本發(fā)明屬于增材制造用金屬基復合材料，具體涉及一種增材制造用al-si-ti體系球形復合粉末及其制備方法。

背景技術：

1、鋁硅合金由于具有低熱膨脹系數(shù)、高耐磨性及耐蝕性好等一系列優(yōu)點，在航空航天、軍工裝備及汽車工業(yè)等領域得到了廣泛的關注。增材制造技術是通過模型數(shù)據(jù)將三維物體進行“切片”獲得二維輪廓信息，再以自下而上、層層疊加的方式進行材料堆積，是通過做“加法”的方式將數(shù)據(jù)模型轉變?yōu)槿S實體的過程，在制造過程中基本不受零件結構的限制，可做到自由、任意生產(chǎn)。然而鋁合金具有高激光反射率、高導熱系數(shù)和寬凝固溫度范圍，在打印過程中存在能量利用率低、熱分布不均勻、固液共存凝固控制難等難題，在激光增材過程中極易形成裂紋。另一方面，高能束-鋁合金原材料交互作用形成的微熔池冷卻速率較高，構件具有較高的殘余應力水平，打印或后期機械加工時極易開裂。由于鋁合金特性和增材制造工藝原理的雙重約束，鋁合金增材制造面臨工藝穩(wěn)定性難控制、裂紋缺陷難抑制的技術瓶頸。已有研究表明，相較于昂貴稀土sc等，向alsi合金中添加成本較低的ti可以細化基體晶粒、抑制初生si相的粗化，且可以降低其高溫氧化傾向性，同時增材制造過程中含ti的析出相能夠釘扎晶界并起到彌散強化的效果，在促進鋁硅合金打印成形性的同時有效提升其綜合力學性能。。

2、然而目前常以混合粉末作為增材制造的原料，其面臨粉末混合不均及ti顆粒反應不完全等難題；同時通過原料預混合容易破壞粉末的球形度，造成粉末流動性能的下降，影響增材制造過程中材料的成型性能；其次，al-si-ti預混合粉末在增材制造過程中極易反應生成tial3脆性相，且tial3與鋁基體間的界面結合較弱，不利于復合材料力學性能的發(fā)揮。。采用常規(guī)的“熔鑄+鍛造+氣霧化”復合工藝制備al-si-ti預合金化粉末，可以有效解決傳統(tǒng)粉末混合工藝所面臨的粉末混合不均勻、ti反應不完全及粉末球形度降低等問題，然而熔鑄過程中高的融化溫度和長時間保溫將使得ti與合金中的al、si元素反應生成ti(al,si)3、τ1(ti7al5si12)、τ2(ti(al,?si)2)等三元化合物，其物相不易控制且尺寸粗大，同時伴隨有粗大片層狀共晶硅的產(chǎn)生，并在熔鑄過程中易出現(xiàn)增強相顆粒偏聚現(xiàn)象，以上因素將顯著影響復合粉末中增強相的強化效果以及al-si-ti體系復合粉末增材制造的成形性能。而粉末冶金法制備al-si-ti體系復合材料的研究表明，由于ti和si具有最高的親和度，si通過擴散和固溶析出在ti顆粒周圍，并以ti顆粒為模板通過互擴散原位反應會優(yōu)先生成ti5si3增強相顆粒，其對基體具有優(yōu)異的強化效果。

3、針對上述al-si-ti復合體系增材制造面臨的瓶頸問題，本發(fā)明首先通過粉末冶金工藝在alsi共晶溫度以下制備al-si-ti復合體系，在alsi合金基體中原位原位反應生成細小的ti5si3顆粒作為增強相同時抑制si顆粒尺寸的粗化，隨后通過鍛造獲得氣霧化制粉棒材，利用氣霧化制粉過程中的快速冷卻過程將ti5si3增強相顆粒保留在alsi合金基體中而不生成三元化合物，同時利用快速冷卻進一步細化增強相顆粒尺寸以及共晶si尺寸，從而得到含有細小ti5si3增強相顆粒的al-si-ti體系球形復合粉末，為增材制造高性能al-si-ti復合體系提供理想的粉末原料。

技術實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于提供一種增材制造用al-si-ti體系球形復合粉末及其制備方法，用以解決現(xiàn)有的鋁硅合金增材過程中極易形成裂紋、粉末混合不均及ti反應不完全的技術問題。

2、為了達到上述目的，本發(fā)明采用以下技術方案予以實現(xiàn)：

3、本發(fā)明公開了一種增材制造用al-si-ti體系球形復合粉末，所述al-si-ti體系復合粉末中鋁合金基體占比90~99.2?wt.%，原位自生納米ti5si3顆粒含量為0.8~10?wt.%。

4、進一步地，所述鋁合金基體為4xxx鋁合金中任意一種或純alsi合金。

5、本發(fā)明還公開了上述增材制造用al-si-ti體系球形復合粉末的制備方法，包括以下步驟：

6、將al粉、si粉和ti粉進行球磨混合后，得到al-si-ti的混合粉末；

7、對al-si-ti的混合粉末進行預壓成型后，進行燒結處理，得到原位自生ti5si3增強鋁硅合金基復合材料坯錠；

8、將原位自生ti5si3增強鋁硅合金基復合材料坯錠進行霧化處理，得到al-si-ti體系復合粉末。

9、進一步地，所述al粉為球形al粉，所述球形al粉的粒徑為20~53?μm；所述si粉為不規(guī)則形狀，粒徑為1~10μm；所述ti粉的粒徑為1~10μm。

10、進一步地，所述球磨混合的時間為2~12?h，轉速為500~750?r/min，球料比為（4~8）：1，所用磨球為氧化鋯，球磨助劑為無水乙醇，所述無水乙醇的添加量為總質(zhì)量的0.5~2wt.%。

11、進一步地，所述預壓成型是通過放置在石墨模具中預壓成型；所述燒結處理的方式為熱壓燒結或熱等靜壓燒結；所述燒結處理的溫度為550~577?℃，燒結時間為0.5~3?h，燒結壓力為20~100?mpa。

12、進一步地，所述燒結處理后還包括變形加工處理。

13、進一步地，所述變形加工處理的方式為熱擠壓或熱鍛；所述變形加工處理的溫度為300~450?℃。

14、進一步地，所述霧化處理的方式為離子旋轉電極霧化制粉或無坩堝電極感應熔化氣霧化制粉。

15、進一步地，所述霧化處理的步驟為：將原位自生ti5si3增強鋁硅合金基復合材料坯錠作為陽極材料，采用霧化處理將原位自生ti5si3增強鋁硅合金基復合材料坯錠制備成粉末，得到增材制造用al-si-ti體系球形復合粉末。

16、與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明具有以下有益效果：

17、本發(fā)明公開了一種增材制造用al-si-ti體系球形復合粉末，通過調(diào)節(jié)原料配比，能夠?qū)崿F(xiàn)ti5si3的原位生成，且該復合粉末球形度高，雜質(zhì)含量低，增強相呈納米級均勻分布且含量可控，克服了鋁硅合金增材過程中極易形成裂紋、粉末混合不均及ti反應不完全等問題。

18、本發(fā)明還公開了上述增材制造用al-si-ti體系球形復合粉末的制備方法，采用粉末冶金固相成型的方式，在固相條件下制備al-si-ti體系復合棒材，材料的成分可設計性及可調(diào)控性強，避免了如熔鑄過程中原位生成尺寸較大的alsiti三元相、物相組成不易控制及增強相容易偏析等問題；有效解決了增材制造過程中粉末混合不均及反應不完全等問題且有效避免了室溫硬脆相tial3的生成；相較于tial3，ti5si3增強amcs抗拉強度大幅提升同時延性仍得到良好保持，實現(xiàn)了強韌性的良好匹配。

19、進一步地，在alsi共晶溫度以下制備復合材料坯錠，可通過ti-si之間的原位互擴散反應生成彌散細小的ti5si3顆粒增強相并抑制si顆粒的粗化，避免了傳統(tǒng)熔鑄法制備過程中因熔煉溫度高、保溫時間長而生成粗大的ti(al,?si)3、τ1(ti7al5si12)、τ2(ti(al,si)2)等脆性三元化合物和粗大的層狀共晶硅以及增強相顆粒容易偏聚等問題；利用氣霧化制粉過程中的快速冷卻可進一步細化增強相顆粒尺寸以及共晶si尺寸，從而得到含有細小ti5si3增強相顆粒的al-si-ti體系球形復合粉末，為增材制造高性能al-si-ti復合材料提供了理想原料粉末；通過含有細小ti5si3增強相顆粒的al-si-ti體系球形復合粉末的制備，有效解決了傳統(tǒng)粉末混合工藝面臨的粉末混合不均勻、ti反應不完全及粉末球形度降低等問題；

20、進一步地，采用等離子旋轉電極霧化制粉（prep）或無坩堝電極感應熔化氣霧化制粉（eiga）等氣霧化制粉技術可以確保制備的復合粉末的純度、球形度。