一種TiC-Mg復(fù)合材料構(gòu)件的激光成形方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]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)】
[0002]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。
[0003]TiC具有極高的熔點、優(yōu)秀的高溫強度、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。Tie顆粒增強Mg基復(fù)合材料能夠顯著改善Mg合金強度不足、耐磨性差、易高溫蠕變和彈性模量不足等缺點。
[0004]MMC的制備技術(shù)依據(jù)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(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)定的增強相。原位合成技術(shù)不僅改善了增強體與基體的相容性、界面結(jié)合強度，實現(xiàn)了增強體形貌和尺寸的有效控制，而且簡化了制備工藝。
[0005]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(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，成形部件的增強相分布連續(xù)可控。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種增強相分布可控的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.%，Ti 16.59-23.80 wt.%，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)控機床上進(jìn)行激光成形，使局部生成的增強相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。
[0007]步驟(3)中，采用光纖/半導(dǎo)體/0)2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，壓強為1個大氣壓。
[0008]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)電機推動。
[0009]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。
[0010]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】
[0011]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】
[0012]結(jié)合實施例對本發(fā)明做進(jìn)一步描述。
[0013]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:
(1)原料配方與預(yù)處理
原料配方為:石墨7.28wt.%，Ti 23.80 wt.%，混合稀土 0.59wt.%，AZ91合金余量。原料采用粉體形式，粉末顆粒尺寸50微米；將Ti粉和稀土粉末球磨1.5小時。
[0014](2)送粉與混料
送粉工藝采用多料斗螺旋送粉混合系統(tǒng)完成，將Ti和稀土的混合粉末放入第一個料斗中，石墨粉置于第二個料斗中，AZ91粉置于第三個料斗；3個螺桿送粉器同時送粉，并通過螺桿轉(zhuǎn)速調(diào)整TiC在成形局部的含量。
[0015](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；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)控機床上進(jìn)行激光成形。激光加工使用C02激光器的輸出功率450W，光斑直徑0.65mm，搭接率45%，激光頭Ar氣流量5.6L/min，送粉器Ar氣流量3.7L/min，激光頭掃描速度45mm/s。激光加工的環(huán)境為氬氣保護(hù)氣氛，壓強為1個大氣壓。 成形部件內(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。
[0016]實施例二
一種TiC-Mg復(fù)合材料結(jié)晶器激光成形方法，包括以下流程:
(1)原料配方與預(yù)處理
原料配方為:石墨6.83wt.%，Ti 16.59 wt.%，混合稀土 0.45wt.%，AZ91合金余量。原料采用粉體形式，顆粒尺寸50微米；將Ti粉和稀土粉末球磨3小時。
[0017](2)送粉與混料
送粉工藝采用多料斗螺旋送粉混合系統(tǒng)完成，將Ti和稀土的混合粉末放入第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個螺桿送粉器同時送粉，并通過螺桿轉(zhuǎn)速調(diào)整TiC在成形局部的含量。
[0018](3)激光成形
粉體經(jīng)3個送粉器輸出后用3根管道輸送至激光頭進(jìn)行激光成形，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；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)控機床上進(jìn)行激光成形。激光加工使用0)2激光器的輸出功率550W，光斑直徑0.55mm，搭接率35%，激光頭Ar氣流量4L/min，送粉器Ar氣流量5.0L/min,激光頭掃描速度35mm/s。激光加工的環(huán)境為氬氣保護(hù)氣氛，壓強為1個大氣壓。
[0019]成形部件內(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。
[0020]實施例三
一種TiC-Mg復(fù)合材料受電靴滑板激光成形方法，包括以下流程:
(1)原料配方與預(yù)處理
原料配方為:石墨8.28wt.%，Ti 23.65 wt.%，混合稀土 0.53wt.%，AZ91合金余量。原料采用粉體形式，顆粒尺寸200微米；將Ti粉和稀土粉末球磨2小時。
[0021](2)送粉與混料
送粉工藝采用多料斗螺旋送粉混合系統(tǒng)完成，將Ti和稀土的混合粉末放入第一個料斗中，石墨粉置于第二個料斗中，AZ91粉置于第三個料斗；3個螺桿送粉器同時送粉，并通過螺桿轉(zhuǎn)速調(diào)整TiC在混料器中粉體的當(dāng)量。
[0022](3)激光成形
粉體經(jīng)3個送粉器輸出后用3根管道輸送至激光頭進(jìn)行激光成形，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；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)控機床上進(jìn)行激光成形。激光加工使用0)2激光器的輸出功率400W，光斑直徑0.55mm，搭接率50%，激光頭Ar氣流量6.0L/min，送粉器Ar氣流量7.0L/min，激光頭掃描速度65mm/s。激光加工的環(huán)境為氬氣保護(hù)氣氛，壓強為1個大氣壓。
[0023]成形部件內(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。
【主權(quán)項】
1.一種TiC-Mg復(fù)合材料構(gòu)件的激光成形方法，其特征在于包括如下步驟: (1)原料配方與預(yù)處理 原料配方為:石墨 6.83-8.28wt.%，Ti 16.59-23.80 wt.%，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)控機床上進(jìn)行激光成形，使局部生成的增強相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。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光成形方法，其特征在于，步驟(3)中采用光纖/半導(dǎo)體/0)2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3~145mm/s。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光成形方法，其特征在于，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)電機推動。
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種TiC-Mg金屬復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件的激光成形方法，其所選用的原料粉體配方為：石墨？6.83~8.28wt.%，Ti？16.59~23.80？wt.%，稀土氧化物0.45~0.59wt.%，AZ91合金余量。激光成形的粉體定量配送與混合采用多料斗螺旋送粉混合系統(tǒng)完成，即時送至激光頭進(jìn)行激光成形。利用系統(tǒng)對送粉和激光的控制，實現(xiàn)復(fù)合部件的成形，復(fù)合材料的斷裂韌度可達(dá)到基體金屬材料的86%以上。
【IPC分類】C22C23/00, B22F3/105
【公開號】CN105328189
【申請?zhí)枴緾N201510895770
【發(fā)明人】婁德元, 楊奇彪, 郭釗, 朱思雄, 陳列, P·貝內(nèi)特, 劉頓
【申請人】湖北工業(yè)大學(xué)
【公開日】2016年2月17日
【申請日】2015年12月8日