[发明专利]金属-陶瓷多维度功能梯度结构件的激光近净成形方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种金属-陶瓷多维度功能梯度结构件的激光近净成形方法。

背景技术

随着空间科技及能源技术的快速发展，某些特殊的极端工况条件要求结构件不同的工作部位具备不同的性能，如航天飞机发动机燃烧室器壁，一侧接触数千度高温气体，要求材料具备优良的耐热性能，而另一侧承受低温液氢冷却，则要求材料具备良好的导热性和机械性能。传统的耐热金属、陶瓷或金属陶瓷等均质材料都难以承受此种极端工况，若采用涂层技术，由于基体与涂层的热膨胀系数及弹性模量的失配，很容易产生热应力导致涂层开裂或脱落。金属-陶瓷功能梯度材料采用先进的材料复合技术，通过控制金属与陶瓷材料的相对组成和组织结构，使其无界面地连续过渡，从而使整个材料具有耐热性好且机械强度高的综合性能。自20世纪80年代后期日本学者首先提出功能梯度材料的概念以来，金属-陶瓷功能梯度材料已在航空航天、能源工程、生物医学、核工程等诸多领域得到了实际应用。

目前，金属-陶瓷功能梯度结构件的制备方法主要有粉末冶金法、等离子喷涂法、自蔓延燃烧高温合成法、气相沉积法、电沉积法、激光熔覆法和离心铸造法等。其中激光熔覆法由于具有梯度控制精确简单、适应材料广、加工柔性大且效率高等一系列优点，而成为材料制备、成形的重要方法之一，引起了国内外的重点关注，以下文献均有报道：

美国学者W.P.Liu，J.N.Dupont：“激光近净成形法制备TiC/Ti功能梯度材料（Fabrication of functionally graded TiC/Ti composites by Laser Engineered Net Shaping）”，《材料杂志（Scripta Materialia）》，2003年48卷。

英国学者F.Wang，J.Mei，X.H.Wu：“利用粉末及金属丝激光快速制造Ti6Al4V/TiC功能梯度材料（Compositionally graded Ti6Al4V＋TiC made by direct laser fabrication using powder and wire）”，《材料与设计（Materials and Design）》，2007年28卷。

以色列学者M.Riabkina-Fishman，E.Rabkin，P.Levin等：“M₂高速工具钢表面激光制备碳化钨功能梯度涂层（Laser produced functionally graded tungsten carbide coating on M₂ high-speed tool steel）”，《材料科学与工程（Materials Science and Engineering）》，2001年A302卷。

新西兰学者Y.T.Pei，V.Ocelik，J.Th.M.De Hosson：“激光熔融注射制备SiC_p/Ti6Al4V功能梯度材料（SiC_p/Ti6Al4V functionally graded material produced by laser melt injection）”，《材料动态（Acta Materialia）》，2002年50卷。

中国学者Y.M.Wang，J.D.Hu，X.L.He：“激光直接制备原位自生Ni/TiC功能梯度材料（In-situ reactive processing of Ni/TiC functionally gradient materials by direct laser fabrication）”，《工程激光（Laser in Engineering）》，2007年17卷。

中国学者王存山、夏元良、李刚等：“宽带激光熔覆Ni一WC梯度复合涂层组织与性能”，《应用激光》，2001年3卷。

通过文献调研了解到，目前采用激光熔覆法制备金属-陶瓷功能梯度材料的研究还只是集中在功能梯度涂层及简单块体的制备上，不能直接成形结构件，搭配材料设计种类少，而且其功能梯度的变化仅保持在一个维度内。而随着科技的发展，更加复杂的服役环境对于功能梯度材料制备的零件的功能要求越来越苛刻，不再仅限于一个零件具有两种适应性，而希望同一个零件的不同部位能够具有多种功能，满足多重环境的适应。因此寻找一种可以实现多维度功能梯度变化、可直接成形多成分大尺寸复杂结构件的成形方法具有重要的意义。

发明内容