[發(fā)明專(zhuān)利]通過(guò)增材制造途徑合成原位金屬基質(zhì)納米復(fù)合物

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• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201880020279.6
• 申請(qǐng)日: 2018-02-09
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN110573275A
• 公開(kāi)（公告）日: 2019-12-13
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 西瓦·法尼·庫(kù)瑪·亞拉曼奇里
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 歐瑞康表面處理解決方案股份公司普費(fèi)菲孔
• 主分類(lèi)號(hào): B22F3/105
• 分類(lèi)號(hào): B22F3/105;C22C29/00;C22C29/06;C22C29/12;C22C29/14;C22C29/16;C22C29/18;C22C32/00;B33Y10/00;B33Y40/00
• 代理公司: 11129 北京海虹嘉誠(chéng)知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司
• 代理人: 何志欣

提出了一種獨(dú)特且新穎的增材制造途徑，通過(guò)在選擇性激光熔化工藝室中接入反應(yīng)性等離子體來(lái)形成熱穩(wěn)定的原位金屬基質(zhì)納米復(fù)合物。所提出的途徑提供非常高的組成自由度，即，具有不同化學(xué)計(jì)量比的氮化物、碳化物、氧化物、硅化物和其他陶瓷可以在納米級(jí)上摻入任何金屬基質(zhì)中。具有這種納米復(fù)合結(jié)構(gòu)的部件展現(xiàn)出優(yōu)異的高溫結(jié)構(gòu)性能。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及通過(guò)增材制造形成原位金屬基質(zhì)納米復(fù)合物的方法。示例是在原料材料的金屬基質(zhì)中的碳化物、氮化物、氧化物、硼化物或它們的組合。

背景技術(shù)

選擇性激光熔化(SLM)是用于金屬部件的增材制造的主力。該過(guò)程被透徹地研究并發(fā)表在研究文章中，例如C.Y.Yap等人的文章Review of selective laser melting:Materials and applications,Appl.Phys.Rev.2,041101(2015)041101。此項(xiàng)現(xiàn)有技術(shù)的工藝示意性地示出在圖1中。簡(jiǎn)而言之，該工藝包括：鋪散粉末(優(yōu)選原子化的粉末)，然后進(jìn)行激光光柵掃描以引起選擇性熔化(圖1a)。重復(fù)進(jìn)行粉末鋪散和激光光柵掃描，直到獲得所需的形狀(圖1b)。雖然該現(xiàn)有技術(shù)聲稱(chēng)在工業(yè)規(guī)模上大規(guī)模生產(chǎn)冶金性?xún)?yōu)良的復(fù)雜幾何設(shè)計(jì)，但現(xiàn)有技術(shù)受到有限的組成和微結(jié)構(gòu)自由度的影響，即，打印部件的相組成基本上由原料材料限定。最終的微觀結(jié)構(gòu)通常是來(lái)自原料的成分的亞穩(wěn)相混合物和平衡。

與該現(xiàn)有技術(shù)相比，在根據(jù)本發(fā)明的所提出的方法中，在原料材料的金屬基質(zhì)中形成了如例如圖2所示的獨(dú)特設(shè)計(jì)工藝構(gòu)造的原位納米級(jí)沉淀物結(jié)構(gòu)。所提出的工藝包括以下步驟：在反應(yīng)性等離子體環(huán)境中在粉末床上進(jìn)行激光光柵掃描；以及對(duì)構(gòu)建平臺(tái)施加靜電勢(shì)(偏置)。通過(guò)適當(dāng)?shù)亟尤爰す夤鈻艗呙琛⒎磻?yīng)性等離子體和偏置電壓，在金屬基質(zhì)中原位形成納米復(fù)合物，如圖2中示意性所示。所提出的方法具有非常高的組成自由度，即，具有各種化學(xué)計(jì)量比的氮化物、氧化物、碳化物和硅化物的納米顆粒可以摻入幾乎任何金屬基質(zhì)中。更有趣的是，這種納米復(fù)合物是熱穩(wěn)定的，因?yàn)橥ㄟ^(guò)奧斯特瓦爾德熟化過(guò)程的顆粒生長(zhǎng)在實(shí)驗(yàn)上可忽略不計(jì)，因?yàn)轭w粒和基質(zhì)之間的相互固體溶解度相對(duì)較低。

從現(xiàn)有文獻(xiàn)中已知，金屬基質(zhì)中氮化物、碳化物、硼化物或氧化物的納米顆粒的均勻分布將通過(guò)阻礙塑性流動(dòng)而顯著地增強(qiáng)高溫結(jié)構(gòu)性質(zhì)，即使體積部分低至5％，例如參見(jiàn)：

(a)GJ.Zhang等人的文獻(xiàn)：Microstructure and strengthening mechanism ofOxide lathanum dispersion strengthened molybdenum alloy,Adv.Eng.Mater.2004,6,No.12；

(b)http://www.ifam.fraunhofer.de/content/dam/ifam/en/documents/dd/lnfobl％C3％A4tter/dispersion-strengthened_materials_fraunhofer_ifam_dresden.pdf)

總之，所提出的構(gòu)造中的3D打印部件的特征在于均勻分布在原料基質(zhì)中的納米級(jí)陶瓷顆粒的熱穩(wěn)定非平衡混合。這種納米級(jí)顆粒增強(qiáng)3D打印部件在室溫和升高到0.7Tm的溫度下展現(xiàn)出顯著優(yōu)異的結(jié)構(gòu)性能(Tm是基質(zhì)合金的熔融溫度)。

目標(biāo)是提供增材制造合成途徑以對(duì)幾乎任何金屬原料原位形成金屬基質(zhì)納米復(fù)合物。所提出的合成途徑的示意圖隨附于圖3。

根據(jù)本發(fā)明的方法包括6個(gè)步驟：

步驟1：在腔室中優(yōu)先地在粉末床上、優(yōu)選地在Me粉末床上點(diǎn)燃反應(yīng)性等離子體，其中，Me粉末是包含金屬的粉末，同時(shí)通過(guò)構(gòu)建平臺(tái)在熔融區(qū)域中施加幾個(gè)100eV的靜電勢(shì)。

步驟2：粉末床上的激光光柵掃描非常局部地引起熔池形成。

步驟3：以幾個(gè)100eV的能量靜電驅(qū)動(dòng)反應(yīng)性氣體離子(N+)進(jìn)入熔池。