铝基复合材料及其制备方法和应用

1.本发明属于材料领域，尤其涉及一种铝基复合材料及其制备方法和应用。

背景技术：

2.激光增材制造技术正在成为解决飞机复杂构件制造的有效途径，尤其是以基于粉末床的选区激光熔化(selective laser melting，slm，又称激光粉床打印)增材制造技术为代表。铝基复合材料激光增材制造技术可大幅减轻零件重量、降低成本，因此铝合金激光增材制造技术在航空、航天、汽车等轻量化、高性能复杂零件制造领域受到高度重视。

3.近年来，以sic、al2o3、tib2等陶瓷颗粒增强铝基复合材料的增材制造技术发展迅速。然而，由于引入的颗粒增强相与铝合金在物理和化学性质方面有很大的差异，导致复合材料的塑性和韧性较差，限制了要具有良好的综合力学性能的结构材料方面的应用。

4.高熵合金(high entropy alloy，hea)是由五种或五种以上等摩尔或近等摩尔的金属(也包含部分非金属)元素组成的以某种单相为基体的固溶体，其具有抗高温蠕变、耐高温氧化、耐腐蚀，高强度和高硬度等特性，将高熵合金作为增强体时，源于金属-金属间天然的界面结合特性，高熵合金与铝合金基体间的界面润湿性与界面相容性好，从而可以有效突破传统陶瓷增强铝基复合材料瓶颈，进而制备出具有良好的综合力学性能的铝基复合材料。同时结合选择性激光熔化(slm)工艺，不仅可以制备出表面精度高，形状任意复杂的复合材料构件，还可以使增强体均匀的分散于基体中，从而对基体起到更好的增强效果，进而制备出高强度、高硬度、高耐磨的铝基复合材料。

5.有鉴于此，有必要开发一种高熵合金增强铝基复合材料的增材制造方法，用以解决上述问题。

技术实现要素：

6.本发明旨在至少解决上述现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明第一个方面提出一种铝基复合材料，具有较高的硬度和强度。

7.本发明的第二个方面提出了此种铝基复合材料的制备方法。

8.本发明的第三个方面提出了此种铝基复合材料的应用。

9.根据本发明的第一个方面，提出了一种铝基复合材料，所述铝基复合材料含有alsi10mg合金和alfecrconi

2.1

高熵合金。

10.在本发明的一些实施方式中，所述铝基复合材料中所述alfecrconi

2.1

高熵合金的含量为4.5wt.％～5wt.％。

11.在本发明的一些实施方式中，所述铝基复合材料中所述alsi10mg合金的含量为95wt.％～95.5wt.％。

12.在本发明中，所述alfecrconi

2.1

高熵合金又称共晶高熵合金，是一种典型的耐高温的高熵合金，其熔点可达1500℃以上，而现在研究的其他高熵合金可能会在成型过程中溶解在基体中，造成成型缺陷，影响力学性能，并且alfecrconi

2.1

高熵合金粉末材料已经实

现产业化，其他高熵合金可能无法制备成符合要求的粉末材料。

13.根据本发明的第二个方面，提出了一种第一方面所述的铝基复合材料的制备方法，包括如下步骤：

14.s1：alsi10mg合金粉末与alfecrconi

2.1

高熵合金颗粒球磨混合，得到alfecrconi

2.1

/alsi10mg复合粉末，将所述复合粉末平铺在slm金属3d打印机成形舱的基板上，形成复合粉末层；

15.s2：惰性气体保护条件下，对所述复合粉末层进行激光扫描熔凝成形；

16.s3：重复s1和s2，实现逐层激光扫描打印成形，得到所述铝基复合材料。

17.在本发明中，实际打印过程还包括：建立制件的三维模型，再用切片软件获得每层平面轮廓模型，操作前用酒精擦拭基板、粉料缸、刮刀等部件，并向成形舱中充入惰性气体保护；刮刀将粉末从粉料缸刮到成形舱，激光束根据模型进行打印路径扫描，扫描完成一层后成形舱带动成形基板下降一个层厚高度后重新进行铺粉，激光根据下一层模型重新扫描打印，最终堆积得到复合材料制件。

18.在本发明的一些实施方式中，s1中所述alsi10mg合金粉末为类球形，平均粒径为13μm～53μm。

19.在本发明的一些实施方式中，s1中所述alfecrconi

2.1

高熵合金颗粒为类球形，平均粒径为13μm～53μm。

20.在本发明的一些实施方式中，s1中所述alfecrconi

2.1

高熵合金颗粒的质量占所述复合粉末的4.5wt.％～5wt.％。

21.在本发明的一些实施方式中，以质量百分比计，s1中所述alsi10mg合金粉末包括以下成分：si：9.87～10wt.％；fe：0.08～0.09wt.％；mg：0.30～0.32wt.％；zn《0.01wt.％；ti：0.014～0.015wt.％；cu：0.019～0.02wt.％；ni《0.01wt.％；o：《0.04wt.％，余量为al及不可避免杂质。

22.在本发明的一些实施方式中，s1中所述alfecrconi

2.1

高熵合金颗粒中元素含量al：co：cr：fe：ni为1:1:1:1:2.1。

23.在本发明的一些实施方式中，s1中所述球磨混合的磨球的直径为5mm～15mm。

24.在本发明的一些实施方式中，上述磨球的质量与alsi10mg合金粉末、alfecrconi

2.1

高熵合金颗粒质量和之比为1：(10～11)。

25.在本发明的一些实施方式中，s1中所述球磨的转速为150r/min～200r/min，时间为2h～3h。

26.在本发明的一些实施方式中，s1中所述成形舱内的压力为5kpa～8kpa。

27.在本发明的一些实施方式中，s1中所述成形舱内的氧含量＜100ppm。

28.在本发明的一些实施方式中，s2中所述惰性气体选自氮气或氩气。

29.在本发明的一些实施方式中，s1中所述基板为al-si系铝合金板材。

30.在本发明的一些实施方式中，s1中所述复合粉末层的厚度为30μm～35μm。

31.在本发明的一些实施方式中，s2中所述激光扫描的激光功率为260w～340w。

32.在本发明的一些实施方式中，s2中所述激光扫描的扫描速度为1200mm/s～1300mm/s。

33.在本发明的一些实施方式中，s3中所述逐层激光扫描打印成形具体为：每层的激

光扫描路径与上一层的激光扫描路径成60

°

～67

°

的夹角进行打印成形。

34.在本发明中，在每一层打印成形的过程中，激光束按照预设的扫描路径先成形内部实体平面，完成内部实体平面的成形后，激光束围绕着该层内部实体平面的边缘由内至外依次进行外部轮廓的扫描成形，最终完成单层打印层的成形。打印内部实体平面的激光功率和扫描速度与打印外部轮廓的激光功率和扫描速度保持一致。

35.根据本发明的第三个方面，提出了第一方面所述的铝基复合材料在航空、航天、汽车零件制造中的应用。

36.本发明的有益效果为：

37.本发明的铝基复合材料的内部实体组织表现为共晶si以网络状的形式分布在α-al基体中，另外在可以观察到alfecrconi

2.1

高熵合金颗粒均匀的分布于基体中，同时可以观察到alfecrconi

2.1

高熵合金颗粒于基体之间形成了明显的过渡层，其过渡层厚为1μm～2μm，本发明的铝基复合材料具有较高的硬度和强度。

38.本发明铝基复合材料的制备简单，适于大规模生产。

39.本发明的铝基复合材料由于其良好的综合力学性能以及轻便、成本低的特点，可以用于航空、航天、汽车等轻量化、高性能复杂零件的制造中。

附图说明

40.下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明，其中：

41.图1中(a)为本发明实施例1所采用的alsi10mg合金粉末的微观形貌，(b)为本发明实施例1所采用的alfecrconi

2.1

高熵合金颗粒的微观形貌；

42.图2为本发明实施例1制得的铝基复合材料(alfecrconi

2.1

/a1si10mg)在垂直(a)和水平(b)方向上的内部实体组织光学显微照片；

43.图3为根据本发明实施例1制得的铝基复合材料(alfecrconi

2.1

/a1si10mg)中单个alfecrconi

2.1

颗粒的eds线扫描图；

44.图4为根据本发明实施例1制得的铝基复合材料(alfecrconi

2.1

/a1si10mg)的ebsd图谱；

45.图5为根据本发明对比例制得的alsi10mg合金在垂直(a)和水平(b)方向上的内部实体组织光学显微照片。

具体实施方式

46.以下将结合实施例对本发明的构思及产生的技术效果进行清楚、完整地描述，以充分地理解本发明的目的、特征和效果。显然，所描述的实施例只是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例，基于本发明的实施例，本领域的技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的其他实施例，均属于本发明保护的范围。

47.以下各实施例对比例使用的alsi10mg合金粉末，以质量百分比计，alsi10mg合金粉末由以下成分组成：si：9.87wt.％；fe：0.09wt.％；mg：0.3wt.％；zn：《0.01wt.％；ti：0.014wt.％；cu：0.019wt.％；ni：《0.01wt.％；0：0.04wt.％，余量为al及不可避免杂质。

48.以下各实施例对比例使用的alfecrconi

2.1

高熵合金颗粒，以元素含量百分比计，alfecrconi

2.1

高熵合金颗粒由以下成分组成：al：17.16at.％；co：17.48at.％；cr：

16.02at.％；fe：16.00at.％；ni：33.34at.％。

49.采用的切片软件为materialise magics。

50.实施例1

51.本实施例制备了一种铝基复合材料，具体过程为：

52.先建立制件的三维模型，再用切片软件获得每层平面轮廓模型，试验前用酒精擦拭基板、粉料缸、刮刀等部件，并向成形舱中充入氩气保护，成形舱内的压力保持在5kpa～8kpa，氧含量低于100ppm。

53.(1)以质量分数计，将95wt.％alsi10mg合金粉末与5wt.％alfecrconi

2.1

高熵合金颗粒添加至球磨罐中，同时向球磨罐中充入ar气体进行保护，其罐中氧含量低于100ppm，同时添加磨球于罐中，其中磨球与粉料的质量比为1:10，磨球的直径为10mm，然后将球磨罐置于三维行星球磨机中，调节转速为180r/min，使其充分混合，进而制备出alfecrconi

2.1

/alsi10mg复合粉末，然后刮刀将alfecrconi

2.1

/alsi10mg复合粉末从粉料缸刮到成形舱，平铺在成形舱的alsi10mg的合金基板，形成厚度为30μm～35μm的复合粉末层；

54.(2)在ar气体的保护下，对上述复合粉末层进行激光扫描成形：其中，在每一层打印成形的过程中，激光束按照根据模型预设的扫描路径先成形内部实体平面，完成内部实体平面的成形后，激光束围绕着该层内部实体平面的边缘由内至外依次进行外部轮廓的扫描成形，进而完成单层的打印过程。逐层执行上述打印层的成形过程，扫描完成一层后成形舱带动成形基板下降一个层厚高度后重新进行铺粉，激光根据下一层模型重新扫描打印，最终堆积得到铝基复合材料制件。其中，每层的激光扫描路径与上一层的激光扫描路径成60

°

～67

°

的夹角，直至完成alfecrconi

2.1

/alsi10mg复合材料的制造成形。打印内部实体平面的激光功率和扫描速度与打印外部轮廓保持一致。本实施例中所采用的激光工艺参数为：激光功率260w，扫描速度1300mm/s，扫描间距130μm，层厚30μm。

55.图1中(a)为本实施例采用的alsi10mg合金粉末的微观形貌，从(a)图中可以看出，该合金粉末呈类球形，偶见卫星粉，本实施例中的合金粉末90％以上的粉末粒径集中在13μm～53μm之间，基本无团聚块，有利于提高铝合金制件的致密度；图1中(b)为本实施例采用的alfecrconi

2.1

高熵合金粉末的微观形貌，从(b)中可以看出，该合金可以基本呈球形，存在卫星颗粒，本实施例中的合金粉末80％以上的粉末粒径集中在13～53μm之间，基本无团聚块。

56.图2为根据本实施例制得的铝基复合材料(alfecrconi

2.1

/alsi10mg)在垂直(a)和水平(b)方向上的内部组织光学显微照片。宏观上，垂直方向上的组织呈现鱼鳞状，为一个个胞状晶粒按层分布，单个鱼鳞状组织直径在70μm～130μm，由于每层激光扫描的路径不同，相邻层的鱼鳞状组织呈交错状；水平方向组织呈条带状，单条的宽度在130μm～180μm，其为熔池的延伸轨迹。在本实施例激光打印工艺参数下，晶粒组织细小、均匀、致密分布，无气孔、疏松、夹杂缺陷。同时基体中均匀分布的alfecrconi

2.1

高熵合金颗粒，起到了第二相强化作用。

57.图3为本实施例制得的铝基复合材料(alfecrconi

2.1

/alsi10mg)中单个alfecrconi

2.1

高熵合金颗粒的eds线扫描图，图中可以分析出alfecrconi

2.1

高熵合金颗粒与a1si10mg基体存在着明显的过渡层，其层厚大约为1μm。

58.图4为本实施例制得的铝基复合材料(alfecrconi

2.1

/alsi10mg)的ebsd图谱，由图

中可以看出，其基体的晶粒尺寸基本分布在2μm～6μm之间。

59.实施例2

60.本实施例制备了一种铝基复合材料，具体过程为：

61.先建立制件的三维模型，再用切片软件获得每层平面轮廓模型，试验前用酒精擦拭基板、粉料缸、刮刀等部件，并向成形舱中充入氩气保护，成形舱内的压力保持在5kpa～8kpa，氧含量低于100ppm。

62.以质量分数计，将95.5wt.％alsi10mg合金粉末与4.5wt.％alfecrconi

2.1

高熵合金颗粒添加至球磨罐中，同时向球磨罐中充入惰性气体，其罐中氧含量低于100ppm，同时添加一点比例的磨球于罐中，其中磨球与粉料的质量比为1:10，磨球的直径为10mm，然后将球磨罐置于三维行星球磨机中，调节转速为180r/min，使其充分混合，进而制备出alfecrconi

2.1

/alsi10mg复合粉末。然后刮刀将alfecrconi

2.1

/alsi10mg复合粉末从粉料缸刮到成形舱，平铺在成形舱的alsi10mg的合金基板，形成厚度为30μm～35μm的复合粉末层；

63.(2)在ar气体的保护下，对上述复合粉末层进行激光扫描成形：其中，在每一层打印成形的过程中，激光束按照根据模型预设的扫描路径先成形内部实体平面，完成内部实体平面的成形后，激光束围绕着该层内部实体平面的边缘由内至外依次进行外部轮廓的扫描成形，进而完成单层的打印过程。逐层执行上述打印层的成形过程，扫描完成一层后成形舱带动成形基板下降一个层厚高度后重新进行铺粉，激光根据下一层模型重新扫描打印，最终堆积得到铝基复合材料制件。其中，每层的激光扫描路径与上一层的激光扫描路径成60

°

～67

°

的夹角，直至完成alfecrconi

2.1

/alsi10mg复合材料的制造成形。打印内部实体平面的激光功率与打印外部轮廓的激光功率保持一致，打印内部实体平面的扫描速度与打印外部轮廓的扫描速度保持一致。本实施例中所采用的激光工艺参数为：激光功率260w，扫描速度1300mm/s，扫描间距130μm，层厚30μm。

64.实施例3

65.本实施例制备了一种铝基复合材料，具体过程为：

66.先建立制件的三维模型，再用切片软件获得每层平面轮廓模型，试验前用酒精擦拭基板、粉料缸、刮刀等部件，并向成形舱中充入氩气保护，成形舱内的压力保持在5kpa～8kpa，氧含量低于100ppm。

67.以质量分数计，将95.5wt.％alsi10mg合金粉末与4.5wt.％alfecrconi

2.1

高熵合金颗粒添加至球磨罐中，同时向球磨罐中充入惰性气体，其罐中氧含量低于100ppm，同时添加一点比例的磨球于罐中，其中磨球与粉料的质量比为1:10，磨球的直径为10mm，然后将球磨罐置于三维行星球磨机中，调节转速为180r/min，使其充分混合，进而制备出alfecrconi

2.1

/alsi10mg复合粉末。然后刮刀将alfecrconi

2.1

/alsi10mg复合粉末从粉料缸刮到成形舱，平铺在成形舱的alsi10mg的合金基板，形成厚度为30μm～35μm的复合粉末层；

68.(2)在ar气体的保护下，对上述复合粉末层进行激光扫描成形：其中，在每一层打印成形的过程中，激光束按照根据模型预设的扫描路径先成形内部实体平面，完成内部实体平面的成形后，激光束围绕着该层内部实体平面的边缘由内至外依次进行外部轮廓的扫描成形，进而完成单层的打印过程。逐层执行上述打印层的成形过程，扫描完成一层后成形舱带动成形基板下降一个层厚高度后重新进行铺粉，激光根据下一层模型重新扫描打印，最终堆积得到铝基复合材料制件。其中，每层的激光扫描路径与上一层的激光扫描路径成

60

°

～67

°

的夹角，直至完成alfecrconi

2.1

/alsi10mg复合材料的制造成形。打印内部实体平面的激光功率与打印外部轮廓的激光功率保持一致，打印内部实体平面的扫描速度与打印外部轮廓的扫描速度保持一致。本实施例中所采用的激光工艺参数为：激光功率300w，扫描速度1200mm/s，扫描间距130μm，层厚30μm。

69.对比例

70.本对比例制备了一种alsi10mg合金，与实施例2的区别在于不添加alfecrconi

2.1

高熵合金颗粒，其余具体过程参照实施例1进行。

71.图5为本对比例制得的a1si10mg合金在垂直(a)和水平方向(b)上的内部实体组织光学显微照片，宏观上看，垂直方向上的组织呈现鱼鳞状，为一个个胞状晶粒按层分布，单个鱼鳞状组织直径在50μm～120μm，由于每层激光扫描的路径不同，相邻层的鱼鳞状组织呈交错状，水平方向组织呈条带状，单条的宽度在120μm～150μm，条带状组织为熔滴滚动轨迹或者说熔池的延伸轨迹。图5与图2对比，可以看出的加入alfecrconi

2.1

高熵合金颗粒后熔道的宽度变宽，这也说明了alfecrconi

2.1

高熵合金颗粒的加入有利于alsi10mg对激光能量的吸收。

72.试验例

73.将依据实施例1、实施例2、实施例3和对比例中的制备方法制备的铝基复合材料(alfecrconi

2.1

/alsi10mg)和alsi10mg合金分别制成标准拉伸试样，并将各个试样分别固定到材料试验机(电子万能试验机)上进行室温状态下的拉伸试验，拉伸试验结果见表1所示。

74.表1：alfecrconi

2.1

/alsi10mg复合材料与a1si10mg合金拉伸强度和硬度

[0075] 抗拉强度(mpa)屈服强度(mpa)硬度(hv

0.5

)实施例1477366172实施例2454364180实施例3462369176对比例401275138

[0076]

结论：从表1中可以看出，实施例1～3制备的alfecrconi

2.1

/alsi10mg复合材料相比于传统的增材制造alsi10mg合金强度明显提高，具体地，抗拉强度提升了约19.3％，屈服强度提升了约33.1％，硬度提升了约26.8％。

[0077]

上面对本发明实施例作了详细说明，但是本发明不限于上述实施例，在所属技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。此外，在不冲突的情况下，本发明的实施例及实施例中的特征可以相互组合。技术特征：

1.一种铝基复合材料，其特征在于，所述铝基复合材料含有alsi10mg合金和alfecrconi

2.1

高熵合金。2.根据权利要求1所述的铝基复合材料，其特征在于，所述铝基复合材料中所述alfecrconi

2.1

高熵合金的含量为4.5wt.％～5wt.％。3.权利要求1～2任一项所述的铝基复合材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：s1：alsi10mg合金粉末与alfecrconi

2.1

高熵合金颗粒球磨混合，得到alfecrconi

2.1

/alsi10mg复合粉末，将所述复合粉末平铺在slm金属3d打印机成形舱的基板上，形成复合粉末层；s2：惰性气体保护条件下，对所述复合粉末层进行激光扫描熔凝成形；s3：重复s1和s2，实现逐层激光扫描打印成形，得到所述铝基复合材料。4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，s1中所述alfecrconi

2.1

高熵合金颗粒为类球形，平均粒径为13μm～53μm。5.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，s1中所述基板为al-si系铝合金板材。6.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，s1中所述复合粉末层的厚度为30μm～35μm。7.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，s2中所述激光扫描的激光功率为260w～340w。8.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，s2中所述激光扫描的扫描速度为1200mm/s～1300mm/s。9.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，s3中所述逐层激光扫描打印成形具体为：每层的激光扫描路径与上一层的激光扫描路径成60

°

～67

°

的夹角进行打印成形。10.权利要求1～2任一项所述的铝基复合材料在航空、航天、汽车零件制造中的应用。

技术总结

本发明提供一种铝基复合材料及其制备方法和应用。本发明的铝基复合材料含有AlSi10Mg合金和AlFeCrCoNi

技术研发人员：陈斌 刘才远 李润霞 王彪 吴惠舒 任是铭 王福柱 陈明 李卫荣

受保护的技术使用者：东莞理工学院

技术研发日：2022.11.29

技术公布日：2023/4/5