一种TiC-Al-Gr复合材料构件的激光成形方法
【专利说明】 一种T i C-A1-Gr复合材料构件的激光成形方法
[0001]
技术领域
[0002]本发明属于激光成形领域，涉及一种Tic-Al-Gr复合材料构件的激光成形方法。
【背景技术】
[0003]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，广泛应用于刀具、模具等硬质合金材料领域。
[0004]TiC颗粒增强A1基复合材料具有高比强度、高比模量、低密度、低热膨胀系数和良好的耐磨性等优异性能，在航空航天、精密仪表、汽车发动机、体育器材、电子封装等方面有重要的应用如景。石墨(Gr)在A1基复合材料中能提尚其耐磨性，同时进一步提尚材料的抗震吸能等性能。
[0005]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。
[0006]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。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TiC-Al复合材料部件，实现成形部件的增强相分布连续可控。
【发明内容】
[0007]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-Al-Gr复合材料部件的激光成形方法。本发明从原位合成路线和激光成形工艺着手，提供一种新的TiC-Al-Gr复合材料结构件的激光成形方法，能够使增强相在复合材料中均匀分布，实现性能优良的TiC-Al-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 5.67-6.35wt.%，Ti 40.54?44.43wt.%，混合稀土0.47-0.67wt.%，A1余量，原料采用粉体形式，金属粉末和石墨粉尺寸60?200微米;将金属Cr粉和稀土粉末球磨
0.5?6小时；
(2)送粉与混料
采用多料斗螺旋送粉混合系统进行送粉和及时混合，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和稀土混合粉末放入第1个料斗中，石墨粉置于第2个料斗中，A1粉置于第3个料斗中；3个螺杆送粉器同时送粉，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利用分层软件进行切片，并建立激光扫描路径及其层间连接配合，设置每层厚度为0.05?0.4mm，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，使局部生成的增强相TiC比例呈梯度分布，即结构件外层为耐磨的TiC-Al-Gr复合材料，内部为金属基体材料，并最终使用的原料符合步骤(1)的比例要求。
[0008]步骤(3)采用光纤/C02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。激光加工的环境为氩气保护气氛，压强为1个大气压。
[0009]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，如图1所示。所述送粉器由料斗、螺杆和流化器组成，螺杆由直流步进电机推动。
[0010]TiC-Al-Gr复合材料的性能取决于TiC的含量、尺寸和均匀分布。本发明以三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出TiC-Al-Gr复合材料部件，实现了增强相的分布控制，消除复合材料中TiC不均匀分布的情况，实现TiC含量可调的TiC-Al-Gr复合材料结构件的激光成形。
[0011]本发明方法同时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金属基复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、抗高温氧化的功能，且部件整体断裂韧度为同类金属部件的60%以上。
【附图说明】
[0012]图1多料斗螺旋送粉混合系统结构示意图。
【具体实施方式】
[0013]结合实施例对本发明做进一步描述。
[0014]实施例一
一种TiC-Al-Gr复合材料发动机缸套激光成形方法，包括以下流程:
(1)原料配方与预处理
原料配方为:石墨5.67wt.%，Ti 40.54wt.%，混合稀土0.58wt.%，A1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微米;将金属Cr粉和稀土粉末球磨2小时。
[0015](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和稀土混合粉末放入第1个料斗中，石墨粉置于第2个料斗中，A1粉置于第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。
[0016](3)激光成形
将多料斗中的粉体分别用3个管道气载输送至激光头进行激光成形，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，并建立分层最佳激光扫描路径及其层间连接配合，设置每层厚度为0.25_，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结构的激光成形，即结构件外层为耐磨的TiC-Al-Gr复合材料，内部为金属基体材料。激光加工使用光纤激光器，其输出功率650W,光斑直径0.4mm，搭接率50%，激光头Ar气流量6.8L/min，送粉器Ar气流量5.5L/min，激光头扫描速度38mm/s。激