CN105328190A - 一种TiC-FeCr-Gr复合材料构件的激光成形方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种TiC-FeCr-Gr金属复合材料结构件的激光成形方法,其所选用的原料粉体配方为:石墨0.91~3.61wt.%,Ti粉末4.32~9.81wt.%,Cr粉末13.47~23.21wt.%,稀土氧化物0.13~0.33wt.%,Fe粉末余量。激光成形的粉体定量配送与混合采用多料斗螺旋送粉混合***完成,激光成形的喷嘴采用同轴不连续喷粉头,利用***对送粉和激光的控制,实现复合部件的内外部分层结构的成形,复合材料的力学性能可达到基体金属材料的60%以上。
Description
技术领域
本发明属于激光成形领域,涉及一种TiC-FeCr-Gr复合材料构件的激光成形方法。
背景技术
TiC具有极高的熔点、优秀的高温强度、热稳定性,密度低、弹性模量较高、硬度高和耐磨性好。镍基高温合金及其复合材料由于具有良好的抗高温蠕变、耐蚀性、高屈服强度和断裂韧性,用于航空航天、石油、化工、冶金、电力等领域。
MMC的制备技术依据增强颗粒的加入方式的不同,可分为原位自生和强制加入两种。原位自生技术借助合金设计,在基体金属内原位反应成核,生成一种或几种热力学稳定的增强相,这种方法避免了外加增强体的分解、节约能源、资源并能够减少排放,材料的增强体表面无污染,制品性能优良。但其工艺过程要求严格、较难掌握、且增强相的成分和体积分数不易控制。
激光成形工艺利用小体积累积成形的方法,可以在宏观控制增强相的均匀分布,为送粉激光原位成形颗粒增强MMC提供可能。金属粉与石墨(Gr)的堆积密度相差较大,在激光成形过程中,容易因为粉体密度相差较大而造成分层,在成形部件中造成增强相的分布不均,而且会改变增强相的设计成分,大幅降低石墨TiC-FeCr-Gr复合材料部件的性能。因此本发明采用在线连续送粉激光原位复合成形的方法,制备增强相分布连续可控的TiC-FeCr-Gr复合材料部件。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种增强相分布可控的TiC-FeCr-Gr复合材料结构件的激光成形方法。本发明从原位合成路线和激光成形工艺着手,使增强相在复合材料中分布均匀可控,实现性能优良的TiC-FeCr-Gr复合材料部件的激光成形。
本发明方法主要包括以下步骤:
(1)原料配方与预处理
原料配方为:石墨0.91~3.61wt.%,Ti粉末4.32~9.81wt.%,Cr粉末13.47~23.21wt.%,稀土氧化物0.13~0.33wt.%,Fe粉末余量;原料采用粉体形式,金属粉末和石墨粉颗粒尺寸60~200微米;将金属Ti粉、稀土氧化物粉末一起球磨0.5~6小时;将Fe粉、Cr粉末一起球磨0.5~6小时;
(2)送粉与混料
采用多料斗螺旋送粉混合***送粉和及时混合,所述多料斗螺旋送粉混合***由三个送粉器分别通过送粉管与一个共同的激光头连接组成,将Ti粉、稀土氧化物粉末放入第1个料斗中,石墨粉置于第2个料斗中,Fe、Cr混合粉末置于第3个料斗中;3个送粉器同时送粉,并通过调整螺杆转速控制粉体的比例;
(3)激光成形
激光成形的激光头采用3管同轴不连续喷嘴,实现对激光熔池的环抱粉体喷射,使激光熔池各成分均匀分布;将设计部件的数字图形数据利用分层软件进行切片,并建立分层激光扫描路径及其层间连接配合,设置每层厚度为0.04~0.6mm,然后在四轴数字加工机床上分层进行激光成形;控制送粉成分和激光扫描路线,使得局部生成的增强相TiC比例成梯度连续变化,即构件内部为金属基体材料,外层为TiC-FeCr-Gr复合材料,并最终使用的原料符合步骤(1)的要求。
步骤(3)中,激光加工采用光纤/半导体/CO2激光器,输出功率100~3000W,光斑直径0.2~4mm,搭接率10~80%,激光头Ar气流量0.5~13L/min,送粉器Ar气流量0.5~12L/min,激光头扫描速度3~125mm/s。
本发明所用的多料斗螺旋送粉混合***由三个送粉器分别通过送粉管与一个共同的激光头连接组成,粉体即时送至激光头进行激光成形。如图1所示。所述送粉器由料斗、螺杆和流化器组成,所述螺杆由直流步进电机推动。
本发明以多料斗螺旋送粉混料***即时送粉,并利用同轴不连续激光头成形,实现了增强相的分布控制,消除增强相分布不匀的情况,实现TiC含量可调的TiC-FeCr-Gr复合材料结构件的激光成形。
本发明方法将部件表层和内层进行分别成形,控制送粉成分和激光扫描路线,实现内外分层结构的TiC-FeCr-Gr合材料部件的激光制造,使部件内部具有金属材料的韧性,表层具有耐磨的功能,且部件整体断裂韧度为同类金属部件的60%以上。
附图说明
图1多料斗螺旋送粉混合***结构示意图。
具体实施方式
结合实施例对本发明做进一步描述。
实施例一
一种TiC-FeCr-Gr复合材料退火炉辊激光成形方法,包括以下流程:
(1)原料配方与预处理
原料配方为:石墨0.91wt.%,Ti5.88wt.%,Cr23.21wt.%,稀土氧化物0.33wt.%,Fe余量;原料采用粉体形式,金属粉末和石墨粉颗粒尺寸60微米;将金属Ti粉、混合稀土粉末一起球磨2小时;将Fe粉、Cr粉末一起球磨1.5小时。
(2)送粉与混料
送粉工艺采用多料斗螺旋送粉混合***完成,将Ti粉、混合稀土粉末放入第1个料斗中,石墨粉置于第2个料斗中,Fe、Cr混合粉末置于第3个料斗中;3个送粉器同时送粉,并通过螺杆转速调整TiC在成形局部的含量。
(3)激光成形
激光成形的激光头采用3管同轴不连续喷嘴,实现对激光熔池的环抱粉体喷射,使激光熔池各成分均匀分布。激光加工时设置每层厚度为1.76mm,然后在四轴数字加工机床上分层进行激光成形;控制送粉成分和激光扫描路线,进行复合部件内外分层的激光成形,即结构件内部为金属基体材料,外层为石墨弥散分布的TiC-FeCr-Gr复合材料。激光加工使用的半导体直接输出激光器,输出功率700W,光斑直径2.4mm,搭接率40%,激光头Ar气流量5L/min,送粉器Ar气流量7.9L/min,激光头扫描速度16mm/s。
成形部件内部具有金属材料的韧性,表层具有耐磨的功能,且部件整体断裂韧度为同类金属部件的60%以上。
实施例二
一种TiC-FeCr-Gr复合材料热成型模具激光成形方法,包括以下流程:
(1)原料配方与预处理
原料配方为:石墨1.26wt.%,Ti9.81wt.%,Cr19.23wt.%,混合稀土0.13wt.%,Fe余量;原料采用粉体形式,金属粉末和石墨粉颗粒尺寸60微米;将金属Ti粉、混合稀土粉末一起球磨3小时;将Fe粉、Cr粉末一起球磨1小时。
(2)送粉与混料
送粉工艺采用多料斗螺旋送粉混合***完成,将Ti粉、混合稀土粉末放入第1个料斗中,石墨粉置于第2个料斗中,Fe、Cr混合粉末置于第3个料斗中;3个螺杆送粉器同时送粉,并通过螺杆转速调整TiC在成形局部的含量。
(3)激光成形
激光成形的激光头采用3管同轴不连续喷嘴,实现对激光熔池的环抱粉体喷射,使激光熔池各成分均匀分布。激光加工时设置每层厚度为0.32mm,然后在四轴数字加工机床上分层进行激光成形;控制送粉成分和激光扫描路线,进行复合部件内外分层的激光成形,即结构件内部为金属基体材料,外层为石墨弥散分布的TiC-FeCr-Gr复合材料。激光加工使用的光纤激光器,输出功率220W,光斑直径0.4mm,搭接率40%,激光头Ar气流量3L/min,送粉器Ar气流量3L/min,激光头扫描速度18mm/s。
成形部件内部具有金属材料的韧性,表层具有耐磨的功能,且部件整体断裂韧度为同类金属部件的60%以上。
实施例三
一种TiC-FeCr-Gr复合材料热轧输送辊激光成形方法,包括以下流程:
(1)原料配方与预处理
原料配方为:石墨3.61wt.%,Ti粉末4.32wt.%,Cr粉末13.47wt.%,混合稀土0.15wt.%,Fe粉末78.45wt.%;原料采用粉体形式,金属粉末和石墨粉颗粒尺寸200微米;将金属Ti粉、混合稀土粉末一起球磨3小时;将Fe粉、Cr粉末一起球磨1小时。
(2)送粉与混料
送粉工艺采用多料斗螺旋送粉混合***完成,将Ti粉、混合稀土粉末放入第1个料斗中,石墨粉置于第2个料斗中,Fe、Cr混合粉末置于第3个料斗中;3个螺杆送粉器同时送粉,并通过螺杆转速调整TiC在混料器中粉体的当量。
(3)激光成形
激光成形的激光头采用3管同轴不连续喷嘴,实现对激光熔池的环抱粉体喷射,使激光熔池各成分均匀分布。激光加工时设置每层厚度为0.31mm,然后在四轴数字加工机床上分层进行激光成形;控制送粉成分和激光扫描路线,进行复合部件内外分层的激光成形,即结构件内部为金属基体材料,外层为石墨弥散分布的TiC-FeCr-Gr复合材料。激光加工使用的光纤激光器,输出功率220W,光斑直径0.4mm,搭接率40%,激光头Ar气流量3L/min,送粉器Ar气流量3L/min,激光头扫描速度18mm/s。
成形部件内部具有金属材料的韧性,表层具有耐磨的功能,且部件整体断裂韧度为同类金属部件的60%以上。
Claims (3)
1.一种TiC-FeCr-Gr复合材料构件的激光成形方法,其特征在于包括以下步骤:
(1)原料配方与预处理
原料配方为:石墨0.91~3.61wt.%,Ti粉末4.32~9.81wt.%,Cr粉末13.47~23.21wt.%,稀土氧化物0.13~0.33wt.%,Fe粉末余量;原料采用粉体形式,金属粉末和石墨粉颗粒尺寸60~200微米;将金属Ti粉、稀土氧化物粉末一起球磨0.5~6小时;将Fe粉、Cr粉末一起球磨0.5~6小时;
(2)送粉与混料
采用多料斗螺旋送粉混合***送粉和及时混合,所述多料斗螺旋送粉混合***由三个送粉器分别通过送粉管与一个共同的激光头连接组成,将Ti粉、稀土氧化物粉末放入第1个料斗中,石墨粉置于第2个料斗中,Fe、Cr混合粉末置于第3个料斗中;3个送粉器同时送粉,并通过调整螺杆转速控制粉体的比例;
(3)激光成形
激光成形的激光头采用3管同轴不连续喷嘴,实现对激光熔池的环抱粉体喷射,使激光熔池各成分均匀分布;将设计部件的数字图形数据利用分层软件进行切片,并建立分层激光扫描路径及其层间连接配合,设置每层厚度为0.04~0.6mm,然后在四轴数字加工机床上分层进行激光成形;控制送粉成分和激光扫描路线,使得局部生成的增强相TiC比例成梯度连续变化,即构件内部为金属基体材料,外层为TiC-FeCr-Gr复合材料,并最终使用的原料符合步骤(1)的要求。
2.根据权利要求1所述的激光成形方法,其特征在于,步骤(3)中,采用光纤/半导体/CO2激光器,输出功率100~3000W,光斑直径0.2~4mm,搭接率10~80%,激光头Ar气流量0.5~13L/min,送粉器Ar气流量0.5~12L/min,激光头扫描速度3~125mm/s。
3.根据专利要求1所述的激光成形方法,其特征在于,所述送粉器由料斗、螺杆和流化器组成,所述螺杆由直流步进电机推动。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
C06 | Publication | ||
PB01 | Publication | ||
C10 | Entry into substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20160217 |
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RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |