[發明專利]一種TiC-Co復合材料構件的激光成形方法

在審

• 申請號: 201510895364.5
• 申請日: 2015-12-08
• 公開（公告）號: CN105458258A
• 公開（公告）日: 2016-04-06
• 發明（設計）人: 婁德元;陳列;朱思雄;張駱;楊奇彪;P·貝內特;劉頓
• 申請（專利權）人: 湖北工業大學
• 主分類號: B22F3/105
• 分類號: B22F3/105
• 代理公司: 武漢科皓知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 42222
• 代理人: 汪俊鋒

技術領域

本發明屬于激光成形領域，涉及一種TiC-Co復合材料構件的激光成形方法。

背景技術

Co基合金具有優良的高溫性能、高溫耐磨性和高溫耐蝕性，較好的熱強性和冷熱疲勞性能，在600°C以上仍具有良好的抗氧化性和耐磨性，800°C時還能保持可用的硬度，1080°C時還具有良好的抗氧化性能；同時具有良好的導熱性和低的熱膨脹系數，廣泛應用于石化、電力、冶金、水利等工業領域。TiC具有極高的熔點、優秀的高溫強度、熱穩定性，密度低、彈性模量較高、硬度高和耐磨性好。

MMC的制備技術依據增強顆粒的加入方式的不同，可分為原位自生和強制加入兩種。原位自生技術借助合金設計，在基體金屬內原位反應成核，生成一種或幾種熱力學穩定的增強相，這種方法避免了外加增強體的分解、節約能源、資源并能夠減少排放，材料的增強體表面無污染，制品性能優良。但其工藝過程要求嚴格、較難掌握、且增強相的成分和體積分數不易控制。

激光成形工藝利用小體積累積成形的方法，可以在宏觀控制增強相的均勻分布，為送粉激光原位成形顆粒增強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，容易因為粉體密度相差較大而造成分層，在成形部件中造成增強相的分布不均，而且會改變增強相的設計成分，大幅降低TiC-Co復合材料部件的性能。因此本發明采用在線連續送粉激光原位復合成形的方法，制備TiC-Co復合材料部件，使成形部件的增強相分布連續可控。

發明內容

本發明所要解決的技術問題是提供一種增強相分布可控的TiC-Co復合材料部件的激光成形方法。本發明針對現有技術的不足，從原位合成路線和激光成形工藝著手，能夠使增強相在復合材料中均勻分布，實現性能優良的TiC-Co復合材料部件的激光成形。

本發明方法主要包括以下步驟：

（1）原料配方與預處理

原料配方為：石墨5.56~7.46wt.%，Ti23.44~30.78wt.%，混合稀土0.55~0.64wt.%，Co余量，原料采用粉體形式，金屬粉末和石墨粉顆粒尺寸60~200微米；將金屬Ti粉、稀土粉末一起球磨0.4~7小時；

（2）送粉與混料

采用多料斗螺旋送粉混合系統送粉和及時混合，所述多料斗螺旋送粉和混合系統由三個送粉器分別通過送粉管與一個共同的激光頭組成，將Ti粉、稀土粉末放入第1個料斗中，石墨粉置于第2個料斗中，Co粉置于第3個料斗中；3個送粉器同時送粉，并通過調節螺桿轉速控制粉料的比例；

(3)激光成形

激光成形的激光頭采用3管同軸不連續噴嘴，實現對激光熔池的環抱粉體噴射，使激光熔池各成分均勻分布；將設計部件的數字圖形利用分層軟件進行切片，并建立激光掃描路徑及其層間連接配合，設置每層厚度為0.04~0.6mm，然后在四軸數字加工機床上分層進行激光成形；控制送粉成分和激光掃描路線，使得局部生成的增強相TiC的比例成梯度變化，即構件外層為耐磨的TiC-Co復合材料，內部為金屬基體材料，并最終使用的原料符合步驟（1）的比例要求。

步驟（3）中采用光纖/CO₂激光器，輸出功率100~3000W,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0.5~12L/min，激光頭掃描速度3~125mm/s。

本發明所用的多料斗螺旋送粉混合系統由三個送粉器分別通過送粉管與一個共同的激光頭組成，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電機推動。

TiC-Co復合材料的性能取決于TiC的含量、尺寸和均勻分布。本發明以三料斗螺旋送粉混料系統即時送粉，并利用同軸不連續激光頭成形出TiC-Co復合材料部件，實現了增強相的分布可控，消除復合材料中TiC不均勻分布的情況，實現TiC含量可調的TiC-Co復合材料結構件的激光成形。

本發明方法同時將部件表層和內層進行分別成形，控制送粉成分和激光掃描路線，實現內外分層結構的金屬基復合材料部件的激光制造，使部件內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80%以上。

附圖說明

圖1多料斗螺旋送粉混合系統結構示意圖。

具體實施方式

實施例一

一種TiC-Co復合材料軸承座激光成形方法，包括以下流程：

（1）原料配方與預處理