CN104831276B - 一种通过激光重熔制备非晶化梯度复合材料的方法 - Google Patents

Abstract

发明公开了一种用化学方法制备非晶化激光重熔梯度复合材料的方法。步骤如下：将一定质量比例Ti‑Al粉末激光熔化沉积于钛合金基材，用激光器和同轴送粉器对钛合金试样表面进行激光熔化沉积工艺处理。激光同轴送粉时激光束、粉末输送同步进行，可有效提高沉积层的质量与粉末利用率。工艺参数：激光功率0.20～3.2 kW，光斑直径0.5～8 mm，扫描速度2～18 mm/s，送粉率8～38 g/min，采用氩气充满激光处理所用箱体作为保护气，多道搭接率35%。激光重熔也在氩气保护箱中进行，重熔时工艺参数与之前相同，但熔覆材料为Ti‑Al‑Sb‑Y₂O₃。本发明能够获得表层呈非晶态且具有极高硬度的梯度复合材料。

Description

一种通过激光重熔制备非晶化梯度复合材料的方法

技术领域

本发明涉及一种实现钛合金激光重熔梯度复合材料非晶化的方法，属于材料表面强化的技术领域。特别涉及一种利用Sb-Y₂O₃在氩气环境下使激光重熔梯度复合材料表层非晶化的方法。

背景技术

激光重熔技术是将激光技术与热处理相结合的激光表面改性技术，可针对航空材料不同服役条件，利用高能密度激光束加热冷却速度快等特点，在结构件表面制备非晶-纳米晶增强金属陶瓷复合涂层，从而达到航空材料表面改性的目的。激光重熔梯度复合涂层是提高钛合金表面耐磨和抗高温氧化等性能的有效途径，可使激光重熔梯度层与钛合金基体产生冶金结合。该技术代表着增材制造领域中先进的生产模式及未来发展趋势，可大幅减少制造工序、缩短生产周期、降低成本及节约能源。非晶态合金兼具有独特的物理化学与力学性能，如极高的强度、韧性、抗磨损及耐蚀性。激光熔化沉积重熔梯度复合层的非晶化过程，是利用Sb在激光熔池中原位生成诸如TiSb₂及TiSb等纳米颗粒来极大抑制其它晶化相长大，也是大量纳米晶生成的过程，该类纳米晶在高温熔池中具有极高的扩散率，易引发晶格畸变，使复合材料发生非晶化转变。适量Y₂O₃稀土氧化物的添加可提升液态金属流动性，减小凝固过程中成分过冷，降低成分偏析并减弱枝晶生长方向性，使组织均匀细化并利于非晶相产生。

基于上述科学原理，并依据激光辐射所形成高温熔池快速冷凝特性，结合激光梯度、

复合材料的功能梯度特性，本发明提出了一种能够降低生产成本、通过激光重熔制备非晶化梯度复合材料的方法。

激光所产生熔池具有急冷特性，利于非晶相产生。采用氩气充满激光熔化沉积所用箱体作为保护气，将一定质量比例的Ti-Al混合粉末采用同轴送粉工艺激光熔化沉积于钛合金基材之上。激光重熔也在氩气保护箱中进行，重熔时工艺参数与之前相同，但激光重熔材料为Ti-Al-Sb-Y₂O₃混合粉末。本发明能够获表层呈非晶态且具有极强耐磨性的梯度复合材料。

扫描电镜照片表明，激光重熔后沉积层出现了明显的分层现象，下层为Ti-Al沉积层，上层则有大量非晶块产生（见图1a, b）。对沉积层上层所选区域做进一步TEM分析，存在一个漫散衍射晕环，确定大量非晶相存在于此区域（见图1c, d）。

图2显示了Ti-Al基梯度复合材料的显微硬度值分布，表明上层的显微硬度范围1350～1550 HV_0.2，较TC17基材（约380 HV_0.2）提高了约4倍，这主要归因于Sb-Y₂O₃的加入促使上层产生大量非晶相，提升了其显微硬度。下层的显微硬度范围950～1150 HV_0.2，其硬度提高主要归因于较细的组织结构及Ti-Al金属间化合物的作用。然而，由于激光熔化沉积过程中基材对熔池强烈的稀释作用，沉积层的整体显微硬度分布沿层深呈明显下降趋势。

综合分析可知，Sb-Y₂O₃添加目的是为通过化学反应使钛合金激光熔化沉积层呈非晶化结构，从而达到改善沉积层性能的目的。

发明内容

本发明通过在Ti-Al激光熔化沉积层上激光重熔Ti-Al-Sb-Y₂O₃混合粉末，达到改善沉积层性能的目的。该项技术可应用于金属零部件性能改进及制造等诸多方面。

具体步骤：

(1)将一定质量比例Ti-Al粉末熔覆前用烘干机烘干并通过机械混粉器充分混合；

(2)用激光器和同轴送粉器对钛合金试样表面进行激光熔化沉积工艺处理，本试验工艺参数：激光功率0.20～3.2 kW，光斑直径0.5～8 mm，扫描速度2～18 mm/s，送粉率8～38 g/min，多道搭接率为35%，经过特制的喷嘴直接将之前混合的Ti-Al混合粉末吹向试样的待处理表面，多道搭接率35%。进行激光同轴送粉时激光束、粉末输送同步进行，可有效提高沉积层的质量与粉末利用率；

(3)将一定质量比例Ti-Al-Sb-Y₂O₃混合粉末熔覆前用烘干机烘干并通过机械混粉器充分混合；

(4)用激光器和同轴送粉器对经过之前一次激光沉积处理的试样表面进行激光重熔工艺处理，本次重熔工艺参数与之前相同，也在氩气保护箱中进行。

在混合粉末涂覆之前需清理钛合金表面，并拭净、吹干。

步骤（1）所述的混合粉末中，各成分及其质量分数：Al 1%～45%，余量Ti。

步骤（2、4）所述的钛合金可为TA15\TC17\TC4等牌号钛合金。

步骤（3）所述的混合粉末中，成分及其质量分数：Al 1%～45%，Sb 1%～10%， Y₂O₃0.3%～3%，余量Ti。

本发明能够获得显微硬度显著提升且表面形貌较好的钛合金非晶化梯度复合材料。本发明有工艺简单方便、适用性强、便于推广应用等优点。

附图说明

图1 是Ti-Al基激光重熔层的SEM与TEM像，(a) Ti-Al基激光重熔层的组织形貌；(b) 重熔层上层非晶区形貌；(c) 重熔层上层选区TEM像； (d) 对应的选区电子衍射图。

图2是 Ti-Al基梯度复合材料的显微硬度分布。

具体实施方式

实施例1：

将TC17合金切成长度10 mm、宽度10 mm、厚度10 mm的正方体。在混合粉末涂覆之前，清理钛合金表面，并拭净、吹干。将质量分数40%Al和60%Ti的混合粉末激光熔化沉积于其10 mm×35 mm面上；而后将质量分数40%Al-54%Ti-5%Sb-1%Y₂O₃的混合粉末激光重熔于Ti-Al激光熔化沉积层之上。

具体工艺步骤：

(1) 在激光熔覆之前，用120号砂纸打磨TC17钛合金待激光处理表面，使其表面粗糙度达Ra 2.5 μm；然后用体积百分比25%硫酸水溶液对试样待激光处理表面进行清洗，酸洗时间5～10 min；酸洗后用清水冲洗、用酒精将待熔工件表面擦拭干净、吹干；

(2)将1g质量分数比例40%Al-60%Ti的混合粉末激光熔化沉积前用烘干机把粉末烘干并通过机械混粉器充分混合；

(3)用激光器和同轴送粉器对钛合金试样表面进行激光熔化沉积工艺处理，本试验工艺参数：激光功率0.90 kW，光斑直径4 mm，扫描速度2～11 mm/s，送粉率15 g/min；

(4)将1g比例质量分数40%Al-54%Ti-5%Sb-1%Y₂O₃的混合粉末熔化沉积前用烘干机烘干并通过机械混粉器充分混合；

(5)用激光器和同轴送粉器对经过一次激光沉积处理的试样表面进行激光重熔工艺处理，本重熔工艺参数与之前相同。

(6) 具体步骤：激光重熔也在氩气保护箱中进行，经过特制的喷嘴直接将之前的混合粉末吹向试样的待激光处理表面，多道搭接率35%。进行激光同轴送粉时激光束、粉末输送同步进行，可有效提高沉积层质量与粉末利用率。

Claims (2)

1.一种通过激光重熔制备非晶化梯度复合材料的方法，其特征是：

（1）将Ti-Al混合粉末熔覆前用烘干机把粉末烘干并通过机械混粉器充分混合，经同轴送粉器直接将Ti-Al混合粉末吹向TA15或TC17或TC4牌号钛合金试样的待处理表面进行激光熔化沉积处理，形成Ti-Al沉积层，工艺参数：激光功率0.20～3.2 kW，光斑直径0.5～8mm，扫描速度2～18 mm/s，送粉率8～38 g/min，多道搭接率35%，采用氩气充满激光处理所用箱体作为保护气；

（2）将Al-Ti-Sb-Y₂O₃混合粉末熔化沉积前用烘干机把粉末烘干并通过机械混粉器充分混合，经同轴送粉器直接将Al-Ti-Sb-Y₂O₃混合粉末吹向试样的Ti-Al沉积层表面进行激光熔化沉积处理，工艺参数：激光功率0.20～3.2 kW，光斑直径0.5～8 mm，扫描速度2～18mm/s，送粉率8～38 g/min，多道搭接率35%，整个过程也在氩气保护箱中进行；本步骤中各成分及其质量分数：Al 1%～45%，Sb 1%～10%，Y₂O₃ 0.3%～3%，余量Ti。

2.根据权利要求1所述的一种通过激光重熔制备非晶化梯度复合材料的方法，其特征是，步骤（1）各成分及质量分数：Al 1%～45%，余量Ti。