一种TiC-FeCr-Gr复合材料构件的激光成形方法
【技术领域】
[0001]本发明属于激光成形领域，涉及一种TiC-FeCr-Gr复合材料构件的激光成形方法。
【背景技术】
[0002]TiC具有极高的熔点、优秀的高温强度、热稳定性，密度低、弹性模量较高、硬度高和耐磨性好。镍基高温合金及其复合材料由于具有良好的抗高温蠕变、耐蚀性、高屈服强度和断裂韧性，用于航空航天、石油、化工、冶金、电力等领域。
[0003]MMC的制备技术依据增强颗粒的加入方式的不同，可分为原位自生和强制加入两种。原位自生技术借助合金设计，在基体金属内原位反应成核，生成一种或几种热力学稳定的增强相，这种方法避免了外加增强体的分解、节约能源、资源并能够减少排放，材料的增强体表面无污染，制品性能优良。但其工艺过程要求严格、较难掌握、且增强相的成分和体积分数不易控制。
[0004]激光成形工艺利用小体积累积成形的方法，可以在宏观控制增强相的均匀分布，为送粉激光原位成形颗粒增强MMC提供可能。金属粉与石墨(Gr)的堆积密度相差较大，在激光成形过程中，容易因为粉体密度相差较大而造成分层，在成形部件中造成增强相的分布不均，而且会改变增强相的设计成分，大幅降低石墨TiC-FeCr-Gr复合材料部件的性能。因此本发明采用在线连续送粉激光原位复合成形的方法，制备增强相分布连续可控的TiC-FeCr-Gr复合材料部件。
【发明内容】
[0005]本发明所要解决的技术问题是提供一种增强相分布可控的TiC-FeCr-Gr复合材料结构件的激光成形方法。本发明从原位合成路线和激光成形工艺着手，使增强相在复合材料中分布均勾可控，实现性能优良的TiC-FeCr-Gr复合材料部件的激光成形。
本发明方法主要包括以下步骤:
(1)原料配方与预处理
原料配方为:石墨0.91~3.61wt.%，Ti 粉末4.32~9.81wt.%，Cr粉末13.47-23.21wt.%，稀土氧化物0.13-0.33wt.%，Fe粉末余量；原料采用粉体形式，金属粉末和石墨粉颗粒尺寸60~200微米；将金属Ti粉、稀土氧化物粉末一起球磨0.5-6小时；将Fe粉、Cr粉末一起球磨0.5-6小时；
(2)送粉与混料
采用多料斗螺旋送粉混合系统送粉和及时混合，所述多料斗螺旋送粉混合系统由三个送粉器分别通过送粉管与一个共同的激光头连接组成，将Ti粉、稀土氧化物粉末放入第1个料斗中，石墨粉置于第2个料斗中，Fe、Cr混合粉末置于第3个料斗中；3个送粉器同时送粉，并通过调整螺杆转速控制粉体的比例；
(3)激光成形激光成形的激光头采用3管同轴不连续喷嘴，实现对激光熔池的环抱粉体喷射，使激光熔池各成分均匀分布；将设计部件的数字图形数据利用分层软件进行切片，并建立分层激光扫描路径及其层间连接配合，设置每层厚度为0.04-0.6_，然后在四轴数字加工机床上分层进行激光成形；控制送粉成分和激光扫描路线，使得局部生成的增强相TiC比例成梯度连续变化，即构件内部为金属基体材料，外层为TiC-FeCr-Gr复合材料，并最终使用的原料符合步骤(1)的要求。
[0006]步骤(3)中，激光加工采用光纤/半导体/0)2激光器，输出功率100~3000W，光斑直径0.2~4mm,搭接率10~80%，激光头Ar气流量0.5~13L/min,送粉器Ar气流量0.5-12L/min，激光头扫描速度3~125mm/s。
[0007]本发明所用的多料斗螺旋送粉混合系统由三个送粉器分别通过送粉管与一个共同的激光头连接组成，粉体即时送至激光头进行激光成形。如图1所示。所述送粉器由料斗、螺杆和流化器组成，所述螺杆由直流步进电机推动。
[0008]本发明以多料斗螺旋送粉混料系统即时送粉，并利用同轴不连续激光头成形，实现了增强相的分布控制，消除增强相分布不匀的情况，实现Tic含量可调的TiC-FeCr-Gr复合材料结构件的激光成形。
[0009]本发明方法将部件表层和内层进行分别成形，控制送粉成分和激光扫描路线，实现内外分层结构的TiC-FeCr-Gr合材料部件的激光制造，使部件内部具有金属材料的韧性，表层具有耐磨的功能，且部件整体断裂韧度为同类金属部件的60%以上。
【附图说明】
[0010]图1多料斗螺旋送粉混合系统结构示意图。
【具体实施方式】
[0011]结合实施例对本发明做进一步描述。
[0012]实施例一
一种TiC-FeCr-Gr复合材料退火炉棍激光成形方法，包括以下流程:
(1)原料配方与预处理
原料配方为:石墨 0.91wt.%，Ti 5.88wt.%，Cr23.21wt.%，稀土氧化物 0.33wt.%，Fe 余量；原料采用粉体形式，金属粉末和石墨粉颗粒尺寸60微米；将金属Ti粉、混合稀土粉末一起球磨2小时；将Fe粉、Cr粉末一起球磨1.5小时。
[0013](2)送粉与混料
送粉工艺采用多料斗螺旋送粉混合系统完成，将Ti粉、混合稀土粉末放入第1个料斗中，石墨粉置于第2个料斗中，Fe、Cr混合粉末置于第3个料斗中；3个送粉器同时送粉，并通过螺杆转速调整TiC在成形局部的含量。
[0014](3)激光成形
激光成形的激光头采用3管同轴不连续喷嘴，实现对激光熔池的环抱粉体喷射，使激光熔池各成分均匀分布。激光加工时设置每层厚度为1.76mm，然后在四轴数字加工机床上分层进行激光成形；控制送粉成分和激光扫描路线，进行复合部件内外分层的激光成形，即结构件内部为金属基体材料，外层为石墨弥散分布的TiC-FeCr-Gr复合材料。激光加工使用的半导体直接输出激光器，输出功率700W，光斑直径2.4mm，搭接率40%，激光头Ar气流量5L/min，送粉器Ar气流量7.9L/min，激光头扫描速度16mm/s。
[0015]成形部件内部具有金属材料的韧性，表层具有耐磨的功能，且部件整体断裂韧度为同类金属部件的60%以上。
[0016]实施例二
一种TiC-FeCr-Gr复合材料热成型模具激光成形方法，包括以下流程:
(1)原料配方与预处理
原料配方为:石墨 1.26wt.%，Ti9.81wt.%，Crl9.23wt.%，混合稀土 0.13wt.%，Fe 余量；原料采用粉体形式，金属粉末和石墨粉颗粒尺寸60微米；将金属Ti粉、混合稀土粉末一起球磨3小时；将Fe粉、Cr粉末一起球磨1小时。
[0017](2)送粉与混料
送粉工艺采用多料斗螺旋送粉混合系统完成，将Ti粉、混合稀土粉末放入第1个料斗中，石墨粉置于第2个料斗中，Fe、Cr混合粉末置于第3个料斗中；3个螺杆送粉器同时送粉，并通过螺杆转速调整TiC在成形局部的含量。
[0018](3)激光成形
激光成形的激光头采用3管同轴不连续喷嘴，实现对激光熔池的环抱粉体喷射，使激光熔池各成分均匀分布。激光加工时设置每层厚度为0.32mm，然后在四轴数字加工机床上分层进行激光成形；控制送粉成分和激光扫描路线，进行复合部件内外分层的激光成形，即结构件内部为金属基体材料，外层为石墨弥散分布的TiC-FeCr-Gr复合材料。激光加工使用的光纤激光器，输出功率220W，光斑直径0.4mm，搭接率40%，激光头Ar气流量3L/min，送粉器Ar气流量3L/min，激光头扫描速度18mm/s。
[0019]成形部件内部具有金属材料的韧性，表层具有耐磨的功能，且部件整体断裂韧度为同类金属部件的60%以上。
[0020]实施例三
一种TiC-FeCr-Gr复合材料热乳输送棍激光成形方法，包括以下流程:
(1)原料配方与预处理
原料配方为:石墨3.61wt.%，Ti粉末4.32wt.%，Cr粉末13.47wt.%，混合稀土
0.15wt.%，Fe粉末78.45wt.% ;原料采用粉体形式，金属粉末和石墨粉颗粒尺寸200微米；将金属Ti粉、混合稀土粉末一起球磨3小时；将Fe粉、Cr粉末一起球磨1小时。
[0021](2)送粉与混料
送粉工艺采用多料斗螺旋送粉混合系统完成，将Ti粉、混合稀土粉末放入第1个料斗中，石墨粉置于第2个料斗中，Fe、Cr混合粉末置于第3个料斗中；3个螺杆送粉器同时送粉，并通过螺杆转速调整TiC在混料器中粉体的当量。
[0022](3)激光成形
激光成形的激光头采用3管同轴不连续喷嘴，实现对激光熔池的环抱粉体喷射，使激光熔池各成分均匀分布。激光加工时设置每层厚度为0.31mm，然后在四轴数字加工机床上分层进行激光成形；控制送粉成分和激光扫描路线，进行复合部件内外分层的激光成形，即结构件内部为金属基体材料，外层为石墨弥散分布的TiC-FeCr-Gr复合材料。激光加工使用的光纤激光器，输出功率220W，光斑直径0.4mm，搭接率40%，激光头Ar气流量3L/min，送粉器Ar气流量3L/min，激光头扫描速度18mm/s。
[0023]成形部件内部具有金属材料的韧性，表层具有耐磨的功能，且部件整体断裂韧度为同类金属部件的60%以上。
【主权项】
1.一种TiC-FeCr-Gr复合材料构件的激光成形方法，其特征在于包括以下步骤: (1)原料配方与预处理原料配方为:石墨 0.91-3.61wt.%，Ti 粉末 4.32-9.81wt.%，Cr 粉末 13.47-23.21wt.%，稀土氧化物0.13-0.33wt.%，Fe粉末余量；原料采用粉体形式，金属粉末和石墨粉颗粒尺寸60~200微米；将金属Ti粉、稀土氧化物粉末一起球磨0.5-6小时；将Fe粉、Cr粉末一起球磨0.5—6小时； (2)送粉与混料 采用多料斗螺旋送粉混合系统送粉和及时混合，所述多料斗螺旋送粉混合系统由三个送粉器分别通过送粉管与一个共同的激光头连接组成，将Ti粉、稀土氧化物粉末放入第1个料斗中，石墨粉置于第2个料斗中，Fe、Cr混合粉末置于第3个料斗中；3个送粉器同时送粉，并通过调整螺杆转速控制粉体的比例； (3)激光成形 激光成形的激光头采用3管同轴不连续喷嘴，实现对激光熔池的环抱粉体喷射，使激光熔池各成分均匀分布；将设计部件的数字图形数据利用分层软件进行切片，并建立分层激光扫描路径及其层间连接配合，设置每层厚度为0.04-0.6_，然后在四轴数字加工机床上分层进行激光成形；控制送粉成分和激光扫描路线，使得局部生成的增强相TiC比例成梯度连续变化，即构件内部为金属基体材料，外层为TiC-FeCr-Gr复合材料，并最终使用的原料符合步骤(1)的要求。2.根据权利要求1所述的激光成形方法，其特征在于，步骤(3)中，采用光纤/半导体/0)2激光器，输出功率100~3000W，光斑直径0.2~4mm,搭接率10~80%，激光头Ar气流量0.5~13L/min，送粉器Ar气流量0.5~12L/min，激光头扫描速度3~125mm/s。3.根据专利要求1所述的激光成形方法，其特征在于，所述送粉器由料斗、螺杆和流化器组成，所述螺杆由直流步进电机推动。
【专利摘要】本发明涉及一种TiC-FeCr-Gr金属复合材料结构件的激光成形方法，其所选用的原料粉体配方为：石墨0.91~3.61wt.%，Ti粉末4.32~9.81wt.%，Cr粉末13.47~23.21wt.%，稀土氧化物0.13~0.33wt.%，Fe粉末余量。激光成形的粉体定量配送与混合采用多料斗螺旋送粉混合系统完成，激光成形的喷嘴采用同轴不连续喷粉头，利用系统对送粉和激光的控制，实现复合部件的内外部分层结构的成形，复合材料的力学性能可达到基体金属材料的60%以上。
【IPC分类】C22C38/28, B22F3/105
【公开号】CN105328190
【申请号】CN201510895995
【发明人】娄德元, 杨奇彪, 赵城, 张德生, 陈列, P·贝内特, 刘顿
【申请人】湖北工业大学
【公开日】2016年2月17日
【申请日】2015年12月8日