельницей, добиться однородного перемешивания порошковых частиц разных компонентов.
Лазерное плавление полученного композиционного материала осуществляют Nd:YAG -лазером с длиной волны излучения 1064 нм при следующих параметрах: напряжение питания лазера 200-240 В, длительность импульса - 10 мс, скорость сканирования - 0,25 мм/с, перекрытие - 0,2 мм. Фокусное расстояние - 10 см. В качестве защитной атмосферы используют аргон высокой чистоты (марки 5.5).
Структура после лазерного плавления композиционного материала характеризуется высокой однородностью и дисперсностью структурных составляющих. Благодаря формированию ультрамелкой фазы TiC происходит эффективное измельчение зеренной структуры, средний размер зерна равен 5 мкм. TiC фаза имеет средний размер 350 нм. SiC способствует формированию игольчатой фазы, обогащенной кремнием, титаном и алюминием, длиной до 5 мкм. Средний размер зерен алюминиевого твердого раствора α-Al составляет 3 мкм. Высокая дисперсность структурных составляющих и их однородное распределение по объему композиционного материала обеспечивает высокий уровень твердости. Однородность структуры и чистота порошка обеспечивается равномерным смешиванием исходных компонентов с использованием пневматического смесителя в среде аргона.
Пример 1
Химический состав алюминиевого сплава AlSi11Cu, используемого для получения алюминиевого матричного композита приведен в таблице 1. Состав алюминиевого матричного композита приведен в таблице 2. Композиционный материал получали по технологии, описанной выше.
Полученный порошок подвергали лазерному плавлению при мощности лазерного излучения 230 В, длительности импульса 10 мс, скорости сканирования 0,25 мм/с, перекрытии 0,2 мм. Структура материала после лазерного плавления характеризуется высокой дисперсностью и однородностью. Последнее достигается благодаря однородному перемешиванию исходных порошков в пневматическом смесителе. Средний размер зерна α-Al составляет 3 мкм. Фаза Al-Si равномерно распределена между зернами алюминиевого твердого раствора, через которые проходит игольчатая фаза, длина которой менее 5 мкм. Частицы TiC фазы равномерно распределены по всему объему, их размер составляет 350 нм.
Твердость определяли непосредственно после лазерного плавления без предварительного отжига. Твердость алюминиевого композиционного материала составляет 318,4 HV0.05.
Пример 2
Химический состав алюминиевого сплава AlSi11Cu, используемого для получения алюминиевого матричного композита приведен в таблице 1. Состав алюминиевого матричного композита приведен в таблице 2. Композиционный материал получали по технологии, описанной выше.
Полученный порошок подвергают лазерному плавлению при мощности лазерного излучения 230 В, длительности импульса 10 мс, скорости сканирования 0,25 мм/с, перекрытии 0,2 мм. Структура материала после лазерного плавления характеризуется высокой дисперсностью и однородностью. Последнее достигается благодаря однородному перемешиванию исходных порошков в пневматическом смесителе. Здесь количество SiC было уменьшено, что привело к уменьшению длины игольчатой фазы до 3 мкм, а количество TiC увеличено, что привело к значительному увеличению объемной доли ультрамелких частиц TiC фазы со средним размером 350 нм. Средний размер зерна α-Al составляет 2 мкм. Fe, Ni, Cu имеют тенденцию к сегрегации на границах фазы, богатой кремнием. На границах мелких частиц TiC и SiC образуются тройные фазы Si-Ti-C или Al-Si-Ti.
Твердость определяли непосредственно после лазерного плавления без предварительного отжига. Твердость алюминиевого композиционного материала составляет 314 HV0.05.
Пример 3
Химический состав алюминиевого сплава AlSi11Cu, используемого для получения алюминиевого матричного композита приведен в таблице 1. Состав алюминиевого матричного композита приведен в таблице 2. Композиционный материал получали по технологии, описанной выше.
Полученный порошок подвергают лазерному плавлению при мощности лазерного излучения 230 В, длительности импульса 10 мс, скорости сканирования 0,25 мм/с, перекрытии 0,2 мм. Структура материала после лазерного плавления характеризуется высокой дисперсностью и однородностью. Последнее достигается благодаря однородному перемешиванию исходных порошков в пневматическом смесителе. Длина игольчатой фазы составляет 3 мкм, а размер частиц TiC фазы составляет 320 нм. Средний размер зерна α-Al составляет 2 мкм.
Твердость определяли непосредственно после лазерного плавления без предварительного отжига. Твердость алюминиевого композиционного материала составляет 308 HV0.05.
Пример 4
Химический состав алюминиевого сплава AlSi11Cu, используемого для получения алюминиевого матричного композита приведен в таблице 1. Состав алюминиевого матричного композита приведен в таблице 2. Композиционный материал получали по технологии, описанной выше.
Полученный порошок подвергают лазерному плавлению при мощности лазерного излучения 240 В, длительности импульса 10 мс, скорости сканирования 0,25 мм/с, перекрытии 0,2 мм. Структура материала после лазерного плавления характеризуется высокой дисперсностью и однородностью. Последнее достигается благодаря однородному перемешиванию исходных порошков в пневматическом смесителе. Длина игольчатой фазы составляет 3,2 мкм, а размер частиц TiC фазы составляет 330 нм. Средний размер зерна α-Al составляет 2,5 мкм.
Твердость определяли непосредственно после лазерного плавления без предварительного отжига. Твердость алюминиевого композиционного материала составляет 305 HV0.05.
Пример 5
Химический состав алюминиевого сплава AlSi11Cu, используемого для получения алюминиевого матричного композита приведен в таблице 1. Состав алюминиевого матричного композита приведен в таблице 2. Композиционный материал получали по технологии, описанной выше.
Полученный порошок подвергают лазерному плавлению при мощности лазерного излучения 240 В, длительности импульса 10 мс, скорости сканирования 0,25 мм/с, перекрытии 0,2 мм. Структура материала после лазерного плавления характеризуется высокой дисперсностью и однородностью. Последнее достигается благодаря однородному перемешиванию исходных порошков в пневматическом смесителе. В структуре после лазерного плавления образуются мелкие равноосные зерна α-Al с Al-Si фазой. Твердость определяли непосредственно после лазерного плавления без предварительного отжига. Твердость алюминиевого композиционного материала составляет 307 HV0.05.
Claims (3)
1. Алюминиевый композиционный материал для изготовления изделия лазерным плавлением, содержащий металлическую матрицу из алюминиевого сплава и субмикронные керамические частицы, отличающийся тем, что в качестве металлической матрицы используется алюминиевый сплав AlSi11Cu, а в качестве субмикронных керамических частиц – частицы карбида кремния (SiC) и карбида титана (TiC) при следующем соотношении компонентов, мас. %:
2. Способ получения алюминиевого композиционного материала для изготовления изделия лазерным плавлением по п. 1, включающий смешивание исходного порошка алюминиевого сплава и керамических частиц, отличающийся тем, что в качестве исходного порошка алюминиевого сплава используют порошок алюминиевого сплава AlSi11Cu с размером частиц 15-45 мкм, а в качестве керамических частиц – частицы SiC с размером 6-10 мкм и частицы TiC с размером 3-5 мкм, а смешивание осуществляют в пневматическом смесителе под давлением 2 атм в среде аргона в течение 10 мин.
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2831668C1 true RU2831668C1 (ru) | 2024-12-11 |
Family
ID=
Citations (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO1996034991A1 (en) * | 1995-05-02 | 1996-11-07 | The University Of Queensland | Aluminium alloy powder blends and sintered aluminium alloys |
| KR100257479B1 (ko) * | 1997-12-22 | 2000-06-01 | 원창환 | 자체 연소 반응법을 이용하여 Al₂O₃-SiC-TiC 복합분말을 제조하는 방법 |
| RU2246379C1 (ru) * | 2004-02-25 | 2005-02-20 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов" (ФГУП "ВИАМ") | Способ получения композиционного материала |
| RU2347647C1 (ru) * | 2007-06-25 | 2009-02-27 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Саратовский государственный университет имени Н.Г. Чернышевского" | Нанохимический способ получения композиционных материалов |
| RU2440433C1 (ru) * | 2010-10-22 | 2012-01-20 | Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Технологический институт сверхтвердых и новых углеродных материалов" (ФГБНУ ТИСНУМ) | Наноструктурный композиционный материал на основе алюминия |
| RU2573309C1 (ru) * | 2014-07-08 | 2016-01-20 | Российская Федерация, от имени которой выступает Министерство промышленности и торговли Российской Федерации (Минпромторг России) | Способ получения композиционного армированного порошкового материала |
| CN111235417A (zh) * | 2020-01-15 | 2020-06-05 | 华南理工大学 | 一种基于激光选区熔化成形的高性能铝基复合材料及其制备方法 |
| US11286543B2 (en) * | 2017-02-01 | 2022-03-29 | Hrl Laboratories, Llc | Aluminum alloy components from additive manufacturing |
Patent Citations (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO1996034991A1 (en) * | 1995-05-02 | 1996-11-07 | The University Of Queensland | Aluminium alloy powder blends and sintered aluminium alloys |
| KR100257479B1 (ko) * | 1997-12-22 | 2000-06-01 | 원창환 | 자체 연소 반응법을 이용하여 Al₂O₃-SiC-TiC 복합분말을 제조하는 방법 |
| RU2246379C1 (ru) * | 2004-02-25 | 2005-02-20 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов" (ФГУП "ВИАМ") | Способ получения композиционного материала |
| RU2347647C1 (ru) * | 2007-06-25 | 2009-02-27 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Саратовский государственный университет имени Н.Г. Чернышевского" | Нанохимический способ получения композиционных материалов |
| RU2440433C1 (ru) * | 2010-10-22 | 2012-01-20 | Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Технологический институт сверхтвердых и новых углеродных материалов" (ФГБНУ ТИСНУМ) | Наноструктурный композиционный материал на основе алюминия |
| RU2573309C1 (ru) * | 2014-07-08 | 2016-01-20 | Российская Федерация, от имени которой выступает Министерство промышленности и торговли Российской Федерации (Минпромторг России) | Способ получения композиционного армированного порошкового материала |
| US11286543B2 (en) * | 2017-02-01 | 2022-03-29 | Hrl Laboratories, Llc | Aluminum alloy components from additive manufacturing |
| CN111235417A (zh) * | 2020-01-15 | 2020-06-05 | 华南理工大学 | 一种基于激光选区熔化成形的高性能铝基复合材料及其制备方法 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Reddy et al. | Silicon carbide reinforced aluminium metal matrix nano composites-a review | |
| Manohar et al. | Effect of microwave sintering on the microstructure and mechanical properties of AA7075/B4C/ZrC hybrid nano composite fabricated by powder metallurgy techniques | |
| KR101226174B1 (ko) | 나노 알루미늄/알루미나 금속 매트릭스 복합물의 제조 방법 | |
| CN111940723A (zh) | 一种用于3d打印的纳米陶瓷金属复合粉末及应用 | |
| US4597792A (en) | Aluminum-based composite product of high strength and toughness | |
| CN107532242A (zh) | 铝合金产品及其制造方法 | |
| CN111957967A (zh) | 一种3d打印制备多尺度陶瓷相增强金属复合材料的方法 | |
| JPS63317653A (ja) | アルミニウム合金複合材 | |
| US12319984B2 (en) | Metal matrix composites and methods of making and use thereof | |
| JPWO2004043642A1 (ja) | アルミニウム粉末合金の接合方法 | |
| CN109852834A (zh) | 一种纳米陶瓷颗粒增强金属基分级构型复合材料的制备方法 | |
| CN109576522B (zh) | 一种碳化硅增强铝基复合材料及其制备方法 | |
| JP2010144248A (ja) | 窒化物／タングステンナノ複合粉末の製造方法及びその方法によって製造された窒化物／タングステンナノ複合粉末 | |
| Borodianskiy et al. | Nanomaterials applications in modern metallurgical processes | |
| Afkham et al. | Microstructure and morphological study of ball-milled metal matrix nanocomposites | |
| Ponhan et al. | Enhanced microstructures, mechanical properties, and machinability of high performance ADC12/SiC composites fabricated through the integration of a master pellet feeding approach and ultrasonication-assisted stir casting | |
| US10058917B2 (en) | Incorporation of nano-size particles into aluminum or other light metals by decoration of micron size particles | |
| JP2546660B2 (ja) | セラミックス分散強化型アルミニウム合金の製造方法 | |
| Manohar et al. | Exploring the Effects of Ball Milling and Microwave Sintering on Microstructural and Mechanical Behavior of AA7075/SiC/ZrO2 Hybrid Composites | |
| Kannan et al. | Advanced liquid state processing techniques for ex-situ discontinuous particle reinforced nanocomposites: a review | |
| KR101326498B1 (ko) | 나노 입자가 분산된 금속기지 복합재의 제조 방법 및 그 복합재 | |
| RU2831668C1 (ru) | Алюминиевый композиционный материал, армированный SiC/TiC, для лазерного плавления и способ его получения | |
| Nath et al. | SHS amidst other new processes for in-situ synthesis of Al-matrix composites: A review | |
| Ehrström et al. | Production of rapidly solidified Al/SiC composites | |
| Chanakyan et al. | Enhancing Mechanical properties and Microstructure on modified Surface Al–Mg/Cr3C2 by friction stir Processing |