阅读说明：本技术 一种铝铜锰多孔复合材料及其制备方法和用途 (Aluminum-copper-manganese porous composite material and preparation method and application thereof ) 是由 李欣蔚 朱强 李干 韩双 黄谆 卢宏兴 彭锦康 于 2019-11-19 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种铝铜锰多孔复合材料及其制备方法和用途。本发明所述铝铜锰多孔复合材料的制备方法以铝铜锰合金粉末与纳米金属氧化物为原料,经3D打印,得到所述铝铜锰多孔复合材料；所得铝铜锰多孔复合材料具有无热裂纹且高强度的特性；本发明所述方法得到的铝铜锰多孔复合材料的孔隙率为1～30％；其显微硬度为60～80HV。(The invention relates to an aluminum-copper-manganese porous composite material and a preparation method and application thereof. The preparation method of the aluminum-copper-manganese porous composite material takes aluminum-copper-manganese alloy powder and nano metal oxide as raw materials, and the aluminum-copper-manganese porous composite material is obtained through 3D printing; the obtained aluminum-copper-manganese porous composite material has the characteristics of no thermal crack and high strength; the porosity of the aluminum-copper-manganese porous composite material obtained by the method is 1-30%; the microhardness is 60-80 HV.)

一种铝铜锰多孔复合材料及其制备方法和用途

技术领域

本发明属于无机材料领域，涉及一种铝铜锰多孔复合材料及其制备方法和用途。

背景技术

铝铜锰合金比重轻、抗氧化、硬度高、机械加工性能好，可以作为轻型高强结构材料，常用于制造各种轻型高负载零件和结构件，广泛应用于汽车、船舶、航天航空领域等民用及军工领域。

CN105568093A公开了一种用于锂电池外壳的铝铜锰合金及其制备方法。所述合金包含：1.1wt％-1.8wt％的Cu；1.0wt％-1.6wt％的Mn；0.6wt％-1.0wt％的Mg；0.3wt％-0.5wt％的Fe；0.2wt％-0.5wt％的Ce或0.2wt％-0.3wt％的CeLa；小于0.04wt％的Si；余量为铝和不可避免的杂质；所述铝铜锰合金的制备方法包括如下步骤：(A)将所述合金制成冷轧合金带材；(B)将所述冷轧合金带材进行老化热处理，从而获得所述铝铜锰合金板材，此方案所述制备方法存在着加工流程长，模具复杂等问题。

CN106636772A公开了一种铝合金复合材料及其制备方法，所述铝合金复合材料包括以下组分，铝70-85份、铜2.5-3份、锰0.4-0.8份、镁1.0-1.5份、钛3.0-5.0份；所述铝合金复合材料的制备过程包括将各组分熔炼后，得到所述铝合金复合材料，此方案所述方法存在着产品易出现力学性能差及缩松，偏析等铸造缺陷。

然而，基于高能束流的3D打印铝铜锰合金热裂敏感性高，极易产生热裂纹缺陷，剧烈降低材料的成形性和力学性能。

因此，开发一种具有无热裂纹、优异的力学性能且制备方法简单高效的铝铜锰多孔复合材料及其制备方法仍具有重要意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种铝铜锰多孔复合材料及其制备方法和用途。本发明所述铝铜锰多孔复合材料的制备方法以铝铜锰合金粉与纳米金属氧化物为原料，经3D打印，得到所述铝铜锰多孔复合材料；所得铝铜锰多孔复合材料具有无热裂纹且高强度的特性；本发明所述方法得到的铝铜锰多孔复合材料的孔隙率为1～30％；其显微硬度为60-80HV。

为达到此发明目的，本发明采用以下技术方案：

第一方面，本发明提供了一种铝铜锰多孔复合材料的制备方法，所述方法包括将铝铜锰合金粉与纳米金属氧化物混合，进行3D打印，得到所述铝铜锰多孔复合材料。

传统方法中在对铝铜锰合金直接进行激光烧结，其制备过程中通过调整工艺参数，如激光功率，并不能消除裂纹，其产品难以得到稳定且优异的力学性能，从而得到的铝铜锰多孔复合材料的性能不够理想；而本发明所述方法在铝铜锰多孔复合材料的制备过程中，在铝铜锰合金粉中混合纳米金属氧化物，所述纳米金属氧化物能在高温微熔池中与Al发生原位反应，其与Al反应原位反应为TiO₂+Al→Al₂O₃+Al₃Ti，从而生成熔点在2000℃以上的高硬度金属间化合物，且金属间化合物的尺寸＜500nm，从而强化合金，使得所得铝铜锰多孔复合材料具有高强度，同时避免热裂纹的出现。

本发明所述方法通过在铝铜锰合金粉末中添加纳米金属氧化物颗粒，再以激光烧结，在高温微熔池中发生化学反应，发挥其“原位复合”和“原位合金化”的作用，既能作为一种高效的异质形核剂，细化晶粒，抑制热裂产生，在基体中制造原位增强相复合，又能使纳米金属氧化物颗粒内的金属元素固溶在基体中，还能通过调整3D打印过程的参数来控制基体的孔隙率大小，获得一种原位复合原位合金化铝铜锰多孔复合材料，直接获得稳定、均匀、具有低密度高强度特性的铝铜锰多孔复合材料。

优选地，所述纳米金属氧化物为TiO₂。

优选地，所述铝铜锰合金粉的颗粒粒度≤200目，例如250目、300目、350目或400目等。

优选地，所述纳米金属氧化物的颗粒粒度≤200目，例如250目、300目、350目或400目等。

优选地，所述铝铜锰合金粉与纳米金属氧化物的质量比为20-350，例如30、50、100、150、200、250或300等。

本发明所述铝铜锰多孔复合材料的制备过程中控制纳米金属氧化物的加入量使得纳米金属氧化物中金属元素的含量大于该金属元素在铝中的固溶度，但不应过大；本发明所述制备过程中控制纳米金属氧化物的加入量在上述范围内，其过剩的金属元素在高能束流3D打印条件下的铝基体中可与铝生成纳米级金属间化合物，强化合金；但金属元素含量过高时，金属间化合物产生粗化和定向生长，会降低合金性能。

本发明所述3D打印为逐层堆叠的3D打印技术。

优选地，进行3D打印的过程中激光功率为100-340W，例如130W、150W、180W、200W、250W、300W或330W等，优选为250-300W。

本发明所述3D打印过程的功率在上述范围内，有利于良好地打印成形，当激光功率＞340W时，已超出打印设备正常工作范围；当激光功率＜100W时，会导致输入的能量过低，易出现裂纹，粉末熔化不充分，成形质量非常差。

优选地，进行3D打印的过程中扫描速率为33-417mm/s，例如50mm/s、70mm/s、90mm/s、120mm/s、150mm/s、200mm/s、250mm/s、300mm/s、350mm/s或400mm/s等，优选为83-165mm/s。

本发明所述3D打印过程中的扫描速率在上述范围内，其有利于粉末的熔化与成形，当扫描速率＜33mm/s时，易使成形设备发生故障，无法正常成形；当扫描速率＞417mm/s时，会导致输入能量较低，粉末熔化不充分，易出现裂纹，成形质量非常差。

优选地，所述铝铜锰合金粉按照质量百分含量包括以下组成：

所述杂质元素为铝铜锰合金粉制备过程中由于原料及设备原因而引入的杂质元素，所述杂质元素包括Mg、Fe、V、Zr、Zn或Ti，以铝铜锰合金粉的质量为100％计，其中Mg的质量百分含量≤0.02％，例如0.01％或0.015％等，Fe的质量百分含量≤0.3％，例如0.1％或0.2％等，V的质量百分含量≤0.15％，例如0.05％或0.1％等，Zr的质量百分含量≤0.25％，例如0.1％或0.2％等，Zn的质量百分含量≤0.1％，例如0.05％或0.08％等，Ti的质量百分含量≤0.1％，例如0.05％或0.08％等，且所述杂质元素的总含量在0.6％以下。

优选地，所述铝铜锰合金粉的制备方法包括将金属铝、金属铜和金属锰混合，经熔炼和气雾化处理，得到所述铝铜锰合金粉。

本发明所述铝铜锰合金粉的制备过程中由于原料和设备的原因，会在产品中引入一些杂质元素，所得铝铜锰合金粉中杂质元素的含量控制在0.6％以下。

优选地，所述熔炼的温度为800-900℃，例如820℃、850℃或880℃等。

优选地，所述熔炼在真空感应熔炼炉中进行。

优选地，所述气雾化处理得到的铝铜锰合金粉为球形。

优选地，所述气雾化处理后还包括将产物进行收集、筛分。

优选地，所述筛分采用的筛网的目数≥200目，例如300目、400目、500目或600目等。

优选地，所述将铝铜锰合金粉与纳米金属氧化物混合的过程在三维摇摆式粉末混合机中进行。

优选地，所述混合的时间≥1h，例如1h、2h、3h、4h、5h或10h等。

优选地，所述混合后还包括将产物进行干燥。

优选地，所述干燥为真空干燥。

优选地，所述真空干燥的温度为80-100℃，例如85℃、90℃或95℃等。

优选地，所述真空干燥的时间为3-5h，例如3.5h、4h或4.5h等。

作为本发明优选的技术方案，所述铝铜锰多孔复合材料的制备方法包括以下步骤：

(1)制备铝铜锰合金粉，所述铝铜锰合金粉的制备方法包括将金属铝、金属铜和金属锰混合，在800-900℃下进行熔炼，之后进行气雾化处理，筛分，得到颗粒粒度≤200目的铝铜锰合金粉；

(2)将步骤(1)中得到的颗粒粒度≤200目的铝铜锰合金粉与颗粒粒度≤200目的纳米金属氧化物混合，之后进行真空干燥；

(3)将步骤(2)的产物置于3D打印成形设备中，以100-340W的激光功率，33-417mm/s的扫描速率对其进行3D打印，得到所述铝铜锰多孔复合材料。

第二方面，本发明提供了如第一方面所述的方法制备得到的铝铜锰多孔复合材料，所述铝铜锰多孔复合材料中的孔隙率为1-30％，例如2％、5％、10％、15％、20％或25％等。

优选地，所述铝铜锰多孔复合材料的显微硬度为60-80HV，例如62HV、65HV、68HV、70HV、72HV、75HV或78HV等。

第三方面，本发明提供了如第二方面所述的铝铜锰多孔复合材料的用途，所述复合材料用于航空航天、交通运输、建筑工程、机械工程或环境保护领域中。

第四方面，本发明提供了一种调控铝铜锰多孔复合材料的孔隙率的方法，其特征在于，所述方法采用如第一方面中所述的方法，通过调节3D打印过程中的激光功率和扫描速率，从而调控铝铜锰多孔复合材料的孔隙率。

本发明所述方法可通过调节3D打印过程中激光功率和扫描速率从而调控制备得到的铝铜锰多孔复合材料的孔结构，从而使得铝铜锰多孔复合材料的制备过程更加可控。

相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：

(1)本发明所述铝铜锰多孔复合材料的制备过程中在铝铜锰合金粉中加入纳米金属氧化物，再以激光烧结，在高温熔池中发生化学反应，发挥其“原位复合”和“原位合金化”的作用，既能作为一种高效的异质形核剂，细化晶粒，抑制热裂产生，在基体中制造原位增强相复合，又能使纳米金属氧化物颗粒内的金属元素固溶在基体中，获得一种原位复合原位合金化铝铜锰多孔复合材料，所得铝铜锰多孔复合材料无热裂纹，其孔隙率为1-30％，其按照GB/T228–2010标准测试得到的显微硬度为60-80HV；

(2)本发明所述铝铜锰多孔复合材料的制备方法所用的激光功率不高，扫描速率快，生产效率高；

(3)本发明所述铝铜锰多孔复合材料的制备方法还能通过调整3D打印过程的参数来控制基体的孔隙率大小，进而调控铝铜锰多孔复合材料的致密度；

(4)本发明所述铝铜锰多孔复合材料的制备方法的制备工艺简单，原料来源广泛，成本低廉，且产物性质稳定，易储存运输，易实现规模化工业生产。

附图说明

图1是本发明实施例1中制备得到的铝铜锰多孔复合材料微观形貌图；

图2是本发明实施例2中制备得到的铝铜锰多孔复合材料微观形貌图；

图3是本发明实施例3中制备得到的铝铜锰多孔复合材料微观形貌图；

图4是本发明实施例4中制备得到的铝铜锰多孔复合材料微观形貌图；

图5是本发明实施例5中制备得到的铝铜锰多孔复合材料微观形貌图；

图6是本发明对比例1中制备得到的铝铜锰多孔复合材料微观形貌图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。本领域技术人员应该明了，所述实施例仅仅是帮助理解本发明，不应视为对本发明的具体限制。

实施例1

铝铜锰多孔复合材料的制备方法：

(1)制备铝铜锰合金粉，所述铝铜锰合金粉的制备方法包括将金属铝、金属铜和金属锰按照配方比混合，置于真空感应熔炼炉中在700℃下进行熔炼，之后进行气雾化制粉，得到球形粉末，通过粉末收集装置及筛分装置，得到颗粒粒度≤200目的铝铜锰合金粉；

以所得铝铜锰合金粉的质量为100％计，所述铝铜锰合金粉中Al的质量百分含量为92.9％，Cu的质量百分含量为6.2％，Mn的质量百分含量为0.3％，杂质元素的含量为0.6％；

(2)将步骤(1)中得到的颗粒粒度≤200目的铝铜锰合金粉与颗粒粒度≤200目的纳米TiO₂粉在三维摇摆式粉末混合机中快速的翻转、倒置、摇动2小时，使之混合均匀，之后在90℃下进行真空干燥4h；所述铝铜锰合金粉与纳米TiO₂粉的质量比为100；

(3)将步骤(2)的产物置于3D打印成形设备中，以300W的激光功率，83mm/s的扫描速率对其进行3D打印，得到所述铝铜锰多孔复合材料。

本实施例制备得到的铝铜锰多孔复合材料的形貌图如图1所示，由图可以看出，所得铝铜锰多孔复合材料无热裂纹，具备圆形闭孔且分布较为均匀，经测试，其孔隙率为3.95％，按照GB/T228–2010标准，对所述铝铜锰多孔复合材料进行力学性能测试，测试结果为，显微硬度73.5HV。

实施例2

本实施例与实施例1的区别在于，步骤(3)中激光功率为250W，扫描速率为165mm/s，其他条件与实施例1相比完全相同。

本实施例制备得到的铝铜锰多孔复合材料的形貌图如图2所示，由图可以看出，所得铝铜锰多孔复合材料无热裂纹，具备圆形闭孔，经测试其孔隙率为4.67％，按照GB/T228–2010标准，对所述铝铜锰多孔复合材料进行力学性能测试，测试结果为，显微硬度72.22HV。

实施例3

本实施例与实施例1的区别在于，步骤(3)中激光功率为340W，扫描速率为333mm/s，其他条件与实施例1相比完全相同。

本实施例制备得到的铝铜锰多孔复合材料的形貌图如图3所示，由图可以看出，所得铝铜锰多孔复合材料无热裂纹，具备圆形闭孔，经测试其孔隙率为4.32％，按照GB/T228–2010标准，对所述铝铜锰多孔复合材料进行力学性能测试，测试结果为，显微硬度72.96HV。

实施例4

本实施例与实施例1的区别在于，步骤(3)中激光功率为260W，扫描速率为50mm/s，其他条件与实施例1相比完全相同。

本实施例制备得到的铝铜锰多孔复合材料的形貌图如图4所示，由图可以看出，所得铝铜锰多孔复合材料无热裂纹，具备圆形闭孔，经测试其孔隙率为3.74％，按照GB/T228–2010标准，对所述铝铜锰多孔复合材料进行力学性能测试，测试结果为，显微硬度75.2HV。

实施例5

本实施例与实施例1的区别在于，步骤(2)中铝铜锰合金粉与纳米TiO₂粉的质量比为333，其他条件与实施例1相比完全相同。

本实施例制备得到的铝铜锰多孔复合材料的形貌图如图5所示，由图可以看出，所得铝铜锰多孔复合材料无热裂纹，具备圆形闭孔，经测试其孔隙率为11.2％，按照GB/T228–2010标准，对所述铝铜锰多孔复合材料进行力学性能测试，测试结果为，显微硬度67.3HV。

对比例1

本对比例与实施例1的区别在于，步骤(2)中不加入纳米TiO₂粉，其他条件与实施例1相比完全相同。

本对比例在步骤(2)中不加入纳米TiO₂粉，其制备得到的铝铜锰多孔复合材料上有裂纹出现，如图6所示。

申请人声明，以上所述仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，所属技术领域的技术人员应该明了，任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。