[发明专利]一种TiC-Gr-Zn复合材料构件的激光成形方法

说明书

技术领域

本发明涉及激光成形领域，具体涉及一种TiC-Gr-Zn复合材料构件的激光成形方法。

背景技术

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。

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。

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-Gr-Zn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-Gr-Zn复合材料部件。

发明内容

本发明为解决的技术的不足，提供一种TiC-Gr-Zn复合材料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匀可控，实现性能优良的TiC-Gr-Zn复合材料部件的激光成形。

本发明涉及的一种TiC-Gr-Zn复合材料构件的激光成形方法包括以下步骤：

（1）原料组分与预处理

原料组分为：石墨0.91wt%~3.61wt%，Ti4.32wt%~9.81wt%，Cr13.47wt%~23.21wt%，Y₂O₃0.13wt%~0.33wt%，余量为Zn；原料采用粉体形式，尺寸为60μm~200μm；将Ti、Y₂O₃一起球磨0.5h~6h；将Zn、Cr一起球磨0.5h~6h；

（2）送粉与混料

采用多料斗螺旋送粉混合系统送粉和混合，将Ti、Y₂O₃放入第1个料斗中，石墨置于第2个料斗中，Zn、Cr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0.04mm~0.6mm，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-Gr-Zn复合材料，并最终使用的原料符合步骤（1）的要求。

优选的，步骤（3）中，激光成形采用光纤/半导体/CO₂激光器，输出功率100W~300W，光斑直径0.2mm~4mm，搭接率10%~80%，激光头Ar气流量0.5L/min~13L/min，送粉器Ar气流量0.5L/min~12L/min，激光头扫描速度3mm/s~125mm/s。

优选的，步骤（3）中，激光成形采用光纤激光器，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。

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。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。

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-Gr-Zn复合材料构件的激光成形。

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-Gr-Zn复合材料构件的激光制造，使部件内部具有金属材料的韧性，表层具有耐磨的功能，且部件整体具有良好的断裂韧度。

具体实施方式

下面通过具体实施例对本发明作进一步详细介绍，但不局限于此。

实施例1