一種TiC-FeCr-Gr復(fù)合材料構(gòu)件的激光成形方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于激光成形領(lǐng)域，涉及一種TiC-FeCr-Gr復(fù)合材料構(gòu)件的激光成形方法。
【背景技術(shù)】
[0002]TiC具有極高的熔點(diǎn)、優(yōu)秀的高溫強(qiáng)度、熱穩(wěn)定性，密度低、彈性模量較高、硬度高和耐磨性好。鎳基高溫合金及其復(fù)合材料由于具有良好的抗高溫蠕變、耐蝕性、高屈服強(qiáng)度和斷裂韌性，用于航空航天、石油、化工、冶金、電力等領(lǐng)域。
[0003]MMC的制備技術(shù)依據(jù)增強(qiáng)顆粒的加入方式的不同，可分為原位自生和強(qiáng)制加入兩種。原位自生技術(shù)借助合金設(shè)計(jì)，在基體金屬內(nèi)原位反應(yīng)成核，生成一種或幾種熱力學(xué)穩(wěn)定的增強(qiáng)相，這種方法避免了外加增強(qiáng)體的分解、節(jié)約能源、資源并能夠減少排放，材料的增強(qiáng)體表面無(wú)污染，制品性能優(yōu)良。但其工藝過(guò)程要求嚴(yán)格、較難掌握、且增強(qiáng)相的成分和體積分?jǐn)?shù)不易控制。
[0004]激光成形工藝?yán)眯◇w積累積成形的方法，可以在宏觀(guān)控制增強(qiáng)相的均勻分布，為送粉激光原位成形顆粒增強(qiáng)MMC提供可能。金屬粉與石墨(Gr)的堆積密度相差較大，在激光成形過(guò)程中，容易因?yàn)榉垠w密度相差較大而造成分層，在成形部件中造成增強(qiáng)相的分布不均，而且會(huì)改變?cè)鰪?qiáng)相的設(shè)計(jì)成分，大幅降低石墨TiC-FeCr-Gr復(fù)合材料部件的性能。因此本發(fā)明采用在線(xiàn)連續(xù)送粉激光原位復(fù)合成形的方法，制備增強(qiáng)相分布連續(xù)可控的TiC-FeCr-Gr復(fù)合材料部件。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種增強(qiáng)相分布可控的TiC-FeCr-Gr復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件的激光成形方法。本發(fā)明從原位合成路線(xiàn)和激光成形工藝著手，使增強(qiáng)相在復(fù)合材料中分布均勾可控，實(shí)現(xiàn)性能優(yōu)良的TiC-FeCr-Gr復(fù)合材料部件的激光成形。
本發(fā)明方法主要包括以下步驟:
(1)原料配方與預(yù)處理
原料配方為:石墨0.91~3.61wt.%，Ti 粉末4.32~9.81wt.%，Cr粉末13.47-23.21wt.%，稀土氧化物0.13-0.33wt.%，F(xiàn)e粉末余量；原料采用粉體形式，金屬粉末和石墨粉顆粒尺寸60~200微米；將金屬Ti粉、稀土氧化物粉末一起球磨0.5-6小時(shí)；將Fe粉、Cr粉末一起球磨0.5-6小時(shí)；
(2)送粉與混料
采用多料斗螺旋送粉混合系統(tǒng)送粉和及時(shí)混合，所述多料斗螺旋送粉混合系統(tǒng)由三個(gè)送粉器分別通過(guò)送粉管與一個(gè)共同的激光頭連接組成，將Ti粉、稀土氧化物粉末放入第1個(gè)料斗中，石墨粉置于第2個(gè)料斗中，F(xiàn)e、Cr混合粉末置于第3個(gè)料斗中；3個(gè)送粉器同時(shí)送粉，并通過(guò)調(diào)整螺桿轉(zhuǎn)速控制粉體的比例；
(3)激光成形激光成形的激光頭采用3管同軸不連續(xù)噴嘴，實(shí)現(xiàn)對(duì)激光熔池的環(huán)抱粉體噴射，使激光熔池各成分均勻分布；將設(shè)計(jì)部件的數(shù)字圖形數(shù)據(jù)利用分層軟件進(jìn)行切片，并建立分層激光掃描路徑及其層間連接配合，設(shè)置每層厚度為0.04-0.6_，然后在四軸數(shù)字加工機(jī)床上分層進(jìn)行激光成形；控制送粉成分和激光掃描路線(xiàn)，使得局部生成的增強(qiáng)相TiC比例成梯度連續(xù)變化，即構(gòu)件內(nèi)部為金屬基體材料，外層為T(mén)iC-FeCr-Gr復(fù)合材料，并最終使用的原料符合步驟(1)的要求。
[0006]步驟(3)中，激光加工采用光纖/半導(dǎo)體/0)2激光器，輸出功率100~3000W，光斑直徑0.2~4mm,搭接率10~80%，激光頭Ar氣流量0.5~13L/min,送粉器Ar氣流量0.5-12L/min，激光頭掃描速度3~125mm/s。
[0007]本發(fā)明所用的多料斗螺旋送粉混合系統(tǒng)由三個(gè)送粉器分別通過(guò)送粉管與一個(gè)共同的激光頭連接組成，粉體即時(shí)送至激光頭進(jìn)行激光成形。如圖1所示。所述送粉器由料斗、螺桿和流化器組成，所述螺桿由直流步進(jìn)電機(jī)推動(dòng)。
[0008]本發(fā)明以多料斗螺旋送粉混料系統(tǒng)即時(shí)送粉，并利用同軸不連續(xù)激光頭成形，實(shí)現(xiàn)了增強(qiáng)相的分布控制，消除增強(qiáng)相分布不勻的情況，實(shí)現(xiàn)Tic含量可調(diào)的TiC-FeCr-Gr復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件的激光成形。
[0009]本發(fā)明方法將部件表層和內(nèi)層進(jìn)行分別成形，控制送粉成分和激光掃描路線(xiàn)，實(shí)現(xiàn)內(nèi)外分層結(jié)構(gòu)的TiC-FeCr-Gr合材料部件的激光制造，使部件內(nèi)部具有金屬材料的韌性，表層具有耐磨的功能，且部件整體斷裂韌度為同類(lèi)金屬部件的60%以上。
【附圖說(shuō)明】
[0010]圖1多料斗螺旋送粉混合系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0011]結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步描述。
[0012]實(shí)施例一
一種TiC-FeCr-Gr復(fù)合材料退火爐棍激光成形方法，包括以下流程:
(1)原料配方與預(yù)處理
原料配方為:石墨 0.91wt.%，Ti 5.88wt.%，Cr23.21wt.%，稀土氧化物 0.33wt.%，F(xiàn)e 余量；原料采用粉體形式，金屬粉末和石墨粉顆粒尺寸60微米；將金屬Ti粉、混合稀土粉末一起球磨2小時(shí)；將Fe粉、Cr粉末一起球磨1.5小時(shí)。
[0013](2)送粉與混料
送粉工藝采用多料斗螺旋送粉混合系統(tǒng)完成，將Ti粉、混合稀土粉末放入第1個(gè)料斗中，石墨粉置于第2個(gè)料斗中，F(xiàn)e、Cr混合粉末置于第3個(gè)料斗中；3個(gè)送粉器同時(shí)送粉，并通過(guò)螺桿轉(zhuǎn)速調(diào)整TiC在成形局部的含量。
[0014](3)激光成形
激光成形的激光頭采用3管同軸不連續(xù)噴嘴，實(shí)現(xiàn)對(duì)激光熔池的環(huán)抱粉體噴射，使激光熔池各成分均勻分布。激光加工時(shí)設(shè)置每層厚度為1.76mm，然后在四軸數(shù)字加工機(jī)床上分層進(jìn)行激光成形；控制送粉成分和激光掃描路線(xiàn)，進(jìn)行復(fù)合部件內(nèi)外分層的激光成形，即結(jié)構(gòu)件內(nèi)部為金屬基體材料，外層為石墨彌散分布的TiC-FeCr-Gr復(fù)合材料。激光加工使用的半導(dǎo)體直接輸出激光器，輸出功率700W，光斑直徑2.4mm，搭接率40%，激光頭Ar氣流量5L/min，送粉器Ar氣流量7.9L/min，激光頭掃描速度16mm/s。
[0015]成形部件內(nèi)部具有金屬材料的韌性，表層具有耐磨的功能，且部件整體斷裂韌度為同類(lèi)金屬部件的60%以上。
[0016]實(shí)施例二
一種TiC-FeCr-Gr復(fù)合材料熱成型模具激光成形方法，包括以下流程:
(1)原料配方與預(yù)處理
原料配方為:石墨 1.26wt.%，Ti9.81wt.%，Crl9.23wt.%，混合稀土 0.13wt.%，F(xiàn)e 余量；原料采用粉體形式，金屬粉末和石墨粉顆粒尺寸60微米；將金屬Ti粉、混合稀土粉末一起球磨3小時(shí)；將Fe粉、Cr粉末一起球磨1小時(shí)。
[0017](2)送粉與混料
送粉工藝采用多料斗螺旋送粉混合系統(tǒng)完成，將Ti粉、混合稀土粉末放入第1個(gè)料斗中，石墨粉置于第2個(gè)料斗中，F(xiàn)e、Cr混合粉末置于第3個(gè)料斗中；3個(gè)螺桿送粉器同時(shí)送粉，并通過(guò)螺桿轉(zhuǎn)速調(diào)整TiC在成形局部的含量。
[0018](3)激光成形
激光成形的激光頭采用3管同軸不連續(xù)噴嘴，實(shí)現(xiàn)對(duì)激光熔池的環(huán)抱粉體噴射，使激光熔池各成分均勻分布。激光加工時(shí)設(shè)置每層厚度為0.32mm，然后在四軸數(shù)字加工機(jī)床上分層進(jìn)行激光成形；控制送粉成分和激光掃描路線(xiàn)，進(jìn)行復(fù)合部件內(nèi)外分層的激光成形，即結(jié)構(gòu)件內(nèi)部為金屬基體材料，外層為石墨彌散分布的TiC-FeCr-Gr復(fù)合材料。激光加工使用的光纖激光器，輸出功率220W，光斑直徑0.4mm，搭接率40%，激光頭Ar氣流量3L/min，送粉器Ar氣流量3L/min，激光頭掃描速度18mm/s。
[0019]成形部件內(nèi)部具有金屬材料的韌性，表層具有耐磨的功能，且部件整體斷裂韌度為同類(lèi)金屬部件的60%以上。
[0020]實(shí)施例三
一種TiC-FeCr-Gr復(fù)合材料熱乳輸送棍激光成形方法，包括以下流程:
(1)原料配方與預(yù)處理
原料配方為:石墨3.61wt.%，Ti粉末4.32wt.%，Cr粉末13.47wt.%，混合稀土
0.15wt.%，F(xiàn)e粉末78.45wt.% ;原料采用粉體形式，金屬粉末和石墨粉顆粒尺寸200微米；將金屬Ti粉、混合稀土粉末一起球磨3小時(shí)；將Fe粉、Cr粉末一起球磨1小時(shí)。
[0021](2)送粉與混料
送粉工藝采用多料斗螺旋送粉混合系統(tǒng)完成，將Ti粉、混合稀土粉末放入第1個(gè)料斗中，石墨粉置于第2個(gè)料斗中，F(xiàn)e、Cr混合粉末置于第3個(gè)料斗中；3個(gè)螺桿送粉器同時(shí)送粉，并通過(guò)螺桿轉(zhuǎn)速調(diào)整TiC在混料器中粉體的當(dāng)量。
[0022](3)激光成形
激光成形的激光頭采用3管同軸不連續(xù)噴嘴，實(shí)現(xiàn)對(duì)激光熔池的環(huán)抱粉體噴射，使激光熔池各成分均勻分布。激光加工時(shí)設(shè)置每層厚度為0.31mm，然后在四軸數(shù)字加工機(jī)床上分層進(jìn)行激光成形；控制送粉成分和激光掃描路線(xiàn)，進(jìn)行復(fù)合部件內(nèi)外分層的激光成形，即結(jié)構(gòu)件內(nèi)部為金屬基體材料，外層為石墨彌散分布的TiC-FeCr-Gr復(fù)合材料。激光加工使用的光纖激光器，輸出功率220W，光斑直徑0.4mm，搭接率40%，激光頭Ar氣流量3L/min，送粉器Ar氣流量3L/min，激光頭掃描速度18mm/s。
[0023]成形部件內(nèi)部具有金屬材料的韌性，表層具有耐磨的功能，且部件整體斷裂韌度為同類(lèi)金屬部件的60%以上。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種TiC-FeCr-Gr復(fù)合材料構(gòu)件的激光成形方法，其特征在于包括以下步驟: (1)原料配方與預(yù)處理原料配方為:石墨 0.91-3.61wt.%，Ti 粉末 4.32-9.81wt.%，Cr 粉末 13.47-23.21wt.%，稀土氧化物0.13-0.33wt.%，F(xiàn)e粉末余量；原料采用粉體形式，金屬粉末和石墨粉顆粒尺寸60~200微米；將金屬Ti粉、稀土氧化物粉末一起球磨0.5-6小時(shí)；將Fe粉、Cr粉末一起球磨0.5—6小時(shí)； (2)送粉與混料 采用多料斗螺旋送粉混合系統(tǒng)送粉和及時(shí)混合，所述多料斗螺旋送粉混合系統(tǒng)由三個(gè)送粉器分別通過(guò)送粉管與一個(gè)共同的激光頭連接組成，將Ti粉、稀土氧化物粉末放入第1個(gè)料斗中，石墨粉置于第2個(gè)料斗中，F(xiàn)e、Cr混合粉末置于第3個(gè)料斗中；3個(gè)送粉器同時(shí)送粉，并通過(guò)調(diào)整螺桿轉(zhuǎn)速控制粉體的比例； (3)激光成形 激光成形的激光頭采用3管同軸不連續(xù)噴嘴，實(shí)現(xiàn)對(duì)激光熔池的環(huán)抱粉體噴射，使激光熔池各成分均勻分布；將設(shè)計(jì)部件的數(shù)字圖形數(shù)據(jù)利用分層軟件進(jìn)行切片，并建立分層激光掃描路徑及其層間連接配合，設(shè)置每層厚度為0.04-0.6_，然后在四軸數(shù)字加工機(jī)床上分層進(jìn)行激光成形；控制送粉成分和激光掃描路線(xiàn)，使得局部生成的增強(qiáng)相TiC比例成梯度連續(xù)變化，即構(gòu)件內(nèi)部為金屬基體材料，外層為T(mén)iC-FeCr-Gr復(fù)合材料，并最終使用的原料符合步驟(1)的要求。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光成形方法，其特征在于，步驟(3)中，采用光纖/半導(dǎo)體/0)2激光器，輸出功率100~3000W，光斑直徑0.2~4mm,搭接率10~80%，激光頭Ar氣流量0.5~13L/min，送粉器Ar氣流量0.5~12L/min，激光頭掃描速度3~125mm/s。3.根據(jù)專(zhuān)利要求1所述的激光成形方法，其特征在于，所述送粉器由料斗、螺桿和流化器組成，所述螺桿由直流步進(jìn)電機(jī)推動(dòng)。
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明涉及一種TiC-FeCr-Gr金屬?gòu)?fù)合材料結(jié)構(gòu)件的激光成形方法，其所選用的原料粉體配方為：石墨0.91~3.61wt.%，Ti粉末4.32~9.81wt.%，Cr粉末13.47~23.21wt.%，稀土氧化物0.13~0.33wt.%，F(xiàn)e粉末余量。激光成形的粉體定量配送與混合采用多料斗螺旋送粉混合系統(tǒng)完成，激光成形的噴嘴采用同軸不連續(xù)噴粉頭，利用系統(tǒng)對(duì)送粉和激光的控制，實(shí)現(xiàn)復(fù)合部件的內(nèi)外部分層結(jié)構(gòu)的成形，復(fù)合材料的力學(xué)性能可達(dá)到基體金屬材料的60%以上。
【IPC分類(lèi)】C22C38/28, B22F3/105
【公開(kāi)號(hào)】CN105328190
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510895995
【發(fā)明人】婁德元, 楊奇彪, 趙城, 張德生, 陳列, P·貝內(nèi)特, 劉頓
【申請(qǐng)人】湖北工業(yè)大學(xué)
【公開(kāi)日】2016年2月17日
【申請(qǐng)日】2015年12月8日