一种激光3D打印Fe基非晶合金复合材料构件的方法与流程

本发明涉及合金增材制造技术领域，更具体地，涉及一种激光3d打印fe基非晶合金复合材料构件的方法。

背景技术：

非晶态金属集众多优异性能于一身，如高强度、高硬度、耐磨以及耐腐蚀等。这些优异的性能使其在航空航天、汽车船舶、装甲防护、精密仪器、电力、能源、电子、生物医学等领域都存在广泛的应用前景。在所有的非晶合金体系中，fe基非晶合金由于其低廉的成本，一直备受工程领域的关注。然而，目前通常采用的铜模铸造法制备出的fe基非晶合金的尺寸仅为厘米级，严重地制约其工程化应用。另外，由于fe基非晶合金存在严重的室温脆性问题，其在室温下难以进行机械加工，所以难以获得精密复杂的非晶态金属构件。因此，颠覆传统以铸造为主的制造工艺，从而无尺寸限制地制备具有复杂形状的fe基非晶合金构件，是突破fe基非晶合金工程化应用瓶颈的关键。

激光3d打印技术属于快速成形技术的一种，与传统的切削等机械加工技术不同，该技术是一种以数字模型文件为基础的先进制造技术，其具有选材范围广、材料利用率高、低成本、精度高、周期短等优势。由于激光3d打印技术是一种逐点离散熔覆沉积的成型方法，其每点所受激光加热面积较小，熔池的热量可以迅速向基体扩散；如果熔池的冷却速率高于所打印金属材料形成非晶态所需的临界冷却速率，则熔体在冷凝的过程中不发生晶化，即获得非晶态；逐层沉积则可制备具有复杂形状、无尺寸限制的非晶态金属构件。然而，现有的利用激光3d打印技术成型的fe基非晶合金复合材料都存在明显的裂纹。裂纹的存在严重地降低了fe基非晶合金复合材料的优异力学性能，因此，如何抑制裂纹，是采用激光3d打印技术成型fe基非晶合金复合材料构件的关键。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术存在的上述缺陷，提供一种激光3d打印fe基非晶合金复合材料构件的方法，通过在fe基非晶合金粉末中增加硬度比fe基非晶合金粉末小的晶体金属粉末，使fe基非晶合金在成型过程中产生的应力被较软晶体吸收，从而避免裂纹的产生。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种激光3d打印fe基非晶合金复合材料构件的方法，其特征在于，将粒径为1～500μm的fe基非晶合金粉末和粒径为1～500μm、硬度比所述fe基非晶合金粉末小的晶体金属粉末混合均匀，利用激光3d打印机在激光功率100w～2500w、扫描速度100mm/min～600mm/min、激光光斑直径1mm～6mm、搭接率为15％～50％、打印层厚0.005mm～2mm、打印环境氧浓度低于50ppm、基板预热温度0～800℃的条件下逐层打印fe基非晶合金复合材料构件。

进一步地，所述激光3d打印机为同轴送粉激光3d打印机，所述fe基非晶合金粉末和所述晶体金属粉末分别放置在同轴送粉激光3d打印机的送粉器的两个送粉桶中。

进一步地，所述两个送粉桶的送粉率之比等于所述fe基非晶合金粉末与所述晶体金属粉末的质量比，所述两个送粉桶的送粉率为0～30g/min。

进一步地，还包括将逐层打印的fe基非晶合金复合材料构件在惰性气体保护和温度300℃～800℃下退火，时间2h～12h。

进一步地，所述晶体金属粉末为纯铁粉末、或316l不锈钢粉末、或304不锈钢粉末、或纯铜粉末、或铜合金粉末。

从上述技术方案可以看出，本发明通过在fe基非晶合金粉末中增加硬度比fe基非晶合金粉末小的晶体金属粉末，使fe基非晶合金在成型过程中产生的应力被较软晶体吸收，即使不使用退火步骤，仍能使得到的fe基非晶合金复合材料构件组织致密可控、力学性能适配、具有较高的强度和较好的塑性。同时，本发明克服水淬法和铜模铸造法成型fe基非晶合金复合材料尺寸较小和形状简单的缺点，解决了fe基非晶合金复合材料难以机械加工的难题，且具有节省原料，效率高等优点，在航空航天、汽车船舶、装甲防护、精密仪器、电力、能源等领域都具有巨大的应用前景。

附图说明

图1是实施例一得到的单层打印的fe基非晶合金复合材料的宏观形貌图；

图2是实施例二得到的fe基非晶合金复合材料的宏观形貌图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明通过将粒径为1～500μm的fe基非晶合金粉末和粒径为1～500μm、硬度比所述fe基非晶合金粉末小的晶体金属粉末混合均匀，利用激光3d打印机在激光功率100w～2500w、扫描速度100mm/min～600mm/min、激光光斑直径1mm～6mm、搭接率为15％～50％、打印层厚0.005mm～2mm、打印环境氧浓度低于50ppm、基板预热温度0～800℃的条件下逐层打印fe基非晶合金复合材料构件，将逐层打印的fe基非晶合金复合材料构件在惰性气体保护和温度300℃～800℃下退火，时间2h～12h。硬度比所述fe基非晶合金粉末小的晶体金属粉末在合金从熔融态到凝固态的过程中吸收了多余的应力，避免fe基非晶合金在凝固过程中出现的能够产生裂纹的应力集中，从而避免裂纹产生，使fe基非晶合金复合材料构件组织致密可控、力学性能适配、具有较高的强度和较好的塑性。

硬度比所述fe基非晶合金粉末小的晶体金属粉末可以选择为纯铁粉末、或316l不锈钢粉末、或304不锈钢粉末、或纯铜粉末、或铜合金粉末等。

为了避免fe基非晶合金粉末和晶体金属粉末间由于密度相差较大产生的分层、混合不均匀的现象，进而导致激光加工点处合金粉末不均匀，影响最终的合金构件的质量，可以采用同轴送粉激光3d打印机，将fe基非晶合金粉末和晶体金属粉末分别放置在同轴送粉激光3d打印机的送粉器的两个送粉桶中，通过真空或惰性气体送粉同时送粉，两种粉末在送粉过程中汇合并混合均匀，可以使到达激光加工点处的粉末具有很好的均匀性。通过调整两个送粉桶的送粉量，调整输送到激光加工点处的粉末中fe基非晶合金粉末和晶体金属粉末的质量比。

实施例一

采用同轴送粉激光3d打印机成型fe37.5cr27.5c12b13mo10非晶合金构件。将粒径分别为1～500μm的的fe37.5cr27.5c12b13mo10非晶合金粉末和304不锈钢粉末分别放置在同轴送粉激光3d打印机的送粉器的两个送粉桶内。

通过调整两个送粉桶的送粉量，调整输送到激光加工点处的粉末中fe37.5cr27.5c12b13mo10非晶合金粉末和304不锈钢粉末的质量比。在本实施例中，fe37.5cr27.5c12b13mo10非晶合金粉末和304不锈钢粉末的质量比为1:1。两个送粉桶的送粉率可以设定为0～30g/min。两个送粉桶的送粉率之比等于fe基非晶合金粉末与304不锈钢粉末的质量比。

利用计算机构建三维实体模型，设置沿z向生成每层厚度为0.5mm的层状模型以及各层扫描路径程序。

激光3d打印的工艺参数设定：激光功率1500w、扫描速度300mm/min、激光光斑直径4mm、搭接率为30％、打印层厚0.5mm、打印环境氧浓度低于50ppm、基板预热温度25℃。

启动打印程序，激光束按照预置的扫描路径完成第一层截面图形打印，激光打印头上升一打印层厚高度，开始第二层截面图形打印，上述过程循环进行，得到fe基非晶合金复合材料构件。

图1是按照上述条件得到的单层打印的fe基非晶合金复合材料的宏观形貌图。如图所示，所得构件表面质地均匀，没有明显的裂纹等缺陷。和现有技术相比，304不锈钢粉末的加入在未执行退火步骤时，未有明显的裂纹等缺陷产生，已经表现了优异的力学性能。

实施例二

将粒径为1～500μm的fe37.5cr27.5c12b13mo10非晶合金粉末和纯铜粉末分别放置在同轴送粉激光3d打印机送粉器的两个送粉桶内。

通过调整送粉桶的送粉量，调整输送到激光加工点处的粉末中fe37.5cr27.5c12b13mo10非晶合金粉末和纯铜粉末的质量比为1:1。

打印机基板为厚度为20mm，材质为45号钢。

利用导热硅胶将基板紧密粘贴到导热铜板上。

导热铜板内部接通温度为室温的循环流动水。

利用计算机构建三维实体模型，设置沿z向生成每层厚度为0.5mm的层状模型以及各层扫描路径程序。

激光3d打印的工艺参数：激光功率1500w，扫描速度300mm/min，激光光斑直径4mm，搭接率30％，打印环境氧浓度低于50ppm。

启动打印程序，激光束按照预置的扫描路径完成第一层截面图形打印，激光打印头上升0.5mm，开始第二层截面图形打印，上述过程循环进行，最终得到fe基非晶合金复合材料构件。

将得到的fe基非晶合金复合材料构件5移到加热炉中，炉内有n2气体保护，温度500℃，退火处理时间2h，完成fe基非晶合金复合材料构件5的制备。

图2是按照上述条件得到的fe基非晶合金复合材料的宏观形貌图。由此图可见，fe基非晶合金复合材料构件表面质地均匀，没有明显的裂纹等缺陷。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。