Алюминиевый композиционный материал, армированный SiC/TiC, для лазерного плавления и способ его получения Российский патент 2024 года по МПК B22F1/12 B22F9/04 C22C1/53 B33Y70/10 

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 HV_0.05) 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 HV_0.05).

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 HV_0.05.

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 HV_0.05.

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 HV_0.05.

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 HV_0.05.

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 HV_0.05.

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.

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. %:

субмикронные керамические частицы SiC 6,5-16 субмикронные керамические частицы TiC 7,5-18 алюминиевый сплав AlSi11Cu 66-86

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.