[发明专利]原位合成TiC增强钛基复合材料的激光制备装置及方法

说明书

本发明涉及原位合成TiC增强钛基复合材料的激光制备装置及方法，包括数控系统、气氛控制系统、送粉铺粉系统、激光系统和成形室，其中送粉铺粉系统下端设置有铺设钛合金球形粉末的刮刀；该装置结合选区激光熔化与激光化学气相沉积技术，利用激光束的高能高温特性裂解碳源气体，裂解产物碳与基体钛原位反应生成均匀分散的TiC增强相，并与熔化–凝固过程中的基体钛进行复合，通过SLM逐层工作的方式最终制备出TiC增强钛基复合材料。原位生成的TiC增强相和基体钛之间的界面清洁干净，可有效解决现有复合材料界面结合强度差、增强相团聚等问题。通过气态碳源扩散‑反应原位生成的TiC增强钛基复合材料组织可控，力学性能显著提升。

技术领域

本发明属于原位生成TiC增强钛基复合材料的激光制备技术领域，特别涉及一种原位合成TiC增强钛基复合材料的激光制备装置及方法。

背景技术

TiC增强钛基复合材料具有优异的物理性能和力学性能。因此，其制备工艺及理论研究迅速发展，例如：粉末冶金法、搅拌铸造法、喷射沉积法、机械合金化法、自蔓延高温合成法、液态浸渗法。复合材料的制备方法和制备工艺十分重要，它将直接影响着复合材料的组织结构和力学性能。

然而，目前制备复合材料大都采用在原基体材料中加入增强相，或是通过引入反应物与基体原位自生复合材料，主要通过球磨混合、机械搅拌混合，或是通过熔体熔融渗透、蔓延等方法来实现增强相和基体的分散，两者难以均匀分散。本发明将激光气相沉积技术(LCVD)与激光选区熔化成形(SLM)技术相结合，在钛合金的SLM熔化成形过程中加入气态碳源，通过控制其在激光与钛合金作用产生的高温区域的裂解，裂解中间产物不定形碳(C)与基体钛(Ti)原位反应生成均匀分散的TiC增强相(LCVD过程)，并与熔化–凝固过程中的钛合金基体进行复合，通过SLM逐层工作的方式最终制备出TiC增强钛基复合材料。如此的快速成形法，将极大程度地缩短制备周期，提高制备效率，并可直接成形出中空(或形状复杂)轻质零部件。最重要的是，原位生成的TiC增强相和钛合金基体之间的界面清洁干净，可有效解决现有制备方法制备出的复合材料界面结合强度差和增强相团聚等问题。通过气态碳源与固态钛合金反应生成的TiC增强钛基复合材料微观组织可控，力学性能显著提升。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的之一在于提供一种原位合成TiC增强钛基复合材料的激光制备装置；本发明的目的之二在于提供原位合成TiC增强钛基复合材料的方法，采用选区激光熔化(SLM)与激光化学气相沉积(LCVD)并行加工技术，利用激光束的高能高温特性裂解反应气氛中的碳源，生成物不定形碳与基体钛原位反应生成均匀分散的TiC增强相(LCVD过程)，并与熔化–凝固过程中的钛合金基体进行复合，通过SLM逐层工作的方式最终制备出TiC增强钛基复合材料。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

原位合成TiC增强钛基复合材料的激光制备装置，包括数控系统、气氛控制系统、送粉铺粉系统、激光系统和成形室，所述送粉铺粉系统下端设置有用于铺设钛合金球形粉末的刮刀。

优选的，所述激光系统由激光器和激光传输装置组成，激光器通过激光传输装置将激光束聚焦到粉末床以实现对钛合金粉末的选区熔化。

优选的，所述成形室内设置有收粉装置和粉末床，所述成形室内外设置有出口Ⅱ和气体供应系统。

更优选的，所述气体供应系统由碳源气体室、惰性气体室、混气室、气体循环装置以及出口Ⅰ构成。

更优选的，所述形室内还设有真空压力传感器、氧含量传感器、碳源气体含量传感器、氢气含量传感器和循环气体流量计。

2、原位合成TiC增强钛基复合材料的方法，包括如下步骤：

(1)启动气氛控制系统净化成形室，碳源气体和惰性气体按一定浓度比例在混气室内混合后进入成形室，并在气体循环装置作用下在循环和分散；

(2)送粉铺粉系统控制刮刀均匀铺设一层钛合金球形粉末于粉末床上；