一種TiC-Ti復(fù)合材料構(gòu)件的激光成形方法
【專利說明】一種TiC-T i復(fù)合材料構(gòu)件的激光成形方法
[0001]
技術(shù)領(lǐng)域
[0002]本發(fā)明屬于激光成形領(lǐng)域，涉及一種Tic-Ti構(gòu)件的激光成形方法。
【背景技術(shù)】
[0003]Ti基復(fù)合材料具有低密度、高比強(qiáng)度和比模量、優(yōu)異的疲勞和蠕變性能，能應(yīng)用于航空航天、先進(jìn)武器系統(tǒng)及汽車制造領(lǐng)域。Tic具有極高的熔點(diǎn)、優(yōu)良的高溫強(qiáng)度、熱穩(wěn)定性，密度低、彈性模量較高、硬度高和耐磨性好。Tic因其自身優(yōu)異特性且能與鈦合金基體良好匹配已成為鈦基復(fù)合材料的首選增強(qiáng)相。原位自生顆粒增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料比鈦合金具有更加優(yōu)異的綜合性能。
[0004]MMC的制備技術(shù)依據(jù)增強(qiáng)顆粒的加入方式的不同，可分為原位自生和強(qiáng)制加入兩種。原位自生技術(shù)借助合金設(shè)計(jì)，在基體金屬內(nèi)原位反應(yīng)成核，生成一種或幾種熱力學(xué)穩(wěn)定的增強(qiáng)相，這種方法避免了外加增強(qiáng)體的分解、節(jié)約能源、資源并能夠減少排放，材料的增強(qiáng)體表面無污染，制品性能優(yōu)良。但其工藝過程要求嚴(yán)格、較難掌握、且增強(qiáng)相的成分和體積分?jǐn)?shù)不易控制。
[0005]激光成形工藝?yán)眯◇w積累積成形的方法，可以在宏觀控制增強(qiáng)相的均勻分布，為送粉激光原位成形顆粒增強(qiáng)MMC提供可能。金屬粉與石墨粉的堆積密度相差較大，在激光成形過程中，容易因?yàn)榉垠w密度相差較大而造成分層，在成形部件中造成增強(qiáng)相的分布不均，而且會(huì)改變?cè)鰪?qiáng)相的設(shè)計(jì)成分，大幅降低TiC-Ti復(fù)合材料部件的性能。因此本發(fā)明采用在線連續(xù)送粉激光原位復(fù)合成形的方法，制備TiC-Ti復(fù)合材料部件，成形部件的增強(qiáng)相分布連續(xù)可控。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于提供一種增強(qiáng)相分布可控的TiC-Ti復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件的激光成形方法。本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，從原位合成路線和激光成形工藝著手，使增強(qiáng)相在復(fù)合材料中分布均勻可控，實(shí)現(xiàn)性能優(yōu)良的Tic-Ti復(fù)合材料部件的激光成形。
本發(fā)明方法主要包括以下步驟:
(1)原料配方與預(yù)處理
原料配方為:石墨2.36-4.55wt.%，稀土氧化物0.11-0.22wt.%，Ti為余量；原料采用粉體形式，粉末顆粒尺寸40~200微米；將金屬Ti粉、稀土氧化物粉末一起球磨0.5-6小時(shí)；
(2)送粉與混料
采用多料斗螺旋送粉混合系統(tǒng)送粉和及時(shí)混合，所述多料斗螺旋送粉混合系統(tǒng)由兩個(gè)送粉器分別通過送粉管與一個(gè)共同的激光頭連接組成，將Ti粉、稀土氧化物粉末放入第1個(gè)料斗中，石墨粉置于第2個(gè)料斗中；兩個(gè)送粉器同時(shí)送粉，并通過調(diào)節(jié)螺桿轉(zhuǎn)速控制粉料的比例； (3)激光成形
激光成形的激光頭采用2管同軸不連續(xù)噴嘴，實(shí)現(xiàn)對(duì)激光熔池的環(huán)抱粉體噴射，使激光熔池各成分均勻分布；將設(shè)計(jì)部件的數(shù)字圖形利用分層軟件進(jìn)行切片，并建立分層激光掃描路徑及其層間連接配合，設(shè)置每層厚度為0.04-0.6_，然后在四軸數(shù)字加工機(jī)床上分層進(jìn)行激光成形；控制送粉成分和激光掃描路線，使得局部生成的增強(qiáng)相TiC比例成梯度連續(xù)變化，即構(gòu)件外層為耐磨的TiC-Ti復(fù)合材料，內(nèi)部為金屬基體材料，并最終使用的原料符合步驟(1)的要求。
[0007]本發(fā)明方法步驟(3 )中，采用光纖/0)2激光器，輸出功率50~3000W，光斑直徑
0.2~4mm,搭接率10~80%，激光頭Ar氣流量0.5~13L/min,送粉器Ar氣流量0.l~12L/min，激光頭掃描速度3~125mm/s。激光加工的環(huán)境為氬氣保護(hù)氣氛，壓強(qiáng)為1個(gè)大氣壓。
[0008]本發(fā)明所用的多料斗螺旋送粉混合系統(tǒng)主要由兩個(gè)送粉器分別通過送粉管與一個(gè)共同的激光頭連接組成。粉體即時(shí)送至激光頭進(jìn)行激光成形，如圖1所示。所述送粉器由料斗、螺桿和流化器組成，所述螺桿由直流步進(jìn)電機(jī)推動(dòng)。
[0009]TiC-Ti復(fù)合材料的性能取決于TiC的含量、尺寸和均勻分布。本發(fā)明以雙料斗螺旋送粉混料系統(tǒng)即時(shí)送粉，并利用同軸不連續(xù)激光頭成形出Tic-Ti復(fù)合材料部件，實(shí)現(xiàn)了增強(qiáng)相的分布可控、均勻，消除復(fù)合材料中Tic不均勻分布的情況，實(shí)現(xiàn)TiC含量可調(diào)的Tic-Ti復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件的激光成形。
[0010]本發(fā)明方法將部件表層和內(nèi)層進(jìn)行分別成形，控制送粉成分和激光掃描路線，實(shí)現(xiàn)內(nèi)外分層結(jié)構(gòu)的金屬基復(fù)合材料部件的激光制造，使部件內(nèi)部具有金屬材料的韌性，表層具有耐磨、抗高溫氧化的功能，且部件整體斷裂韌度為同類金屬部件的60%以上。
【附圖說明】
[0011]圖1多料斗螺旋送粉混合系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0012]實(shí)施例一
一種TiC-Ti復(fù)合材料汽車發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣閥激光成形方法，包括以下過程:
1、原料配方與預(yù)處理
原料配方為:石墨3.51wt.%，混合稀土 0.15wt.%，Ti余量；原料采用粉體形式，粉末顆粒尺寸50微米；將金屬Ti粉、混合稀土粉末一起球磨2小時(shí)。
[0013]2、送粉與混料
送粉工藝采用多料斗螺旋送粉混合系統(tǒng)完成，將Ti粉、混合稀土粉末放入第1個(gè)料斗中，石墨粉置于第2個(gè)料斗中；2個(gè)螺桿送粉器同時(shí)送粉，并通過螺桿轉(zhuǎn)速調(diào)整生成的TiC在構(gòu)件局部的含量；
3、激光成形
激光成形的激光頭采用2管同軸不連續(xù)噴嘴，實(shí)現(xiàn)對(duì)激光熔池的環(huán)抱粉體噴射，使激光熔池各成分均勻分布。將設(shè)計(jì)部件的數(shù)字圖形數(shù)據(jù)利用分層軟件進(jìn)行切片，并建立分層最佳激光掃描路徑及其層間連接配合，設(shè)置每層厚度為0.06_，然后在四軸數(shù)字加工機(jī)床上分層進(jìn)行激光成形；控制送粉成分和激光掃描路線，進(jìn)行復(fù)合部件內(nèi)外分層結(jié)構(gòu)的激光成形，即結(jié)構(gòu)件外層為耐磨的Tic-Ti復(fù)合材料，內(nèi)部為金屬基體材料；激光加工使用光纖激光器的輸出功率210W，光斑直徑0.08mm，搭接率45%，激光頭Ar氣流量0.4L/min，送粉器Ar氣流量1.5L/min，激光頭掃描速度8mm/s。激光加工的環(huán)境為氬氣保護(hù)氣氛，壓強(qiáng)為1個(gè)大氣壓。