[發明專利]原位合成TiC增強鈦基復合材料的激光制備裝置及方法

有效

• 申請號: 201810274019.3
• 申請日: 2018-03-29
• 公開（公告）號: CN108465814B
• 公開（公告）日: 2022-06-17
• 發明（設計）人: 段宣明;魏文猴;范樹遷;張祺;曹洪忠;吳文杰;王森
• 申請（專利權）人: 中國科學院重慶綠色智能技術研究院
• 主分類號: B22F3/105
• 分類號: B22F3/105;C22C1/05;C22C14/00;C22C32/00;C23C16/32;B33Y10/00;B33Y30/00
• 代理公司: 北京同恒源知識產權代理有限公司 11275
• 代理人: 趙榮之

本發明涉及原位合成TiC增強鈦基復合材料的激光制備裝置及方法，包括數控系統、氣氛控制系統、送粉鋪粉系統、激光系統和成形室，其中送粉鋪粉系統下端設置有鋪設鈦合金球形粉末的刮刀；該裝置結合選區激光熔化與激光化學氣相沉積技術，利用激光束的高能高溫特性裂解碳源氣體，裂解產物碳與基體鈦原位反應生成均勻分散的TiC增強相，并與熔化–凝固過程中的基體鈦進行復合，通過SLM逐層工作的方式最終制備出TiC增強鈦基復合材料。原位生成的TiC增強相和基體鈦之間的界面清潔干凈，可有效解決現有復合材料界面結合強度差、增強相團聚等問題。通過氣態碳源擴散?反應原位生成的TiC增強鈦基復合材料組織可控，力學性能顯著提升。

技術領域

本發明屬于原位生成TiC增強鈦基復合材料的激光制備技術領域，特別涉及一種原位合成TiC增強鈦基復合材料的激光制備裝置及方法。

背景技術

TiC增強鈦基復合材料具有優異的物理性能和力學性能。因此，其制備工藝及理論研究迅速發展，例如：粉末冶金法、攪拌鑄造法、噴射沉積法、機械合金化法、自蔓延高溫合成法、液態浸滲法。復合材料的制備方法和制備工藝十分重要，它將直接影響著復合材料的組織結構和力學性能。

然而，目前制備復合材料大都采用在原基體材料中加入增強相，或是通過引入反應物與基體原位自生復合材料，主要通過球磨混合、機械攪拌混合，或是通過熔體熔融滲透、蔓延等方法來實現增強相和基體的分散，兩者難以均勻分散。本發明將激光氣相沉積技術(LCVD)與激光選區熔化成形(SLM)技術相結合，在鈦合金的SLM熔化成形過程中加入氣態碳源，通過控制其在激光與鈦合金作用產生的高溫區域的裂解，裂解中間產物不定形碳(C)與基體鈦(Ti)原位反應生成均勻分散的TiC增強相(LCVD過程)，并與熔化–凝固過程中的鈦合金基體進行復合，通過SLM逐層工作的方式最終制備出TiC增強鈦基復合材料。如此的快速成形法，將極大程度地縮短制備周期，提高制備效率，并可直接成形出中空(或形狀復雜)輕質零部件。最重要的是，原位生成的TiC增強相和鈦合金基體之間的界面清潔干凈，可有效解決現有制備方法制備出的復合材料界面結合強度差和增強相團聚等問題。通過氣態碳源與固態鈦合金反應生成的TiC增強鈦基復合材料微觀組織可控，力學性能顯著提升。

發明內容

有鑒于此，本發明的目的之一在于提供一種原位合成TiC增強鈦基復合材料的激光制備裝置；本發明的目的之二在于提供原位合成TiC增強鈦基復合材料的方法，采用選區激光熔化(SLM)與激光化學氣相沉積(LCVD)并行加工技術，利用激光束的高能高溫特性裂解反應氣氛中的碳源，生成物不定形碳與基體鈦原位反應生成均勻分散的TiC增強相(LCVD過程)，并與熔化–凝固過程中的鈦合金基體進行復合，通過SLM逐層工作的方式最終制備出TiC增強鈦基復合材料。

為達到上述目的，本發明提供如下技術方案：

原位合成TiC增強鈦基復合材料的激光制備裝置，包括數控系統、氣氛控制系統、送粉鋪粉系統、激光系統和成形室，所述送粉鋪粉系統下端設置有用于鋪設鈦合金球形粉末的刮刀。

優選的，所述激光系統由激光器和激光傳輸裝置組成，激光器通過激光傳輸裝置將激光束聚焦到粉末床以實現對鈦合金粉末的選區熔化。

優選的，所述成形室內設置有收粉裝置和粉末床，所述成形室內外設置有出口Ⅱ和氣體供應系統。

更優選的，所述氣體供應系統由碳源氣體室、惰性氣體室、混氣室、氣體循環裝置以及出口Ⅰ構成。

更優選的，所述形室內還設有真空壓力傳感器、氧含量傳感器、碳源氣體含量傳感器、氫氣含量傳感器和循環氣體流量計。

2、原位合成TiC增強鈦基復合材料的方法，包括如下步驟：

(1)啟動氣氛控制系統凈化成形室，碳源氣體和惰性氣體按一定濃度比例在混氣室內混合后進入成形室，并在氣體循環裝置作用下在循環和分散；

(2)送粉鋪粉系統控制刮刀均勻鋪設一層鈦合金球形粉末于粉末床上；