[發(fā)明專利]一種TiC-Mg復(fù)合材料構(gòu)件的激光成形方法

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 201510895770.1
• 申請日: 2015-12-08
• 公開（公告）號: CN105328189A
• 公開（公告）日: 2016-02-17
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 婁德元;楊奇彪;郭釗;朱思雄;陳列;P·貝內(nèi)特;劉頓
• 申請（專利權(quán)）人: 湖北工業(yè)大學(xué)
• 主分類號: B22F3/105
• 分類號: B22F3/105;C22C23/00
• 代理公司: 武漢科皓知識產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(特殊普通合伙) 42222
• 代理人: 汪俊鋒

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于激光成形領(lǐng)域，涉及一種TiC-Mg構(gòu)件的激光成形方法。

背景技術(shù)

鎂合金被認(rèn)為是21世紀(jì)最有應(yīng)用潛力的“綠色工程材料”。鎂合金是最輕的工程結(jié)構(gòu)金屬，具有比強(qiáng)度高、比模量高、導(dǎo)電導(dǎo)熱性好等特點，兼有良好的阻尼減震和電磁屏蔽性能，易于加工成形和再生利用用等優(yōu)點，在汽車、通訊設(shè)備、航空等領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。

TiC具有極高的熔點、優(yōu)秀的高溫強(qiáng)度、熱穩(wěn)定性，密度低、彈性模量較高、硬度高和耐磨性好，廣泛應(yīng)用于刀具、模具等硬質(zhì)合金材料領(lǐng)域。TiC顆粒增強(qiáng)Mg基復(fù)合材料能夠顯著改善Mg合金強(qiáng)度不足、耐磨性差、易高溫蠕變和彈性模量不足等缺點。

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，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。原位合成技術(shù)不僅改善了增強(qiáng)體與基體的相容性、界面結(jié)合強(qiáng)度，實現(xiàn)了增強(qiáng)體形貌和尺寸的有效控制，而且簡化了制備工藝。

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，容易因為粉體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，而且會改變增強(qiáng)相的設(shè)計成分，大幅降低TiC-金屬復(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-Mg復(fù)合材料部件，實現(xiàn)金屬粉與石墨粉的均勻在線混合，成形部件的增強(qiáng)相分布連續(xù)可控。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種增強(qiáng)相分布可控的TiC-Mg復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件的激光成形方法。本發(fā)明針對現(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)合材料中均分布均勻可控，實現(xiàn)性能優(yōu)良的TiC-Mg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6.83~8.28wt.%，Ti16.59~23.80wt.%，稀土氧化物0.45~0.59wt.%，AZ91合金余量，原料采用粉體形式，粉末顆粒尺寸50~200微米；將Ti粉和稀土氧化物粉末球磨0.5~6小時；

（2）送粉與混料

采用多料斗螺旋送粉混合系統(tǒng)送粉和即時混合，所述多料斗螺旋送粉混合系統(tǒng)由三個送粉器分別通過送粉管與一個共同的激光頭連接組成，將Ti和稀土氧化物混合粉末放入第1個料斗中，石墨粉置于第2個料斗中，AZ91粉置于第3個料斗；3個送粉器同時送粉，并通過調(diào)整螺桿轉(zhuǎn)速控制粉體的比例；

（3）激光成形

激光成形的激光頭采用3管同軸不連續(xù)噴嘴，對熔池環(huán)抱送粉，使熔池各成分均勻分布；對設(shè)計部件的數(shù)字圖形分層切片，并建立激光掃描路徑，然后控制送粉成分和激光掃描路線，在數(shù)控機(jī)床上進(jìn)行激光成形，使局部生成的增強(qiáng)相TiC比例成梯度連續(xù)變化，即構(gòu)件外層為TiC-Mg復(fù)合材料，內(nèi)部為Mg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/半導(dǎo)體/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。激光加工的環(huán)境為氬氣保護(hù)氣氛，壓強(qiáng)為1個大氣壓。

本發(fā)明所用的多料斗螺旋送粉混合系統(tǒng)由三個送粉器分別通過送粉管與一個共同的激光頭連接組成。粉體即時送到進(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。

TiC-Mg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)明以多料斗螺旋送粉混料系統(tǒng)即時送粉，并利用同軸不連續(xù)激光頭成形出TiC-Mg復(fù)合材料部件，實現(xiàn)了增強(qiáng)相的分布控制，消除TiC-Mg復(fù)合材料中TiC分布不勻的情況，實現(xiàn)TiC含量可調(diào)的TiC-Mg復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件的激光成形。

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86%以上。

附圖說明

圖1多料斗螺旋送粉混合系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實施方式

結(jié)合實施例對本發(fā)明做進(jìn)一步描述。

實施例一：

一種TiC-Mg復(fù)合材料導(dǎo)電弓滑板激光成形方法，包括以下流程：