[發(fā)明專利]一種原位自生鈦基復(fù)合材料及其增材制造成形方法和構(gòu)件

在審

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• 申請日: 2021-04-21
• 公開（公告）號: CN113201664A
• 公開（公告）日: 2021-08-03
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 張亮;朱冬;吳文恒;王濤;盧林;倪曉晴;單小龍;尤偉任;顧孫望;顧鑫
• 申請（專利權(quán)）人: 上海材料研究所
• 主分類號: C22C14/00
• 分類號: C22C14/00;B22F9/04;C22C1/05;B33Y10/00;B33Y40/10;B33Y70/10;B33Y80/00;B22F10/28;B22F10/366
• 代理公司: 上?？剖⒅R產(chǎn)權(quán)代理有限公司 31225
• 代理人: 李新新

本發(fā)明涉及一種原位自生鈦基復(fù)合材料及其增材制造成形方法和構(gòu)件，原位自生鈦基復(fù)合材料包含增強相和基體，增強相包含硼化鑭，基體為鈦及鈦合金。增材制造成形方法具體為：(1)稱取硼化鑭、鈦及鈦合金；(2)將步驟(1)得到的原料放置在球磨機中球磨，得到增強相分布均勻的復(fù)合材料；(a)在計算機中應(yīng)用三維軟件構(gòu)建所需制備零件模型，并將該模型按照分層分析要求進行分層處理；(b)將模型導(dǎo)入激光增材制造成形設(shè)備中，并按照設(shè)定的工藝參數(shù)對步驟(2)得到的復(fù)合材料進行加工，得到原位自生鈦基復(fù)合材料構(gòu)件。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明可有效解決激光選區(qū)熔化成形過程中增強顆粒分布不均勻、與基體潤濕差導(dǎo)致的裂紋、孔隙、硬度低、耐磨性差等問題。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于鈦基復(fù)合材料領(lǐng)域，具體涉及一種激光選區(qū)熔化用的原位自生鈦基復(fù)合材料及其增材制造成形方法、原位自生鈦基復(fù)合材料構(gòu)件。

背景技術(shù)

鈦合金具有密度低、強度高、耐腐蝕、抗氧化等突出優(yōu)點，在航空航天、醫(yī)療、海洋工程等現(xiàn)代化工業(yè)及國防重大裝備中得到廣泛應(yīng)用。但與鎳基合金和高強度鋼相比，鈦合金仍存在強度低、耐磨性差的缺點，為進一步提升鈦合金的強度及耐磨性，通常在鈦合金中添加陶瓷顆粒增強相形成鈦基復(fù)合材料，以滿足更高的服役性要求。

目前金屬基復(fù)合材料仍以鑄造、粉末冶金等方法制備，存在著能耗大、成本高、生產(chǎn)制造周期長，且成形復(fù)雜零件受限制的缺點。隨著激光增材制造技術(shù)的發(fā)展，基于逐層生長的增材制造技術(shù)在鈦基復(fù)合材料制備上得到了廣泛的應(yīng)用。激光選區(qū)熔化(SLM)是激光快速成形技術(shù)中最具有發(fā)展?jié)摿Φ慕饘僭霾闹圃旒夹g(shù)之一，其主要特點是通過高能激光束熔化金屬粉末來實現(xiàn)高性能復(fù)雜金屬構(gòu)件的快速、近凈成形，可實現(xiàn)復(fù)雜零件的一次成形，大幅縮短制造周期，并顯著降低生產(chǎn)成本。同時激光增材制造技術(shù)的快速凝固原理有利于晶粒的細化和強度的提高，可進一步提升復(fù)合材料的力學(xué)性能。

現(xiàn)階段顆粒增強鈦基復(fù)合材料的制備面臨的主要問題有：(1)增強顆粒與鈦合金粉末尺寸差異大，在制備鈦基復(fù)合材料粉末時容易發(fā)生團聚，在鈦合金粉末中分布不均勻；(2)增強顆粒與鈦基體熱膨脹系數(shù)差異大，導(dǎo)致在激光選區(qū)熔化成形過程容易出現(xiàn)開裂、變形；(3)增強顆粒種類多，激光成形工藝復(fù)雜。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的就是提供一種激光選區(qū)熔化用的原位自生鈦基復(fù)合材料及其增材制造成形方法、原位自生鈦基復(fù)合材料構(gòu)件，本發(fā)明基于球磨工藝控制、顆粒增強相優(yōu)選、優(yōu)化激光選區(qū)熔化成形工藝參數(shù)，并在成形過程中基于基體和增強相的原位反應(yīng)，原位自生出細小、彌散、與基體潤濕較好的第二相增強顆粒，可有效解決激光選區(qū)熔化成形過程中增強顆粒分布不均勻、與基體潤濕差導(dǎo)致的裂紋、孔隙、硬度低、耐磨性差等問題，本方法通過調(diào)控硼化鑭的添加比重和激光工藝參數(shù)，實現(xiàn)了低成本、高性能激光選區(qū)熔化用鈦基復(fù)合材料的可控制備。

本發(fā)明的目的通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)：

一種激光選區(qū)熔化用的原位自生鈦基復(fù)合材料，所述原位自生鈦基復(fù)合材料包含增強相和基體，所述增強相包括硼化鑭，所述基體為鈦及鈦合金。

在原位自生鈦基復(fù)合材料中，所述硼化鑭的質(zhì)量分數(shù)為1～3％，所述鈦及鈦合金的質(zhì)量分數(shù)為97～99％。

所述鈦及鈦合金的粒徑范圍為15～53μm，所述硼化鑭的粒徑范圍為50nm～1μm。

一種如上述所述的原位自生鈦基復(fù)合材料的增材制造成形方法，所述增材制造成形方法具體包括兩個階段，第一階段為復(fù)合材料制備階段，第二階段為激光選區(qū)熔化成形階段，

(Ⅰ)復(fù)合材料制備階段

(1)稱取硼化鑭、鈦及鈦合金；

(2)將步驟(1)得到的原料放置在球磨機中球磨，得到增強相分布均勻的復(fù)合材料；

(II)激光選區(qū)熔化成形階段

(a)在計算機中應(yīng)用三維軟件構(gòu)建所需制備零件模型，并將該模型按照分層分析要求進行分層處理；