本发明属于增材制造领域，涉及一种具有成分和组织双重梯度复合材料的制备方法。
背景技术：
功能梯度材料是上世纪八十年代兴起的新型材料，它通过结构和组分的连续或准连续变化，来获得性能渐变的热应力缓和型非均质复合材料。随着人们对功能梯度材料研究的不断深入，这种材料已推广应用于多项领域，如生物医学、机械工程、信息工程、光电工程、化学工程等。
功能梯度材料能有效降低非均质复合材料的热应力，但实际工程应用环境异常严酷，功能梯度材料仍存在热膨胀匹配问题，进而会出现剥落、龟裂等损伤，致使材料的耐久性、实用性大幅下降。双重梯度复合材料与传统功能梯度材料相比，复合材料中不仅增强体在梯度层之间存在成分梯度，而且复合材料基体的组织含量存在梯度变化，充分发挥了复合材料中增强体和基体各自优势，使复合材料综合性能更加优越。
技术实现要素：
针对现有技术的不足，本发明提供了一种成分和组织双重梯度复合材料的制备方法，该方法具有工艺简单、操作方便、成本低、自动化程度高等优点，产品致密可靠、综合性能优良。
本发明解决技术问题所采用的技术方案是：一种成分和组织双重梯度复合材料的制备方法，所述制备方法主要包括以下步骤：
(1)铁基材料即基板预处理：包括对基板的打磨及喷砂处理；
(2)复合粉末配制：选择合适的铁基自溶性合金粉末及碳化物陶瓷粉末，并采用球磨工艺使两者混合均匀；
(3)基板预热处理：为避免加工过程中材料因冷速过快而发生马氏体相变，采用恒温加热对基板进行预热处理；
(4)激光沉积：采用激光多道多层叠加沉积技术，单层搭接沉积路径为“s”型；
(5)工件整体在线热处理：为促使梯度材料发生贝氏体相变，激光沉积完成后，对梯度材料进行在线等温淬火处理。
进一步地，待在线等温淬火完成后，将双梯度复合材料从盐浴炉中取出，空冷至室温。
进一步地，步骤(1)中基板预处理时，采用喷砂机对基板进行喷砂处理，磨料选用金刚砂。
进一步地，所述的铁基自溶性合金粉末，其粒度为50～100μm，化学成分为(wt％)：c：0.35～0.45％，si：0.60～0.85％，mn：0.70～0.90％，cr：0.60～0.90％，ni：1.60～1.80％，mo：0.50～0.70％，al：1.00～1.30％，其余为铁和不可避免的杂质；所述的碳化物陶瓷粉末为co/wc粉末，粒度为50～100μm，化学成分为12wt％co+bal.wc。
进一步地，所述步骤(3)中基板的预热处理，采用恒温加热平台进行，加热温度设置为300～350℃。
进一步地，所述激光沉积时，单层搭接沉积路径为“s”型，单层沉积结束后激光熔覆头上移且坐标回归初始位置，重复单层搭接沉积过程，通过这种叠加的方式制备块体材料。
进一步地，所述激光沉积时，采用高纯氩保护，气流量为10～20l/min，激光功率600～1200w，扫描速度200～400mm/min。
进一步地，所述激光沉积时，采用同轴送粉的原料添加方式，送粉速度为5～25g/min，送粉气为高纯氩，气流量为5～15l/min。
进一步地，所述激光沉积时，搭接率为40％，z轴抬高量为0.3～1.5mm/层。
进一步地，所述的在线等温淬火采用盐浴等温的方式，盐液成分为nano2、kno3等比例混合，等温温度为300℃，等温时间为2h。
本发明提供的制备方法中，预热处理降低了沉积过程中复合材料与基板的温度梯度，能有效防止复合材料开裂；激光沉积工艺具有能量密度高的特点，结合同轴送粉装置及数控机床，制备过程自动化程度高、靶向性强、生产效率高，且能保证产品致密度；在线等温淬火处理，促进不同成分的各子梯度层发生不同程度的贝氏体相变，从而实现组织的梯度变化。
本发明的有益效果是：与现有技术相比，本发明所提供的一种成分和组织双重梯度复合材料的制备方法，具有工艺简单、操作方便、成本低、自动化程度高等优点，产品致密可靠、综合性能优良，实现复合材料的成分与组织双重梯度化。
附图说明
图1为制备双梯度复合材料的整体装备示意图；
图2为双重梯度复合材料中各梯度层相对应的微观形貌图。
具体实施方式
下面通过具体实施例来进一步说明本发明。但这些实例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。
下述实施例中，采用的激光沉积设备的型号为：ldm-2500-60型半导体激光器；采用的预热装置的型号为：jf-956a型恒温加热平台；采用的在线等温淬火装置的型号为：sg2-5-10型井式电阻炉。
实施例
一种成分和组织双重梯度复合材料的制备方法，主要包括以下步骤：
①基板预处理：
基板材料选用u75v热轧钢轨，采用线切割机将其切割成尺寸为80mm×60mm×8mm的板型件，并采用qf-6050型手动喷砂机对基板进行喷砂处理，磨料选用金刚砂。
②复合粉末配制：
选择合适的铁基自溶性合金粉末及碳化物陶瓷粉末，并采用球磨工艺使两者混合均匀。
其中，铁基自溶性合金粉末粒度为50～100μm，化学成分为(wt％)：c：0.35～0.45％，si：0.60～0.85％，mn：0.70～0.90％，cr：0.60～0.90％，ni：1.60～1.80％，mo：0.50～0.70％，al：1.00～1.30％，其余为铁和不可避免的杂质。碳化物陶瓷粉末选用co/wc粉末，粒度为50～100μm，化学成分为12wt％co+bal.wc。
双梯度复合材料各子梯度层成分如下：第一梯度层100vt％-fe，第二梯度层2.5vt％co/wc+97.5vt％fe，第三梯度层5vt％co/wc+95vt％fe，第四梯度层7.5vt％co/wc+92.5vt％fe，第五梯度层10vt％co/wc+90vt％fe。
③基板预热处理：
为避免加工过程中材料因冷速过快而发生马氏体相变，采用jf-956a型恒温加热平台对基板进行预热处理，温度设置为320℃；
④采用激光多层叠加沉积技术制备块体材料：
单层搭接沉积路径为“s”型，单层沉积结束后激光熔覆头上移且坐标回归初始位置，重复单层搭接沉积过程，通过这种叠加的方式制备块体材料；
激光沉积时，采用高纯氩保护，气流量为15l/min，激光功率800w，扫描速度300mm/min。采用同轴送粉的原料添加方式，送粉速度为15g/min，送粉气为高纯氩，气流量为9l/min。采用6道10层叠加沉积(每种成分的复合粉末沉积2层)，激光扫描路径为“s”型，搭接率为40％，z轴抬高量为0.5mm/层。
⑤工件整体在线热处理：
为促使功能梯度材料发生贝氏体相变，激光沉积完成后，对功能梯度材料进行在线等温淬火处理。为保证工件受热均匀，采用盐浴等温的方法进行在线热处理，盐液成分为nano2、kno3等比例混合，等温温度为300℃，等温时间为2h。热处理完成后，将工件从盐浴炉中取出，空冷至室温，最终形成结构梯度和成分双重梯度复合材料。
以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。