一種TiC-Al-Gr復合材料構件的激光成形方法
【專利說明】 一種T i C-A1-Gr復合材料構件的激光成形方法
[0001]
技術領域
[0002]本發明屬于激光成形領域，涉及一種Tic-Al-Gr復合材料構件的激光成形方法。
【背景技術】
[0003]TiC具有極高的熔點、優秀的高溫強度、熱穩定性，密度低、彈性模量較高、硬度高和耐磨性好，廣泛應用于刀具、模具等硬質合金材料領域。
[0004]TiC顆粒增強A1基復合材料具有高比強度、高比模量、低密度、低熱膨脹系數和良好的耐磨性等優異性能，在航空航天、精密儀表、汽車發動機、體育器材、電子封裝等方面有重要的應用如景。石墨(Gr)在A1基復合材料中能提尚其耐磨性，同時進一步提尚材料的抗震吸能等性能。
[0005]MMC的制備技術依據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。原位自生技術借助合金設計，在基體金屬內原位反應成核，生成一種或幾種熱力學穩定的增強相，這種方法避免了外加增強體的分解、節約能源、資源并能夠減少排放，材料的增強體表面無污染，制品性能優良。但其工藝過程要求嚴格、較難掌握、且增強相的成分和體積分數不易控制。
[0006]激光成形工藝利用小體積累積成形的方法，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。因此本發明采用在線連續送粉激光原位復合成形的方法，制備TiC-Al復合材料部件，實現成形部件的增強相分布連續可控。

【發明內容】

[0007]本發明所要解決的技術問題是提供一種增強相分布可控的TiC-Al-Gr復合材料部件的激光成形方法。本發明從原位合成路線和激光成形工藝著手，提供一種新的TiC-Al-Gr復合材料結構件的激光成形方法，能夠使增強相在復合材料中均勻分布，實現性能優良的TiC-Al-Gr復合材料部件的激光成形。
本發明方法主要包括以下步驟:
(1)原料配方與預處理
原料配方為:石墨 5.67-6.35wt.%，Ti 40.54?44.43wt.%，混合稀土0.47-0.67wt.%，A1余量，原料采用粉體形式，金屬粉末和石墨粉尺寸60?200微米;將金屬Cr粉和稀土粉末球磨
0.5?6小時；
(2)送粉與混料
采用多料斗螺旋送粉混合系統進行送粉和及時混合，所述多料斗螺旋送粉混合系統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和稀土混合粉末放入第1個料斗中，石墨粉置于第2個料斗中，A1粉置于第3個料斗中；3個螺桿送粉器同時送粉，并通過調整螺桿轉速控制粉體的比例； (3)激光成形
激光成形的激光頭采用3管同軸不連續噴嘴，實現對激光熔池的環抱粉體噴射，使激光熔池各成分均勻分布;將設計部件的數字圖形利用分層軟件進行切片，并建立激光掃描路徑及其層間連接配合，設置每層厚度為0.05?0.4mm，然后在四軸數字加工機床上分層進行激光成形;控制送粉成分和激光掃描路線，使局部生成的增強相TiC比例呈梯度分布，即結構件外層為耐磨的TiC-Al-Gr復合材料，內部為金屬基體材料，并最終使用的原料符合步驟(1)的比例要求。
[0008]步驟(3)采用光纖/C02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。激光加工的環境為氬氣保護氣氛，壓強為1個大氣壓。
[0009]本發明所用的多料斗螺旋送粉混合系統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，如圖1所示。所述送粉器由料斗、螺桿和流化器組成，螺桿由直流步進電機推動。
[0010]TiC-Al-Gr復合材料的性能取決于TiC的含量、尺寸和均勻分布。本發明以三料斗螺旋送粉混料系統即時送粉，并利用同軸不連續激光頭成形出TiC-Al-Gr復合材料部件，實現了增強相的分布控制，消除復合材料中TiC不均勻分布的情況，實現TiC含量可調的TiC-Al-Gr復合材料結構件的激光成形。
[0011]本發明方法同時將部件表層和內層進行分別成形，控制送粉成分和激光掃描路線，實現內外分層結構的金屬基復合材料部件的激光制造，使部件內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60%以上。
【附圖說明】
[0012]圖1多料斗螺旋送粉混合系統結構示意圖。
【具體實施方式】
[0013]結合實施例對本發明做進一步描述。
[0014]實施例一
一種TiC-Al-Gr復合材料發動機缸套激光成形方法，包括以下流程:
(1)原料配方與預處理
原料配方為:石墨5.67wt.%，Ti 40.54wt.%，混合稀土0.58wt.%，A1粉末余量。原料采用粉體形式，金屬粉末和石墨粉顆粒尺寸60微米;將金屬Cr粉和稀土粉末球磨2小時。
[0015](2)送粉與混料
送粉工藝采用多料斗螺旋送粉混合系統完成，將Ti和稀土混合粉末放入第1個料斗中，石墨粉置于第2個料斗中，A1粉置于第3個料斗中；3個螺桿送粉器同時送粉，并通過螺桿轉速調整TiC在成形局部的含量。
[0016](3)激光成形
將多料斗中的粉體分別用3個管道氣載輸送至激光頭進行激光成形，激光成形的激光頭采用3管同軸不連續噴嘴，實現對激光熔池的環抱粉體噴射，使激光熔池各成分均勻分布。將設計部件的數字圖形數據利用分層軟件進行切片，并建立分層最佳激光掃描路徑及其層間連接配合，設置每層厚度為0.25_，然后在四軸數字加工機床上分層進行激光成形；控制送粉成分和激光掃描路線，進行復合部件內外分層結構的激光成形，即結構件外層為耐磨的TiC-Al-Gr復合材料，內部為金屬基體材料。激光加工使用光纖激光器，其輸出功率650W,光斑直徑0.4mm，搭接率50%，激光頭Ar氣流量6.8L/min，送粉器Ar氣流量5.5L/min，激光頭掃描速度38mm/s。激