关键词：
包覆
铝粉
3D打印
化学镀
流化床化学气相沉积
摘要：
选区激光熔化(Selective Laser Melting,SLM)作为一种金属3D打印技术,通过对粉体逐点逐层激光扫描熔化并快速凝固来成型零部件,相比传统加工技术具有高自由度设计、精细精准成型、材料利用率高等优点。目前,SLM在不锈钢、钛合金、钴铬合金等材料上的应用已较为成熟,其打印部件逐步应用于航空航天、生物医疗等领域。然而,在高激光反射率铝粉打印过程中,因大部分激光能量被反射而造成未熔化粉体颗粒以及气孔等冶金缺陷残留,导致成型精度低、力学性能差等问题,这严重限制了 SLM在铝合金制造领域的发展及应用。针对以上问题,本论文提出通过粉体表面改性技术来强化铝粉与激光之间的交互作用的新思路,即在铝粉表面包覆具有高激光吸收率的包覆相以降低铝粉的激光反射率,消除铝粉打印过程中的未熔化粉体和气孔缺陷,提升打印制品的致密度、成型精度和力学性能。研究了包覆层的物相组成与分布调控规律、包覆粉体与激光的交互作用行为、非平衡凝固组织演变规律和调控机理、组织与性能之间的内在关联。取得的创新成果如下:(1)研究了在铝粉表面化学镀镍、钴高激光吸收率金属的均质化形核生长机制,发现络合剂与金属盐的组分配比是影响镍、钴包覆相分布特征的关键因素。在两者摩尔比值为0.75和1.0时,包覆相具有良好的分布均匀性。铝粉经包覆后其激光吸收率得到显著提升,与钴相比,镍包覆相具有更加显著的激光吸收强化效果。镍含量达到2.5 wt.%时,铝粉在1070nm激光波长下的反射率由60%降低至35%。进一步研究发现,包覆后的铝粉其流动性不会受到明显影响,仍保持优异的铺粉流畅性。(2)提出使用流化床化学气相沉积法,分别通过纳米镍颗粒催化和碳源热解沉积两种机制实现碳纳米管和无定形碳在铝粉表面的均匀包覆。首先通过研究铝粉在包覆时的流化行为特征发现,在温度为550℃以及气速在900 mL/min的条件下,铝粉能够稳定流化。两种碳包覆相的引入都能显著提升铝粉对激光的吸收能力,并且对铝粉激光吸收率的提升效果与包覆碳含量正相关。在流化床反应器中,纳米镍颗粒催化合成的碳纳米管在铝粉表面紧密贴附且呈现弯曲环绕的形貌,而热解沉积形成的无定形碳在铝粉表面呈膜状结构。这两种形貌结构的碳包覆相都不会严重损害铝粉的球形度和流动性,能够维持铝粉初始的可打印形状特征。(3)对镍或钴包覆铝粉和碳纳米管或无定形碳包覆铝粉进行可打印性能评估、成型质量评价和打印组织及其力学性能研究。发现镍、钴或碳材料包覆相都能显著提升激光与粉体之间的交互作用,促进铝粉熔化并提升打印制品的致密度和成型精度,但过高的包覆量会导致铝的气化和过烧,严重损害打印质量和成型精度。进一步研究发现,上述包覆粉体的打印组织中都形成了细小的析出相,它们通过弥散强化或载荷转移对铝基体进行强化。与纯铝相比,包覆粉体的打印制品具有更加优异的拉伸性能。其中,当包覆镍含量在0.5 wt.%时,打印后抗拉强度达到182MPa(较纯铝提升152%);当碳纳米管含量在0.96wt.%时,打印后抗拉强度达到152MPa(较纯铝提升85%),并且,上述材料在强度提升的同时仍然保持了铝的高塑性。(4)对镍、钴、碳纳米管或无定形碳的包覆铝粉进行评估比较发现:碳材料包覆相对降低铝粉激光反射率效果更好,而金属包覆相对粉体流动性和球形度的影响更小。在粉体打印致密化和成型质量提升方面:金属镍>无定形碳>碳纳米管>金属钴;而在综合力学性能提升方面:碳纳米管>金属镍>金属钴>无定形碳。综上所述,通过表面改性技术分别在铝粉表面均匀引入金属镍和碳纳米管包覆相,能够实现对铝粉打印质量或力学性能的提升,是解决高激光反射率铝粉打印难题的有效途径。
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