專利名稱：金屬-陶瓷多維度功能梯度結(jié)構(gòu)件的激光近凈成形方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種金屬-陶瓷多維度功能梯度結(jié)構(gòu)件的激光近凈成形方法。
背景技術(shù)：
隨著空間科技及能源技術(shù)的快速發(fā)展，某些特殊的極端工況條件要求結(jié)構(gòu)件不同的工作部位具備不同的性能，如航天飛機(jī)發(fā)動機(jī)燃燒室器壁，一側(cè)接觸數(shù)千度高溫氣體，要求材料具備優(yōu)良的耐熱性能，而另一側(cè)承受低溫液氫冷卻，則要求材料具備良好的導(dǎo)熱性和機(jī)械性能。傳統(tǒng)的耐熱金屬、陶瓷或金屬陶瓷等均質(zhì)材料都難以承受此種極端工況，若采用涂層技術(shù)，由于基體與涂層的熱膨脹系數(shù)及彈性模量的失配，很容易產(chǎn)生熱應(yīng)力導(dǎo)致涂層開裂或脫落。金屬-陶瓷功能梯度材料采用先進(jìn)的材料復(fù)合技術(shù)，通過控制金屬與陶瓷材料的相對組成和組織結(jié)構(gòu)，使其無界面地連續(xù)過渡，從而使整個(gè)材料具有耐熱性好且機(jī)械強(qiáng)度高的綜合性能。自20世紀(jì)80年代后期日本學(xué)者首先提出功能梯度材料的概念以來，金屬-陶瓷功能梯度材料已在航空航天、能源工程、生物醫(yī)學(xué)、核工程等諸多領(lǐng)域得到了實(shí)際應(yīng)用。目前，金屬-陶瓷功能梯度結(jié)構(gòu)件的制備方法主要有粉末冶金法、等離子噴涂法、自蔓延燃燒高溫合成法、氣相沉積法、電沉積法、激光熔覆法和離心鑄造法等。其中激光熔覆法由于具有梯度控制精確簡單、適應(yīng)材料廣、加工柔性大且效率高等一系列優(yōu)點(diǎn)，而成為材料制備、成形的重要方法之一，引起了國內(nèi)外的重點(diǎn)關(guān)注，以下文獻(xiàn)均有報(bào)道:美國學(xué)者W.P.Liu，J.N.Dupont 激光近凈成形法制備TiC/Ti功能梯度材料(Fabrication of functionally graded TiC/Ti composites by Laser Engineered NetShaping)”,《材料雜志(Scripta Materialia))), 2003 年 48 卷。英國學(xué)者F.Wang，J.Mei，X.H.Wu 利用粉末及金屬絲激光快速制造Ti6A14V/TiC 功能梯度材料(Compositionally graded Ti6A14V + TiC made by direct laserfabrication using powder and wire)，，，《材料與設(shè)計(jì)(Materials and Design)》，2007 年28卷。以色列學(xué)者M(jìn).Riabkina-Fishman, E.Rabkin, P.Levin 等:“M2 高速工具鋼表面激光制備碳化鶴功能梯度涂層(Laser produced functionally graded tungsten carbidecoating on M2 high-speed tool steel)，，，《材料科學(xué)與工程(Materials Science andEngineering))), 2001 年 A302 卷。新西蘭學(xué)者Y.T.Pei, V.0celik, J.Th.M.De Hosson 激光熔融注射制備 SiCp/Ti6A14V 功能梯度材料(SiCp/Ti6A14V functionally graded material produced bylaser melt injection)”，《材料動態(tài)(Acta Materialia)》，2002 年 50 卷。中國學(xué)者Y.M.Wang, J.D.Hu, X.L.He 激光直接制備原位自生Ni/TiC功能梯度材料(In-situ reactive processing of Ni/TiC functionally gradient materials bydirect laser fabrication)，，，〈〈工程激光(Laser in Engineering)〉〉，2007 年 17 卷。中國學(xué)者王存山、夏元良、李剛等:“寬帶激光熔覆Ni — WC梯度復(fù)合涂層組織與性能”，《應(yīng)用激光》，2001年3卷。通過文獻(xiàn)調(diào)研了解到，目前采用激光熔覆法制備金屬-陶瓷功能梯度材料的研究還只是集中在功能梯度涂層及簡單塊體的制備上，不能直接成形結(jié)構(gòu)件，搭配材料設(shè)計(jì)種類少，而且其功能梯度的變化僅保持在一個(gè)維度內(nèi)。而隨著科技的發(fā)展，更加復(fù)雜的服役環(huán)境對于功能梯度材料制備的零件的功能要求越來越苛刻，不再僅限于一個(gè)零件具有兩種適應(yīng)性，而希望同一個(gè)零件的不同部位能夠具有多種功能，滿足多重環(huán)境的適應(yīng)。因此尋找一種可以實(shí)現(xiàn)多維度功能梯度變化、可直接成形多成分大尺寸復(fù)雜結(jié)構(gòu)件的成形方法具有重要的意義。

發(fā)明內(nèi)容
為解決金屬-陶瓷多維度功能梯度結(jié)構(gòu)件傳統(tǒng)制備方法中存在的功能梯度變化維度單一、無法直接成形復(fù)雜結(jié)構(gòu)件等問題，本發(fā)明提供一種高效優(yōu)質(zhì)且加工柔性強(qiáng)的金屬-陶瓷多維度功能梯度結(jié)構(gòu)件的直接成形方法，不但可以實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)件多維度功能梯度變化，而且能夠適應(yīng)多種高熔點(diǎn)材料及復(fù)雜結(jié)構(gòu)件的直接成形。為實(shí)現(xiàn)上述目的，金屬-陶瓷功能梯度結(jié)構(gòu)件激光近凈成形方法具體的技術(shù)方案包括以下步驟:A、根據(jù)設(shè)計(jì)方案選擇直徑為2(T90 的近球形金屬及陶瓷粉末，選用粉末必須滿足一定的搭配原則:陶瓷粉末的熔點(diǎn)不高于金屬粉末的沸點(diǎn)，金屬粉末與陶瓷粉末不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，且金屬粉末與陶瓷粉末的熱膨脹系數(shù)相差不能超過5X10_6/°C，如PSZ/T1、TiC/Ti及WC/W等組系功能梯度材料，粉末用烘干箱進(jìn)行100°C干燥處理后分別放入送粉器不同的送粉筒內(nèi)；B、調(diào)整激光加工頭使粉末流焦點(diǎn)處于基板加工表面；同時(shí)保證粉末流焦點(diǎn)與激光焦點(diǎn)重合，以提高粉末利用率。C、成形過程 中為保證金屬粉末及陶瓷粉末均能處于熔化狀態(tài)，調(diào)整成形參數(shù):激光功率密度調(diào)整范圍為IO4 ^lO6 W/cm2，掃描速度調(diào)整范圍為20(T800mm/min，送粉量調(diào)整范圍為1.0 3.5g/min ；D、打開惰性氣體，為成形加工提供送粉動力和氣體保護(hù)，調(diào)整送粉氣壓及保護(hù)氣壓均為0.r0.35MPa，先后啟動送粉器和激光器對金屬-陶瓷復(fù)合粉末進(jìn)行成形加工，實(shí)時(shí)控制不同粉筒的送粉量，實(shí)現(xiàn)空間多維度功能梯度的變化。E、成形過程中保持各種材料總的送粉體積不變，以保證每道及每層的成形厚度一致。本發(fā)明步驟D所述的惰性氣體的純度不小于99.9%，可以為送粉提供足夠的動力也可為成形制造提供氣體保護(hù)氛圍，防止氧化。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果:1、本發(fā)明中所采用的制備方法與以往報(bào)道的方法相比，可以更便捷精確地控制不同材料組分的配比，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜維度材料組分的連續(xù)變化，到達(dá)更優(yōu)異的機(jī)械及熱力學(xué)性倉泛;2、本發(fā)明中所采用的制備方法與以往報(bào)道的方法相比，加工柔性更強(qiáng)且成形件不受形狀及大小的限制，可實(shí)現(xiàn)多組分大尺寸復(fù)雜結(jié)構(gòu)件的快速成形；
3、本發(fā)明中所采用的制備方法與以往報(bào)道的方法相比，成形過程中冷卻速度更快，易于得到更加細(xì)密均勻的微觀組織，有利于結(jié)構(gòu)件力學(xué)及熱學(xué)性能的提高；4、本發(fā)明中所采用的制備方法與以往報(bào)道的方法相比，可以成形各種高熔點(diǎn)材料的功能梯度結(jié)構(gòu)件，豐富了功能梯度結(jié)構(gòu)件的材料設(shè)計(jì)選擇，拓寬了功能梯度材料的應(yīng)用范圍；5、本發(fā)明中所采用的制備方法與以往報(bào)道的方法相比，逐道搭接及逐層疊加成形時(shí)更容易保證每層每道的成形體積，保證結(jié)構(gòu)件的尺寸精度。


圖1是金屬-陶瓷功能梯度結(jié)構(gòu)件的激光近凈成形裝置示意圖。圖2是多維度梯度變化的金屬-陶瓷功能梯度刀具示意圖。圖中:1固體連續(xù)激光器；2傳輸光纖；3激光加工頭；4激光束；5成形件；6基板；7-1送粉器的粉筒A ；7-2送粉器的粉筒B ；7-3送粉器的粉筒C ；8惰性氣體；9刃口。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步說明。圖1所示為金屬-陶瓷多維度功能梯度結(jié)構(gòu)件的激光近凈成形系統(tǒng)示意圖，本發(fā)明的實(shí)施例要求:成形如圖2所示的某金屬-陶瓷功能梯度刀具，金屬材料粉末設(shè)計(jì)用Ti，陶瓷粉末采用TiC，要求該刀具刃口部位(圖中粗實(shí)線區(qū)域)為純TiC材料，從刃口到兩側(cè)均實(shí)現(xiàn)TiC材料的100% — 0%的梯度過渡，材料配比設(shè)計(jì)如表I所示。表I金屬陶瓷組分梯度變化設(shè)計(jì)示意圖表，其中數(shù)值代表TiC體積分?jǐn)?shù)百分比。
權(quán)利要求
1.金屬-陶瓷多維度功能梯度結(jié)構(gòu)件的激光近凈成形方法，其特征在于該方法包括以下步驟: A、將直徑為2(T90u m的近球形金屬及陶瓷粉末干燥處理后分別放入送粉器不同的粉筒中； B、調(diào)整激光加工頭使粉末流焦點(diǎn)位于成形基板表面，并使粉末流焦點(diǎn)與激光光束焦點(diǎn)重合； C、設(shè)置成形參數(shù):激光功率密度調(diào)整范圍為IO4^lO6 W/cm2，掃描速度調(diào)整范圍為20(T800mm/min,送粉量調(diào)整范圍為1.0^3.5g/min,保證金屬粉末及陶瓷粉末均能處于熔化狀態(tài)； D、打開惰性氣體，先后啟動送粉器和激光器對金屬-陶瓷復(fù)合粉末進(jìn)行成形加工，通過實(shí)時(shí)控制不同粉筒的送粉量，實(shí)現(xiàn)空間多維度功能梯度的變化； E、成形過程中保持各種材料總的送粉體積不變。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的金屬-陶瓷多維度功能梯度結(jié)構(gòu)件的激光近凈成形方法，其特征在于:所述陶瓷粉末的熔點(diǎn)不能高于金屬粉末的沸點(diǎn)，金屬粉末與陶瓷粉末不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，且金屬粉末與陶瓷粉末的熱膨脹系數(shù)相差不能超過5 X 10-6/oC。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的金屬-陶瓷多維度功能梯度結(jié)構(gòu)件的激光近凈成形方法，其特征在于:所述的金屬粉末與 陶瓷粉末為PSZ/T1、TiC/Ti或WC / W。
全文摘要
本發(fā)明公布了金屬-陶瓷多維度功能梯度結(jié)構(gòu)件的激光近凈成形方法，利用激光快速成形系統(tǒng)以組分配比變化的金屬、陶瓷粉末為原料直接成形多維度功能梯度結(jié)構(gòu)件，具體步驟是將兩種或兩種以上的金屬粉末與陶瓷粉末烘干后分別放入送粉器不同的粉筒中，以惰性氣體作為送粉和保護(hù)氣體，通過數(shù)控程序控制激光加工頭的移動軌跡、移動速度以及送粉器各粉筒的實(shí)時(shí)送粉量，可以在基板水平面內(nèi)及垂直面內(nèi)實(shí)現(xiàn)梯度變化，從而在整個(gè)空間內(nèi)達(dá)到復(fù)雜多維的梯度變化。本發(fā)明一方面提供了一種金屬-陶瓷多維度功能梯度結(jié)構(gòu)件的直接成形方法，另一方面該方法適用于各種高熔點(diǎn)材料的熔化凝固成形，擴(kuò)大了功能梯度材料設(shè)計(jì)的選擇范圍。
文檔編號B22F3/105GK103121103SQ20131006599
公開日2013年5月29日 申請日期2013年3月1日 優(yōu)先權(quán)日2013年3月1日
發(fā)明者吳東江, 牛方勇, 馬廣義, 郭東明 申請人:大連理工大學(xué)