一種TiC-Al-Gr復(fù)合材料構(gòu)件的激光成形方法
【專利說明】 一種T i C-A1-Gr復(fù)合材料構(gòu)件的激光成形方法
[0001]
技術(shù)領(lǐng)域
[0002]本發(fā)明屬于激光成形領(lǐng)域，涉及一種Tic-Al-Gr復(fù)合材料構(gòu)件的激光成形方法。
【背景技術(shù)】
[0003]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，廣泛應(yīng)用于刀具、模具等硬質(zhì)合金材料領(lǐng)域。
[0004]TiC顆粒增強(qiáng)A1基復(fù)合材料具有高比強(qiáng)度、高比模量、低密度、低熱膨脹系數(shù)和良好的耐磨性等優(yōu)異性能，在航空航天、精密儀表、汽車發(fā)動(dòng)機(jī)、體育器材、電子封裝等方面有重要的應(yīng)用如景。石墨(Gr)在A1基復(fù)合材料中能提尚其耐磨性，同時(shí)進(jìn)一步提尚材料的抗震吸能等性能。
[0005]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)體表面無污染，制品性能優(yōu)良。但其工藝過程要求嚴(yán)格、較難掌握、且增強(qiáng)相的成分和體積分?jǐn)?shù)不易控制。
[0006]激光成形工藝?yán)眯◇w積累積成形的方法，可以在宏觀控制增強(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。因此本發(fā)明采用在線連續(xù)送粉激光原位復(fù)合成形的方法，制備TiC-Al復(fù)合材料部件，實(shí)現(xiàn)成形部件的增強(qiáng)相分布連續(xù)可控。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種增強(qiáng)相分布可控的TiC-Al-Gr復(fù)合材料部件的激光成形方法。本發(fā)明從原位合成路線和激光成形工藝著手，提供一種新的TiC-Al-Gr復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件的激光成形方法，能夠使增強(qiáng)相在復(fù)合材料中均勻分布，實(shí)現(xiàn)性能優(yōu)良的TiC-Al-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 5.67-6.35wt.%，Ti 40.54?44.43wt.%，混合稀土0.47-0.67wt.%，A1余量，原料采用粉體形式，金屬粉末和石墨粉尺寸60?200微米;將金屬Cr粉和稀土粉末球磨
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)進(jìn)行送粉和及時(shí)混合，所述多料斗螺旋送粉混合系統(tǒng)由三個(gè)送粉器分別通過送粉管與一個(gè)共同的激光頭連接組成，將Ti和稀土混合粉末放入第1個(gè)料斗中，石墨粉置于第2個(gè)料斗中，A1粉置于第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)字圖形利用分層軟件進(jìn)行切片，并建立激光掃描路徑及其層間連接配合，設(shè)置每層厚度為0.05?0.4mm，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，使局部生成的增強(qiáng)相TiC比例呈梯度分布，即結(jié)構(gòu)件外層為耐磨的TiC-Al-Gr復(fù)合材料，內(nèi)部為金屬基體材料，并最終使用的原料符合步驟(1)的比例要求。
[0008]步驟(3)采用光纖/C02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。激光加工的環(huán)境為氬氣保護(hù)氣氛，壓強(qiáng)為1個(gè)大氣壓。
[0009]本發(fā)明所用的多料斗螺旋送粉混合系統(tǒng)由三個(gè)送粉器分別通過送粉管與一個(gè)共同的激光頭連接組成，如圖1所示。所述送粉器由料斗、螺桿和流化器組成，螺桿由直流步進(jìn)電機(jī)推動(dòng)。
[0010]TiC-Al-Gr復(fù)合材料的性能取決于TiC的含量、尺寸和均勻分布。本發(fā)明以三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)激光頭成形出TiC-Al-Gr復(fù)合材料部件，實(shí)現(xiàn)了增強(qiáng)相的分布控制，消除復(fù)合材料中TiC不均勻分布的情況，實(shí)現(xiàn)TiC含量可調(diào)的TiC-Al-Gr復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件的激光成形。
[0011]本發(fā)明方法同時(shí)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，實(shí)現(xiàn)內(nèi)外分層結(jié)構(gòu)的金屬基復(fù)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、抗高溫氧化的功能，且部件整體斷裂韌度為同類金屬部件的60%以上。
【附圖說明】
[0012]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】
[0013]結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步描述。
[0014]實(shí)施例一
一種TiC-Al-Gr復(fù)合材料發(fā)動(dòng)機(jī)缸套激光成形方法，包括以下流程:
(1)原料配方與預(yù)處理
原料配方為:石墨5.67wt.%，Ti 40.54wt.%，混合稀土0.58wt.%，A1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微米;將金屬Cr粉和稀土粉末球磨2小時(shí)。
[0015](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和稀土混合粉末放入第1個(gè)料斗中，石墨粉置于第2個(gè)料斗中，A1粉置于第3個(gè)料斗中；3個(gè)螺桿送粉器同時(shí)送粉，并通過螺桿轉(zhuǎn)速調(diào)整TiC在成形局部的含量。
[0016](3)激光成形
將多料斗中的粉體分別用3個(gè)管道氣載輸送至激光頭進(jìn)行激光成形，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，并建立分層最佳激光掃描路徑及其層間連接配合，設(shè)置每層厚度為0.25_，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，進(jìn)行復(fù)合部件內(nèi)外分層結(jié)構(gòu)的激光成形，即結(jié)構(gòu)件外層為耐磨的TiC-Al-Gr復(fù)合材料，內(nèi)部為金屬基體材料。激光加工使用光纖激光器，其輸出功率650W,光斑直徑0.4mm，搭接率50%，激光頭Ar氣流量6.8L/min，送粉器Ar氣流量5.5L/min，激光頭掃描速度38mm/s。激