[发明专利]一种基于电弧增材的船用钛合金梯度复合材料制备方法

说明书

本发明提供了一种基于电弧增材的船用钛合金梯度复合材料制备方法，包括如下步骤：步骤1：将待加工金属零件基板预处理后固定；步骤2：建立待加工金属零件的三维模型，获得增材制造路径并设定对应的工艺参数；步骤3：通过TIG电弧作用在基材的工作面上形成较长的熔池，将钛合金丝材和增强相颗粒进入电弧熔池中，并在熔池的冷却过程中实现增强相颗粒的植入；步骤4：将增强相颗粒在复合材料中呈现梯度分布；步骤5：所述复合材料分布为非强化层、过渡层、强化层三部分。本发明充分利用TIG电弧稳定、熔池长的优势，通过丝/粉同步的方法实现增强相颗粒在基体的梯度分布，既能够显著提高基体的硬度，又能够细化晶粒实现钛合金综合性能的提升。

技术领域

本发明涉及复合材料技术领域，特别涉及一种基于电弧增材的船用钛合金梯度复合材料制备方法。

背景技术

钛合金具有比强度高、耐蚀性好等优点，但是其表面硬度较低、耐磨性差的特点导致其不能满足钛合金复杂工况下的使用要求。

目前，主要是采用超音速喷涂法在钛合金制备的陶瓷基耐磨涂层实现提高其耐磨性的目的。但是，热喷涂涂层与钛合金基体是机械结合力，很容易在机械冲击下损坏。与此同时，耐磨涂层与钛合金基体变形协调性较差，容易在大温差冷热冲击过程中开裂和剥落，从而导致材料功能明显降低或过早失效。

如何有效降低钛合金表面涂层开裂、脱落而导致的过早失效问题，成为了当前明确而紧迫的需求。

钛基复合材料成为了理想的选择，尤其以高硬度陶瓷颗粒作为强化相的钛基复合材料，不仅能够延续钛合金高强度和耐腐蚀优点，同时显著增加其抵抗摩擦磨损的性能。普渡大学Liu等人在利用激光熔化沉积方法制备TiC/Ti6Al4V复合材料时，提到TiC在激光作用下会发生熔化大多数小于45 μm的TiC颗粒很大程度上得到熔化，在基体中生成原位增强体。

约翰内斯堡大学的M.Mahamood等人利用激光熔化沉积法制备了TiC强化Ti6Al4V复合材料，由于TiC粉末的大量熔化，显微组织中的未熔TiC颗粒较少，导致其抗磨损性能较差。

激光熔化沉积方法制备钛基复合材料的过程中会将绝大多数的陶瓷颗粒熔化，形成原位复合材料，析出的陶瓷相分布均匀但尺度过小，细小的陶瓷相容易在滑动摩擦的过程中整体剥离，固难以显著提高颗粒增材钛基复合材料沉积层的抗摩擦磨损性能。

发明内容

有鉴于此，本发明旨在提出一种基于电弧增材的船用钛合金梯度复合材料制备方法，以解决现有技术中钛合金工序复杂、硬度以及耐磨性较低的技术问题。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种基于电弧增材的船用钛合金梯度复合材料制备方法，包括如下步骤：

步骤1：将待加工金属零件基板预处理后固定；

步骤2：建立待加工金属零件的三维模型，获得增材制造路径并设定对应的工艺参数；

步骤3：通过GTA焊柜的TIG电弧作用在基材的工作面上形成较长的熔池，将钛合金丝材和增强相颗粒进入电弧熔池中，并在熔池的冷却过程中实现增强相颗粒的植入，其中，增强相颗粒通过送粉嘴喷入熔池内1000℃～2000℃温度区间；

步骤4：将增强相颗粒在复合材料中呈现梯度分布；

步骤5：通过增强相颗粒的梯度分布，所述复合材料分布为非强化层、过渡层、强化层三部分，所述非强化层、过渡层、强化层中的增强相颗粒逐渐增多。

进一步的，钛合金丝材从熔池前沿送进，增强相颗粒从熔池后半部分送入。

进一步的，所述GTA焊柜通过设置的钨极作为引弧热源，所述钨极与基体垂直布置，在钨极的前侧设置送丝机构，在送丝机构上设置倾斜移动的钛合金丝材，在钨极电弧热源的后侧设置送粉嘴，所述送粉嘴能够相对所述GTA焊柜进行移动或者转动。