[發明專利]一種激光堆積制備鋁基原位復合材料的方法

在審

• 申請號: 201410533428.2
• 申請日: 2014-10-11
• 公開（公告）號: CN104388924A
• 公開（公告）日: 2015-03-04
• 發明（設計）人: 陳剛;趙玉濤;花程;陳玉輝;任浩
• 申請（專利權）人: 江蘇大學
• 主分類號: C23C24/10
• 分類號: C23C24/10;C22C21/00
• 代理公司: 南京經緯專利商標代理有限公司 32200
• 代理人: 樓高潮

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技術領域

本發明涉及鋁基原位復合材料，具體而言為涉及一種采用激光堆積方法制備鋁基原位復合材料的方法。

背景技術

顆粒增強鋁基復合材料具有比強度、比剛度高，尺寸穩定性好，易于采用常規成型工藝成型等優點，在航空航天、汽車、電子等領域具有廣闊的應用前景。顆粒增強鋁基原位復合材料的顆粒增強體是從鋁或鋁合金基體中原位形成的，主要是通過化學反應或者原位生長的方法，原位顆粒增強體與鋁或鋁合金基體之間界面結合良好，界面上沒有脆性反應物生成，在升溫過程中原位增強體的熱力學穩定性好，因此這類鋁基復合材料得到了越來越多的重視；化學反應法是目前制備鋁基原位復合材料的主要方法，主要包括自蔓延高溫合成法、放熱反應法、熔體反應法等。這些制備方法各有優缺點，自蔓延高溫合成法反應容易實現、能耗低，但是受到反應體系的限制，且反應過程難以控制；放熱反應法反應容易實現、能耗低，但反應體系受到限制，獲得的材料往往需要進一步加工；熔體反應法可以通過常規成型手段制造零部件，但反應溫度、顆粒分布、基體組織等受到限制；鋁基原位復合材料要獲得更好的性能、更具有實際應用價值，不僅要求其制備、成型容易實現，而且要求其增強體顆粒與基體組織具有良好的匹配，到目前為止，尚沒有關于同時滿足上述要求的技術方法的報道，因此，迫切需要提出新的工藝方法，以實現以上目的。

激光表面重熔是在激光束的熱作用下改變材料表面微觀結構和相組成，提高材料的耐磨、防腐和抗氧化性能的表面改性技術；研究表明，激光重熔有利于消除材料的缺陷，改善材料的力學性能，重熔和再凝固可實現金屬材料組織的細化；因此，如果能充分利用激光表面重熔技術，將鋁基原位復合材料逐層堆積起來，將有望在現有成熟工藝方法的基礎上獲得基體為細晶組織的鋁基原位復合材料，為鋁基原位復合的組織性能優化提供新的方法。

發明內容

本發明提出一種激光堆積制備鋁基原位復合材料的方法，其原理是：首先利用螺旋流變擠壓裝置將反應物混合，并通過擠出模具獲得片狀或者絲狀反應混合物材料，然后通過激光重熔使得反應混合物材料發生化學反應以形成鋁基原位復合材料，同時實現鋁基原位復合材料的堆積，利用激光重熔過程中基底塊體材料的急冷作用獲得基體為細晶組織的鋁基復合材料，首次實現反應混合物材料準備和鋁基原位復合材料堆積的連續進行，復合材料層的厚度可以根據具體需要通過堆積的層數控制。

一種激光堆積制備鋁基原位復合材料的方法，其特征在于：首先將處于液相線附近的鋁合金熔體和經過預熱的反應物粉末一起加入螺旋流變擠壓裝置，通過混合擠壓實現反應物的均勻混合，再通過擠出模具獲得片狀或者絲狀反應物混合材料，然后通過激光重熔堆焊使片狀或者絲狀反應物混合材料反應生成鋁基復合材料并堆積到塊體鋁合金材料上，邊擠出混合材料邊堆焊，堆積完一層后在已堆積的鋁基復合材料層上再按上述堆焊過程堆積下一層，按上述方法逐層堆積直到指定的厚度，最終形成基體為細晶組織的鋁基原位復合材料。

所述的處于液相線附近的鋁合金熔體，是指溫度處于液相線溫度以上10~20℃范圍內適合鑄造生產的鋁合金。

所述的經過預熱的反應物粉末，是指經過300~350℃、30~50min加熱處理的能與鋁生成或者在鋁合金熔體中生成包括氧化物、碳化物、硼化物增強顆粒在內的反應物粉末，其加入量占鋁合金熔體質量的15~20%。

所述的螺旋流變擠壓裝置，是指用于鋁合金半固態漿料制備和擠壓成型的常規裝置，該裝置由模具鋼制造，采用雙螺旋形式，與鋁合金熔體接觸部分采用等離子噴涂氮化硅陶瓷處理，使用過程中該裝置內腔的溫度與進入該裝置的鋁合金熔體溫度保持一致。

所述的擠出模具，是指模具鋼制作的出口截面為1.0~1.5mm×0.5~1.2mm或者?0.5~1.2mm的模具。

所述的片狀或者絲狀反應物混合材料，是指由擠出模具擠出的截面為1.0~1.5mm×0.5~1.2mm的片狀反應物混合材料或者?0.5~1.2mm的絲狀反應物混合材料。

所述的激光重熔堆焊，是指采用激光焊機對反應物混合材料進行重熔堆焊，激光功率為?500~1500W，光斑移動速度為200~400mm/min，采用純?Ar進行保護，氣體流量為?20~30?L/min，激光掃描重疊率為40~50%。

所述的塊體鋁合金材料，是指成分與加入螺旋流變擠壓裝置的鋁合金熔體相同，厚度為10~15mm的鋁合金材料。

本發明通過目前已經成熟的激光重熔技術獲得了細晶基體組織，同時能順利獲得塊體鋁基原位復合材料，工藝實現容易，材料性能穩定性好。

附圖說明