[發明專利]一種制備梯度功能材料的方法

有效

• 申請號: 201110262455.7
• 申請日: 2011-09-06
• 公開（公告）號: CN102350566A
• 公開（公告）日: 2012-02-15
• 發明（設計）人: 張海鷗;王超;王桂蘭
• 申請（專利權）人: 華中科技大學
• 主分類號: B23K9/04
• 分類號: B23K9/04;B23K9/16;B23K9/32;B23K10/02
• 代理公司: 華中科技大學專利中心 42201
• 代理人: 曹葆青

技術領域

本發明涉及梯度功能材料的制備方法，特別是采用磁場復合高能束(離子體束、焊機電弧)熱源熔煉制備梯度功能材料的方法。

背景技術

梯度功能材料(Functionally?Gradient?Materials：FGM)是一種組織、結構、特性參數和物理、化學、生物等單一或復合性能都呈連續變化，以適應不同環境，實現某一特殊功能的一類新型復合材料。由于其性能的獨特性而被廣泛的應用于航空航天、化學工業、電子、光學、生物醫學工程等領域。

目前FGM的制備方法按原料的形態可分為氣相法、液相(熔融態)法和固相(粉末)法三種。表1為制備FGM的常用方法。

1、氣相沉積法

氣相沉積法包括化學氣相沉積(CVD)和物理氣相沉積(PVD)法，CVD法是通過控制反應氣體的濃度或控制CVD條件，在基板上獲得連續漸變膜的方法。PVD法是通過物理方法如離子鍍，濺射及分子束外延等使源物質蒸發在基體上沉積成膜的一種方法。

2、電沉積法

在含有某種金屬離子的電解溶液中將被沉積工件作為陰極，通過一定波形的低壓直流電，使金屬離子不斷在陰極上沉積為金屬的過程。主要的工藝方法有電鍍、電泳和電鑄。

3、等離子噴涂法

等離子噴涂法以氣體作載體將噴涂材料(粉末)吹入等離子射流中，使之成熔融態，并以極高的速度噴射至基材表面，形成扁平的層狀結構涂層，通過控制噴涂材料的成分可以合成出沿截面具有成分漸變的FGM薄膜材料。

4、自蔓延高溫合成法

自蔓延高溫合成法也稱燃燒合成法，是在點火起燃后利用預先配置好的源物質反應所釋放的巨大能量，使合成反應自動進行以制取FGM。

5、粉末冶金法

粉末冶金法是制備FGM最常用的方法。這種方法以各種金屬、非金屬及化合物粉末為原料，采用一定的工藝成形后，進行燒結后處理，通過控制原料粉末的成分(粒度)、燒結溫度、燒結時間等工藝條件，最終可獲得沿截面具有連續成分或晶粒度梯度的材料。

發明內容

本發明的目的在于提供一種制備梯度功能材料的方法，該方法避免了上述傳統制備工藝過程中間工序過多、工藝參數控制嚴格、成本昂貴等缺點，制備過程高效，且通過無接觸式磁場約束，可更加優化梯度功能材料性能。

本發明制備的梯度功能材料為向基體中加入粉末材料，形成配比連續漸變的梯度分布。其技術方案為：

第一步原料選取

根據待制備的梯度功能材料的成分確定各參與制備的材料種類，主材料因基于分層堆焊制備，使用焊絲材料，梯度成分使用金屬粉末材料。

兩種材料無需按配比混合，而在制造過程中確定其配比，也是此制造方式的特別之處。

第二步在氣體保護焊中制備

在送絲堆焊的同時進行梯度送粉，根據待制備的梯度功能材料中復合材料的含量實時調節送粉量，使單位時間內送絲量與送粉量的質量之比與梯度功能材料中基材與復合材料質量之比相同。

通常而言，單位時間內的送粉量的取值范圍為1g/min～15g/min，該步驟使兩種材料在堆焊過程中充分熔合以制備梯度功能材料。整個制備過程可在無外加磁場或外加交變磁場的環境下完成。

本發明相對較類似的等離子噴涂法與粉末冶金法，其優勢在于：

1.選定原料后，只需更改梯度送粉速度與機床行走速度即可改變梯度功能材料中Al含量的梯度分布，操作高效簡單。

2.由于采用梯度送粉與氣體保護焊相結合的工藝方法，利用數控設備可規劃生成材料的形狀，且如發生當期層熔積狀況不理想焊層氧化情況，可利于設備進行加工銑削去除不理想層，避免了等離子噴涂法易產生氧化物堆積涂層，影響梯度材料成分性能的缺陷，且克服了傳統方法只能制造固定形狀結構的缺點，可根據計算機分層切片，規劃制造出形狀復雜的梯度功能材料零件。

3.克服了傳統制備方法制造過程復雜，工序繁多的缺點，制備過程一次完成，適合大批量梯度功能材料零件的制造。

4.使用無接觸交變磁場約束影響制備過程，可使復合成份呈連續梯度漸變，改變優化梯度功能材料的組織性能。

附圖說明

圖1是加入交變磁場裝置優化梯度功能材料制備示意圖；

圖2是實現交變磁場優化同軸送粉裝置示意圖。

圖3是無磁場環境梯度功能材料焊層的金相照片(x400)；

圖4是復合電磁場環境梯度功能材料焊層的金相照片(x400)；

圖5是交變磁場環境及無磁場環境金屬焊層鋁含量分布圖；

具體實施方式