一种通过碳纳米管添加制备激光轻质梯度复合材料的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种通过碳纳米管(CNTs)添加制备激光梯度复合材料的方法，属于材料增材制造技术领域。特别涉及一种在钛合金表面用单臂CNTs与纳米颗粒来强化Ni基TiBjI强激光熔覆成形复合材料的耐磨性的方法。
【背景技术】
[0002]增材制造(3D打印)正强劲地驱动新兴产业技术群快速崛起，顺应了新技术革命大趋势，即由传统大规模、批量生产模式向个性化、订制化、小批量生产模式转型。梯度复合材料的制造是增材制造领域的重点技术之一，是将两种成分不同材料按一定的层间距及厚度比交互重叠形成的多层材料，一般是由基体及增强材料制备而成。该材料性质取决于每一组分的结构和特性、各自体积含量、层间距、互溶度以及在俩组分之间形成的脆性金属间化合物。间距较小及多界面效应使得该种材料在性能上会有优于相应单体材料。激光熔覆成形技术是增材制造领域的一个重要分枝，是将激光技术与热处理相结合的激光表面改性技术，可利用高能密度激光束加热冷却速度快等特点制备纳米晶增强复合材料。激光熔覆成形轻质梯度复合材料技术代表着增材制造领域中先进的生产模式及未来发展趋势，该技术可大幅减少制造工序、缩短生产周期、降低成本及节约能源。
[0003]Ν?60Α粉末是高硬度的镍铬硼硅铁合金粉末，具有自熔性与润湿性优良且熔点较低等特性，其激光熔覆层具有硬度高、高耐蚀、耐磨及耐热等特点。由于Ni60A粉末包含的Ni与γ-Fe同为面心立方晶格结构，可无限互溶，Ni优先与γ-Fe形成固溶体晶核，晶核不断从处于熔融状态的熔池中吸收大量Ni原子而长大，并使大量Ni元素发生聚集，在熔合区形成富Ni网状γ-(Fe，Ni)奥氏体相，利于材料的韧性提升。Cu对Ni60A基激光梯度复合材料的纳米化过程，即利用Cu在激光熔覆层中催生诸如AlCu2Ti纳米晶，来增强熔覆层。纳米晶因其特殊的结构与尺寸效应，具有一般材料难以获得的优异性能，如高耐磨性与耐尚温氧化性等。
[0004]CNTs作为一维纳米材料，重量轻，六边形结构连接完美，具有许多优异的力学、电学和化学性能。近些年，随着CNTs及纳米材料的深入研宄其广阔的应用前景也不断地展现出来。CNTs在激光熔覆层中的加入利于其耐磨性改善，主要体现于以下两个方面:1)在激光熔覆层中未熔化的CNTs可极大增加熔覆层的致密性，起到了弥散强化的作用，可有效改善熔覆层的韧性和延展性，并在熔覆层的磨损过程中起自润滑作用；2)在激光熔池中已熔化的CNTs可与金属基材稀释的元素产生化学反应形成碳化物，作为增强相弥散分布于熔覆层中，提高了熔覆层的增强相比例，增强了晶格的抗畸变能力，从而提升其耐磨性。
[0005]基于上述科学原理，并依据激光辐射所形成高温熔池快速冷凝特性，结合激光梯度、
复合材料的功能梯度特性，本发明提出了一种能够降低生产成本、通过激光熔覆成形技术制备纳米化梯度复合材料的方法。现有TC17钛合金表面激光熔覆使用的粉末为Ni60A-TiB2-CNTs-Cu混合粉末，直接用水玻璃溶液均匀搅拌成糊状涂覆于钛合金表面；预置涂层完全风干后，将Ni60A-TiB2-Cu混合粉末也用水玻璃溶液均匀搅成糊状，后涂覆于NieOA-TiB2-CNTs-Cu预置粉末之上，形成预置叠层。采用氩气充满所用箱体作保护气后进行激光熔覆处理，可生成具有极强耐磨性的激光轻质纳米化梯度复合材料。
[0006]见图1a表明该纳米化梯度复合材料组织结构出现明显分层现象，上层与下层的组织均较为均匀，无明显裂纹及气孔产生。如图1b所示，大量未熔化线状CNTs存留于梯度复合材料下层，该类未熔化CNTs在下层被大量纳米晶包覆，纳米晶颗粒SEM形貌见图lc。
[0007]采用MM200磨损试验机测定梯度复合材料抗磨性能。选用尺寸Φ40Χ12的YG6硬质合金磨轮，转速400 r/min，载荷为5 kg。图2显示了氩气环境中产生的Ni60A基纳米化梯度复合材料与TC17基材的磨损量。该图表明在试样磨损时段的约前40分钟，为梯度复合材料上层接受磨损测试；约40分钟后，上层材料被磨损掉，由包含大量CNTs的下层接受磨损测试。又进行约60分钟，下层也被磨损掉，其余时间由基材接受磨损测试。磨损测试结果表明，该复合材料上层磨损量约为TC17钛合金基材1/10 ;其下层的磨损量约为基材1/17。
[0008]综合分析可知，CNTs添加达到改善激光纳米化梯度复合材料耐磨性的目的。将CNTs添加于预置层底部目的为使其所接受激光热量尽可能小，保证部分CNTs不被激光熔化，从而发挥CNTs耐磨性强的作用。
[0009]
【发明内容】
[0010]本发明针对钛合金表面Ni60基激光熔覆层的耐磨性能不稳定缺陷，通过少量CNTs添加制备高性能轻质激光梯度复合材料。该技术可应用于金属零部件制造等诸多方面。
[0011]具体步骤:
(I)将一定质量比例Ni60A-TiB2-CNTs-Cu及Ni60A-TiB2_Cu粉末熔覆前分别用烘干机把粉末烘干并通过机械混粉器充分混合。
[0012](2)将一定质量比例Ni60A-TiB2-CNTs-Cu与Ni60A-TiB2-Cu混合粉末分别用水玻璃溶液均匀调成糊状；所述基底粉末Ni60A尺寸20?400 μ m，TiB2& Cu粉末尺寸10?400 μ m, CNTs 管径 I ?10 nm、长度 3 ?50 nm。
[0013](3 )将Ni60A-TiB2-CNTs_Cu糊状混合粉末均匀地涂敷于钛合金表面，涂层厚度0.1?2 mm,自然风干；风干后将Ni60A-TiB2_Cu糊状混合粉末均匀地涂敷于Ni60A-TiB2-CNTs-Cu 预置层之上。
[0014](4)用激光器对钛合金试样表面进行激光熔覆工艺处理，工艺参数:激光功率
0.20?4.50 kW，光斑直径0.5?10 mm,扫描速度I?25 mm/s，多道搭接率为35%，激光熔覆在氩气保护箱中进行。
[0015]在混合粉末涂覆之前可清理钛合金表面并拭净、吹干。
[0016]所述步骤(I)中水玻璃溶液的模数2.2?3.7。
[0017]步骤(2)所述钛合金为TC17\TC4\TA15\TA2等牌号钛合金。
[0018]步骤(2)所述混合粉末中，下层混合粉末各成分及其质量分数:TiB23%?40%，Cu0.5% ?12%，CNTs0.5% ?6%，余量 Ni60A。其中 Ni60A 名义化学成分:C0.80，Cr 15.00，Si4.00，Fel0.00，Β3.00，余量 Ni。
[0019]本发明是在氩气环境下，试样表面发生激光熔覆。熔覆过程中，试样保持设定运动速度不变。试样表面完全激光熔覆后，将激光关闭。本发明能够获得耐磨性及表面形貌较好的Ni60A基纳米化梯度复合材料。本发明有工艺简单方便、适用性强、便于推广应用等优点。
[0020]
【附图说明】
图1是Ni60A基纳米化梯度复合材料SEM形貌:(a)组织形貌；(b)下层CNTs形貌；(c)包覆CNTs的纳米晶颗粒形貌。
图2是氩气环境中Ni60A基纳米化梯度复合材料与TC17钛合金的磨损体积。
【具体实施方式】
[0021]实施例1:
将TC17合金切成长度10 mm、宽度10 mm、厚度35 mm的长方体。在混合粉末涂覆之前，清理钛合金表面，并拭净、吹干。而后将质量分数:84%Ni60A、10%TiB2、3%Cu及3%CNTs (下层)及87%Ni60A、10%TiB2、3%Cu (上层)预置分层混合粉末激光熔覆于其10 mmX35 mm面上。
[0022]具体工艺步骤:
(1)在激光熔覆之前，用240号砂纸打磨TC17钛合金待激光处理表面，使其表面粗糙度达Ra 2.5 y m;然后用体积百分比15%硫酸水溶液对待激光处理表面进行清洗，酸洗时间5?10 min ;酸洗后，用清水冲洗、用酒精将待熔工件表面擦拭干净、吹干；
(2)用玻璃试管配置20mL的水玻璃溶液，该水玻璃溶液中的纯水玻璃与水体积配置比例为1:3，即量取5 mL的纯水玻璃和15 mL的水，在玻璃试管内搅拌均匀；
(3)在天平上分别称取Ν?60Α 粉 0.84 g、TiB2^v 0.10g、Cu 粉 0.03g，CNTs0.03g 将称量好的粉末倒入小烧杯中，用模数2.2?3.7的水玻璃溶液将此混合粉末均匀搅拌成糊状。Ν?60Α基底粉末尺寸10?200 μπι，TiB2, Cu粉尺寸20?300 μπκ CNTs管径I?2 nm、长度5?30 nm ;在天平上分别称取同样的Ν?60Α粉0.87 g,TiB2^r 0.1OgXu粉0.03g，将称量好的粉末倒入小烧杯中，用同样模数的水玻璃溶液将此混合粉末均匀搅拌成糊状；
(4)将所称好的Ni60A-TiB2-CNTs-Cu糊状混合粉末均匀地涂敷于钛合金表面，涂层厚度0.5 mm,自然风干；将所称好的NieOA-TiB2-Cu糊状混合粉末均匀涂敷于已风干的Ni60A-TiB2-CNTs-Cu预置层表面，涂层厚度0.5臟，再次自然风干；
(5)用激光束对上述钛合金试样进行激光熔覆处理；工艺参数:激光功率800W，扫描速度6 mm/s，光斑直径4 mm，整个试验在氩气箱中进行。
[0023](6)将试样放置在正对着激光发射口的位置，将保护气口正对激光熔覆前的钛合金涂层表面。位置调整好后，用激光器上平行调节试样位置的扳手将试样与激光器发射口拉开一定距离，然后让试样向激光喷口以4 mm/s速度勾速运动。试样表面完全发生完激光熔覆反应后，将激光关闭。所需Ni60A基纳米化梯度复合材料制备完毕。
【主权项】
1.一种通过CNTs添加制备激光轻质梯度复合材料的方法: (1)将一定质量比例Ni60A-TiB2-CNTs-Cu混合粉末用水玻璃溶液均匀调成糊状；所述基底粉末Ni60A，尺寸20?400 μ m，TiB2& Cu粉末尺寸10?400 μ m，CNTs管径I?10nm,长度3?50 nm ;将Ni60A-TiB2-CNTs_Cu糊状混合粉末均匀地涂敷于TA15\TA2\TC4\TC17牌号钛合金表面，涂层厚度0.1?2 mm，自然风干；风干后将Ni60A-TiB2_Cu糊状混合粉末均匀地涂敷于Ni60A-TiB2-CNTs-Cu预置层之上； (2)用激光器对钛合金试样表面进行激光熔覆工艺处理；工艺参数:激光功率0.20?4.50 kW，光斑直径0.5?10 mm，扫描速度I?25 mm/s，多道搭接率35%，激光熔覆在氩气保护箱中进行。
2.根据权利要求1所述在TA15\TA2\TC4\TC17钛合金表面一种通过CNTs添加制备激光轻质梯度复合材料的方法，其特征是，步骤(2)所述混合粉末中，下层混合粉末各成分及其质量分数:TiB23%?40%，Cu0.5%?12%，CNTs0.5%?6%，余量Ni60A ;上层混合粉末各成分及其质量分数:TiB23%?40%，Cu0.5%?12%，余量Ni60A ;其中Ni60A名义化学成分:C0.80，Cr 15.00，Si4.00，Fel0.00，B3.00，余量 Ni。
【专利摘要】本发明公开一种通过碳纳米管（CNTs）添加制备激光轻质梯度复合材料的方法。步骤如下：将一定质量比例Ni60A-TiB2-CNTs-Cu与Ni60A-TiB2-Cu混合粉末用水玻璃溶液分别均匀调成糊状。将该糊状混合粉末均匀涂敷于钛合金表面，涂层厚度0.1～2mm，自然风干；风干后将Ni60A-TiB2-Cu糊状混合粉末均匀涂敷于Ni60A-TiB2-CNTs-Cu预置层之上。对钛合金试样进行激光熔覆处理，工艺参数：激光功率0.20～4.50kW，光斑直径0.5～10mm，扫描速度1～25mm/s，多道搭接率35%，整个试验过程在氩气保护箱中进行。本发明能够获得具有极强稳定耐磨性的梯度复合材料。
【IPC分类】C23C24-10, C22C19-05, C22C19-03, C22C30-02, C22C32-00
【公开号】CN104862696
【申请号】CN201510279060
【发明人】李嘉宁, 袁兴栋, 石磊, 霍玉双, 罗辉, 刘鹏
【申请人】山东建筑大学
【公开日】2015年8月26日
【申请日】2015年5月28日