一种高压多气氛辅助SLM梯度材料制备方法及铝锂合金涂层

本发明涉及激光选区熔化成形，具体涉及一种高压多气氛辅助slm梯度材料制备方法及铝锂合金涂层。

背景技术：

1、在航空航天领域，第三代新型铝锂合金由于其低密度、高弹性模量、良好的耐腐蚀性以及各向异性小等特点，已在飞机蒙皮、长桁以及地板梁上获得广泛应用。然而随着铝锂合金应用技术水平提高，其应用场合逐渐向大型复杂的主承力结构发展。承力结构的制造多采用铸造、锻造、轧制及挤压等成形方式，之后通过铆接和焊接的方式拼接。这种加工方式目前已逐渐难以适应航空航天工程制件结构复杂化和功能一体化的发展需求。另外，在小批量生产中，制备成本及生产周期也显著增加。因此，亟需开发一种低成本且生产周期短的铝锂合金构件的整体制备技术。

2、增材制造技术因其在复杂结构零部件制造上的突出优势(设计和制造一体化、加工精度高、制造周期短、产品物理化学性能优异等特点)已成为金属材料整体制备技术的研究热点。目前对金属材料的增材制造技术主要有激光、电子束和电弧增材制造。其中电子束和电弧增材制造技术极易对零件产生严重的热积累，过大的热输入导致金属组织粗大、脆性相增多，进而直接影响零件的冶金结合强度、堆积尺寸精度和表面质量。因而激光增材制造技术以其精确成形和高性能成形的兼顾特点，已成为目前金属增材制造最可靠和可行的方法。

3、激光选区熔化(selective laser melting,slm)通过逐层铺粉以及激光束对不同区域的选择性加热方式制备零部件的叠加成形，可实现复杂构件的低成本、短流程制造。通常采用slm技术成形的零件表面粗糙度较低、尺寸精度较高、无需后续处理或仅需简单的表面加工便可达到光洁度的使用要求。然而，相较于成分相近的铝合金，li元素的加入使铝锂合金的热膨胀系数和熔池凝固温度区间进一步增大，晶间低熔共晶也明显增多，导致铝锂合金的热裂纹敏感性明显高于常规铝合金，在高能激光束的作用下，其热裂倾向进一步增大，导致slm制备铝锂合金零件的成型质量和力学性能显著降低。

4、为降低热裂倾向，当前已有学者尝试使用低速、高能量密度、预热、短线段扫描、增加支撑等工艺方法或者微量元素合金化方法，研究发现单纯依靠工艺上的调整难以完全避免裂纹缺陷，而合金化方法虽然更有效，可以促进涂层晶粒类型向等轴晶转变、缩小熔池凝固温度区间，有效细化晶粒结构，但添加的微量元素在涂层中的分布及溶解度难以调控，微量元素颗粒极易在晶界处团簇偏析，进而影响材料的内应力分布与机械性能。当前已有工艺难以同时满足slm成形试样的成型与性能要求，影响铝锂合金增材制造构件在实际生产中的发展应用。

技术实现思路

1、针对现有技术中存在的不足，本发明提供了一种高压多气氛辅助slm梯度材料制备方法及铝锂合金涂层，在现有slm成形铝锂合金涂层工艺的基础上，选用脉冲激光作为激光热源熔融粉末与基体，在第一梯度铝锂合金涂层制备过程中，活性气体中的co2在激光辐照作用下迅速解离并形成等离子体，随着激光能量的持续吸收等离子体持续分解出活性碳原子，在高压以及等离子体的膨胀冲击波下碳原子与熔池内部熔融材料充分反应形成碳化物，实现了铝锂合金涂层的碳化物掺杂，增加了涂层中的碳含量，可以有效提高制备第一梯度铝锂合金涂层表面的硬度及耐磨性。使用n2掺杂活性气体制备第三梯度铝锂合金涂层过程中，激光照射铝锂合金粉体形成高温液态微熔池，n2在高温熔池附近分解，接着通过气液界面渗入熔池内部并发生迁移溶解，实现了涂层中氮化物的掺杂，大幅提高了第三梯度铝锂合金涂层的硬度与力学性能。使用含碳含氮活性气氛制备第二梯度铝锂合金涂层，第二梯度铝锂合金涂层为过渡层，实现过渡涂层两种增强颗粒掺杂的同时确保了合金组织呈梯度连续过渡变化，有效减缓了涂层微观组织的突变，减少内部残余应力和热应力的累积，铝锂合金梯度材料的层间结合力得到有效强化。在多气氛辅助slm成形过程中，由于多孔喷粉器铺设的粉末均匀且疏松，增加了铝锂合金粉末与活性气体的接触面积，部分存储在粉末间隙处的活性气体在高热激光作用下直接在熔池内部解离出活性原子，有效促进了熔池中的原位合成反应，提高梯度材料中的碳含量与氮含量，材料的力学性能得到进一步提升。此外，高压环境可以降低铝锂合金的临界形核自由能，使临界形核密度增加从而提高形核率，细化晶粒结构并抑制涂层的开裂倾向，另外也能有效减少高温熔体表面分子受力不对称程度，增加活性气体分子与熔融物质的反应效率，提高成形表面平整度的同时也促进了涂层中碳化物与氮化物的原位合成掺杂。同时，随着slm成形过程中压强的梯度减少，涂层内部的晶粒尺寸呈现出递增演变趋势，尤其是第一梯度铝锂合金涂层制备过程中压强最大，涂层晶粒尺寸显著减少，高角度晶界比例随之增加，涂层内部微裂纹的扩展需要消耗更多的能量，第一梯度铝锂合金涂层的强韧性得到有效提升，结合由于掺杂氮化物硬质相颗粒而具备极高硬度的过渡层与第三梯度涂层，所制备的铝锂合金梯度材料呈现出外硬内韧的特性。因此本发明通过梯度高压环境以及含碳、含氮多种活性气氛掺杂进行slm铝锂合金梯度材料制备，提高铝锂合金材料表面成形质量的同时实现了材料整体外硬内韧的性能要求。

2、本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。

3、一种高压多气氛辅助slm梯度材料制备方法，包括如下步骤：

4、在密闭的工作箱内持续注入第一混合气体，使工作箱内保持高压环境；所述第一混合气体为惰性气体与含碳活性气体的混合气体；通过激光辐照基板表面铺设的铝锂合金粉末形成微熔池，使微熔池内的熔融材料与含碳活性气体反应形成碳化物掺杂的第一梯度铝锂合金涂层；

5、排除密闭的工作箱内的第一混合气体；在密闭的工作箱内持续注入第二混合气体，使工作箱内保持高压环境；所述第二混合气体为惰性气体与含碳氮活性气体的混合气体；通过激光辐照第一梯度铝锂合金涂层表面铺设的铝锂合金粉末形成微熔池，使微熔池内的熔融材料与含碳含氮活性气体反应形成碳氮化物掺杂的第二梯度铝锂合金涂层；

6、排除密闭的工作箱内的第二混合气体；在密闭的工作箱内持续注入第三混合气体，使工作箱内保持高压环境；所述第三混合气体为惰性气体与含氮活性气体的混合气体；通过激光辐照第二梯度铝锂合金涂层表面铺设的铝锂合金粉末形成微熔池，使微熔池内的熔融材料与含氮活性气体反应形成氮化物掺杂的第三梯度铝锂合金涂层。

7、进一步，所述第一混合气体中的含碳活性气体为co2气体，在第一混合气体中所述co2气体的体积占比10％～20％；所述第二混合气体中的含碳氮活性气体为co2气体和n2气体，在第二混合气体中所述co2气体的体积占比10％～20％；在第二混合气体中所述n2气体的体积占比20％～30％；所述第三混合气体中的含氮活性气体为n2气体，在第三混合气体中所述n2气体的体积占比20％～30％。

8、进一步，所述第一混合气体产生的高压环境的压力p1，所述第二混合气体产生的高压环境的压力p2，第三混合气体产生的高压环境的压力p3，p1>p2>p3。

9、进一步，所述第一混合气体产生的高压环境的压力p1为3.5～5.0mpa；所述第二混合气体产生的高压环境的压力p2为2.0～2.5mpa；所述第三混合气体产生的高压环境的压力p3为1.0～1.5mpa。

10、进一步，活性气体在slm成形过程中保持流量为20l/min～50l/min，用于使熔融材料反应过程中活性气体的浓度位于设定范围。

11、进一步，通过多孔喷粉器铺设均匀且疏松的铝锂合金粉末，用于使得部分活性气体存储于粉末内部。

12、进一步，所述第一梯度铝锂合金涂层和第三梯度铝锂合金涂层的厚度均为0.8～1.0mm，所述第二梯度铝锂合金涂层厚度为0.6～0.8mm。

13、进一步，对基板表面进行增加表面粗糙度处理，用于提高形成的铝锂合金涂层与基板的结合强度；采用无水乙醇对处理后表面进行超声清洗并烘干。

14、进一步，所述激光能量为脉冲激光，脉冲激光束的参数为：波长1075nm，脉冲能量1j～30j，脉冲周期80ms，脉冲持续时间20～60ms，占空比50％，光斑直径≤50μm；激光功率为80～100w，激光束扫描速度为100mm/s，扫描间距为100～120μm。

15、一种铝锂合金涂层，利用所述高压多气氛辅助slm梯度材料制备方法在基材表面形成铝锂合金涂层。

16、本发明的有益效果在于：

17、1.本发明所述的高压多气氛辅助slm梯度材料制备方法，选用脉冲激光作为辐照热源，相对于传统的连续激光模式，脉冲激光可以通过调控脉冲参数精准调节激光能量在时域上的分布，进而直接影响成形件的微观组织。在slm成形制备过程中，脉冲激光允许熔池发生周期性的冷却和凝固，从而对液态熔池起到增强搅拌作用，其搅拌作用不仅减少枝晶间距，使熔池元素更加均匀充分扩散，同时增加了熔池再结晶比例，降低晶粒的各向异性；此外脉冲激光作用下基体温度降低，熔池冷却速率提高，因而铝锂合金整体材料的热积累更少，材料的残余应力得以显著降低。

18、2.本发明所述的高压多气氛辅助slm梯度材料制备方法，第一混合气体包括ar与体积占比10％～20％co2活性气体，使用ar与体积占比10％～20％co2活性气体作为第一梯度铝锂合金涂层制备过程的气氛掺杂，在高功率密度的强脉冲激光辐照作用下，活性气体中的co2在高温高压环境下发生解离并在熔池上方形成等离子体。在等离子体中co2解离成co和o，继续吸收激光能量co进一步分解成c和o，由于活性碳原子在高温液态金属中的溶解度显著高于氧原子，因而在高压辅助环境以及等离子体本身的膨胀冲击波下，主要由解离物质中的活性碳原子与熔池内部熔融材料发生搅拌调制，原位形成碳化物颗粒并均匀分散在涂层中，铝锂合金涂层近表层的碳含量上升，有效提高了第一梯度铝锂合金涂层的硬度和耐磨性能；同时，co2作为高导热气体能有效增加熔融合金粉末的总体热导率，提高熔池冷却速率，达到进一步强化铝锂合金涂层的微观组织和力学性能效果。

19、3.本发明所述的高压多气氛辅助slm梯度材料制备方法，第三混合气体包括ar与体积占比20％～30％n2活性气体，使用ar与体积占比20％～30％n2活性气体作为第三梯度铝锂合金涂层制备过程的气氛掺杂，活性气体中的n2在高功率激光辐照作用下解离出活性氮原子，同样地，在高压环境和等离子膨胀冲击波的协同作用下，高温熔池上方的氮原子渗入熔池内部并与熔融材料发生搅拌调制，实现第三梯度涂层中氮化物的掺杂，由于氮化物颗粒的硬度显著高于碳化物，因而与第一梯度铝锂合金涂层相比，第三梯度铝锂合金涂层的硬度与力学性能得到大幅提升。此外，工作箱内的高压环境一方面增加了slm熔融及凝固过程的氮分压，熔池内的溶质氮原子未达到饱和溶解度，使得成形过程中扩散进入高温熔池的氮含量增多，有效提高了涂层的渗氮量；另一方面熔池的表面作用压力随着高压环境增加，氮的逸出行为也得到有效抑制。因而在高压以及含氮活性气体辅助下制备的第三梯度铝锂合金涂层具备更高的表面硬度与机械稳定性。

20、4.本发明所述的高压多气氛辅助slm梯度材料制备方法，第三混合气体包括ar+(10％～20％)co2+(20％～30％)n2活性气体，使用ar+(10％～20％)co2+(20％～30％)n2活性气体作为过渡涂层制备过程的气氛掺杂，co2与n2在激光辐照作用下同时解离出活性碳原子与氮原子，活性原子在激光微熔池内与熔融物质发生反应，实现了过渡涂层中碳化物与氮化物的同时掺杂。需要注意的是，由于碳的电离能(11.26ev)低于氮(14.35ev)，过渡层中的碳原子与熔池内熔融材料的反应比氮的反应更容易，导致在相同n2浓度气氛辅助下，过渡层中的氮化物夹杂数量要少于第三梯度铝锂合金涂层，涂层整体硬度低于第三梯度铝锂合金涂层的同时其脆硬性也得到有效缓解。此外，在梯度压强作用下，过渡层内部的微观组织细化程度介于第一与第三梯度铝锂合金涂层之间，有效减轻了材料微观组织的突变。因而过渡层的存在使得铝锂合金材料的力学性能与组织呈现连续过渡变化，减少了材料内部热应力与残余应力的累积，显著增强梯度涂层间的结合强度，进一步延长了slm梯度材料的使用寿命。

21、5.本发明所述的高压多气氛辅助slm梯度材料制备方法，通过多孔喷粉器在基板上铺设了均匀且疏松的铝锂合金粉末，疏松的粉末层结构使得部分活性气体存储于粉末内部，在高热激光作用下直接在熔池内部解离出活性原子，增加了熔池中溶解的活性原子浓度，有效促进了熔融物质与活性气体的反应效率，梯度材料中的碳化物与氮化物掺杂含量增多，铝锂合金材料的力学性能得到进一步提升。

22、6.本发明所述的高压多气氛辅助slm梯度材料制备方法，通过高压辅助工艺制备slm试样，压力的物理作用为熔融金属提供了形核功，促使更多的原子团参与结晶形核，熔池形核率显著提高，进而达到晶粒细化的效果。另外高压环境影响了金属熔体与气体之间的表面张力，减轻高温熔体表面的分子受力不对称程度，增加熔池表面气液界面处的碳、氮分压，活性碳原子与氮原子在熔池中的吸收浓度上升，提高成形表面平整度的同时也有效促进了铝锂合金涂层中碳化物与氮化物的原位合成掺杂，同时脉冲激光的增强搅拌效应使这些夹杂物颗粒在涂层中分布地更加均匀，从而进一步提高铝锂合金的力学性能。

23、7.本发明所述的高压多气氛辅助slm梯度材料制备方法，使用梯度压强环境辅助slm梯度材料成形，使得材料晶粒尺寸由内至外呈现递增演变的趋势，其中第一梯度涂层的晶粒尺寸最为细小，单位体积内细晶粒数目显著大于过渡层与第三梯度层，因而塑性变形发生时由于较多的位向有利晶粒，变形能均匀地分散到各个晶粒上，细晶粒金属的变形不均匀性减小，涂层的内应力分布更加均匀。另外晶粒越小，晶界滑移越容易发生，由于晶界的可动性，位错在晶界附近产生的应力集中极易被松弛，致使应力集中的位置比较分散，有利于涂层的继续塑性变形，第一梯度涂层的塑性与延展性得到显著提升。过渡层与第三梯度涂层的晶粒细化效果随着制备过程中的压强降低而逐步减轻，涂层的强韧性降低，但由于高硬度氮化物的掺杂，过渡层与第三梯度涂层的表面硬度与耐磨性大幅提升，使得所制备铝锂合金梯度材料具备外硬内韧的性能特点。

24、8.本发明所述的高压多气氛辅助slm梯度材料制备方法，包括脉冲参数、激光参数、高压和气氛参数在内的所有工艺参数均可通过算法中进行控制，具有操作简单，成本低，效率高等优点，易于实现工业应用，面向航空铝锂合金的服役环境，具有广泛应用前景。