一种纳米陶瓷颗粒均布增强金属基复合材料的制备方法技术

本发明专利技术属于金属基复合材料技术领域，特别涉及一种纳米陶瓷颗粒均布增强金属基复合材料的制备方法，解决了现有的解决激光增材制造中纳米陶瓷颗粒团聚现象的方法，工艺复杂，工艺要求高，操作难度大的问题。该方法的特殊在于：步骤一：根据待成形构件建立CAD模型，将模型切片分层后导入激光增材制造系统；将金属基基材夹紧在工作台上；步骤二：将脉冲激光器发射激光束的轴线设为与金属基基材的待沉积表面垂直；设置保护气喷嘴的轴线与激光束的轴线的夹角；设置送粉熔覆头的轴线与激光束的轴线的夹角；步骤三：设置脉冲激光器参数；惰性保护气体输送系统开启；步骤四：脉冲激光器开启，发射脉冲激光；送粉器开启，输送混合粉末，激光增材制造。材制造。材制造。

【技术实现步骤摘要】
一种纳米陶瓷颗粒均布增强金属基复合材料的制备方法


[0001]本专利技术属于金属基复合材料
，特别涉及一种纳米陶瓷颗粒均布增强金属基复合材料的制备方法。

技术介绍

[0002]将纳米陶瓷颗粒添加到高温合金中所形成的纳米陶瓷颗粒增强金属基复合材料能够集金属和陶瓷材料诸多优异特性于一体，在不损害金属材料良好塑韧性的同时，兼具陶瓷材料的高硬度、高强度、良好的耐磨性和耐腐蚀性等性能，使陶瓷颗粒增强金属基复合材料具有高比强、比模量、耐高温、热膨胀系数小、抗磨损、抗腐蚀、尺寸稳定性好等性能优点，具有材料的可设计性，能够在提高强度和硬度等力学性能的同时，保持良好的韧性、抗蠕变性能和疲劳强度。陶瓷颗粒增强金属基复合材料在航空发动机以及燃气轮机中有着巨大的应用前景，近几年成为了国内外金属基复合材料的研究热点之一。
[0003]增材制造(AM)技术(也称3D打印技术)起源于20世纪80年代，是一种基于离散
‑
堆积原理，由三维CAD数据驱动直接制造实体零部件的高端数字化制造技术。相比传统减材制造(如机械加工、化学铣削等材料去除加工)和等材制造(如铸造、冲压等模具控形加工)，AM技术具有快速制造复杂结构产品、高效利用原材料、可高度优化产品结构和适应个性化小批量生产等优点，非常契合航天装备日益整体化、复杂化、轻量化、结构功能一体化制造需求，为传统航天制造业的转型升级提供了巨大契机。
[0004]近年来，以金属粉末为原材料、以激光为能量源的金属材料激光增材制造(LAM)技术已经成为AM领域技术研究及工程应用的热点方向之一。然而在陶瓷颗粒增强金属基复合材料的激光增材制造过程中，由于陶瓷颗粒直径达到了纳米尺度，其在激光熔池中极易发生团聚或沉降现象，这直接影响成形件力学性能的稳定发挥。因此，亟待解决纳米陶瓷颗粒团聚、沉降现象，为提升我国航空发动机制造水平提供技术支撑。
[0005]为了解决纳米颗粒团聚、沉降的问题，针对镍基复合材料，为了使得颗粒混合均匀，一般采用的方法是机械混合法，但这种方法消耗大量的时间，从而使得生产周期延长；针对铝基复合材料，申请公布号为“CN 114309587 A”，申请公布日为“2022.04.12”，专利技术名称为“跨尺度核壳结构铝基复材及制备方法”的中国专利申请中，采用高速球磨法将预分散的粉末镶嵌在微米硬质陶瓷颗粒表面，以形成壳层结构，然后将具有壳层结构的增强体粉体基元与铝合金基体粉末混合球磨均匀混合，以形成混杂增强复合合金粉，最后将混杂增强复合合金粉采用热压工艺处理获得跨尺度核壳结构铝基复材，解决了在制备过程中增强体团聚的问题，但是此方法的工艺相对复杂，对工艺要求较高且操作难度大；再比如申请公布号为“CN 114107778 A”，申请公布日为“2022.03.01”，专利技术名称为“一种铝合金纳米颗粒增强复合材料及其制备方法”的中国专利申请中，为了避免两种粉末颗粒在混合时产生增强颗粒的团聚现象，该专利申请中采用去离子水来避免该问题，但是此方法针对的是在混合陶瓷颗粒和金属颗粒粉末过程中出现的团聚现象，是在激光增材制造之前的粉末混合准备工作中，而针对激光增材制造过程中激光熔池内部发生的团聚、沉降现象并不能避免或
解决。
[0006]从上述不难看出，现有的解决激光增材制造过程中纳米陶瓷颗粒团聚现象的方法和技术还不够成熟和完善。因此迫切需要提出一种工艺过程简单、容易操作、可靠性高的解决办法。

技术实现思路

[0007]本专利技术的目的是提供一种纳米陶瓷颗粒均布增强金属基复合材料的制备方法，以解决现有的解决激光增材制造过程中纳米陶瓷颗粒团聚现象的方法，工艺相对复杂，对工艺要求较高，操作难度大的技术问题。
[0008]本专利技术所采用的技术方案是，一种纳米陶瓷颗粒均布增强金属基复合材料的制备方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：
[0009]步骤一：根据待成形构件形状在计算机上建立三维CAD模型，利用软件将建立的三维CAD模型切片分层后，导入基于激光熔覆技术并且激光器选用脉冲激光器的激光增材制造系统中；将金属基基材夹紧在所述激光增材制造系统的数控工作台上；
[0010]步骤二：将激光增材制造系统中的脉冲激光器发射的激光束的轴线设置为与步骤一中所述的金属基基材的待沉积表面垂直；设置激光增材制造系统中保护气喷嘴的轴线与所述激光束的轴线的夹角；设置激光增材制造系统中送粉器的送粉熔覆头的轴线与所述激光束的轴线的夹角；
[0011]步骤三：对步骤二中所述的脉冲激光器所要发射的脉冲激光的曝光时间、脉冲间隔时间以及z
‑
轴抬升量的参数进行设置；在设置所述参数的过程中，与步骤二中所述的保护气喷嘴连通的惰性保护气体输送系统开启，通入惰性保护气体；
[0012]步骤四：步骤三中设置好参数的脉冲激光器开启，发射脉冲激光束；然后步骤二中所述的送粉器开启，输送预制的纳米陶瓷颗粒和金属粉末的混合粉末，进行激光增材制造，直至将待成形构件制备完成，整个制备过程结束。
[0013]进一步地，步骤二中所述设置激光增材制造系统中保护气喷嘴的轴线与所述激光束的轴线的夹角时，该夹角的范围为5
°
～30
°
。
[0014]进一步地，步骤二中所述设置激光增材制造系统中送粉器的送粉熔覆头的轴线与所述激光束的轴线的夹角时，该夹角的范围为30
°
～45
°
。
[0015]进一步地，为了使脉冲激光器发射的脉冲激光，诱导震荡的效果刚好，既不会产生的冲击过大，又能满足搅拌的需求，步骤三中，所述的脉冲激光的曝光时间为50μs～500μs，所述的脉冲间隔时间为5μs～20μs；所述的z
‑
轴抬升量为0.1mm～0.5mm。这样，制备的复合材料成品力学性能也更加优良。
[0016]进一步地，为了使惰性保护气体防止氧化的能力更好，制备的复合材料成品性能更加优良，步骤三中所述的惰性保护气体为氦气、氩气、或氦气和氩气的混合气体，且该惰性保护气体的纯度大于等于99.99％，该惰性保护气体的杂质中氧的含量小于该惰性保护气体总量的0.0001％。
[0017]进一步地，为了使纳米陶瓷颗粒和金属粉末的混合粉末在熔池中分布的更加均匀，步骤四中送粉器输送所述混合粉末时，采用同轴送粉方式。
[0018]进一步地，步骤二中所述脉冲激光器为高频脉冲激光器。
[0019]进一步地，步骤四中所述的金属粉末的材料为高温合金、钛合金或者铝合金。
[0020]进一步地，所述的高温合金为镍基高温合金。
[0021]进一步地，为了制备的复合材料成品性能更优，本专利技术制备方法优选地还包括在输送预制的纳米陶瓷颗粒和金属粉末的混合粉末之前，对所述预制的纳米陶瓷颗粒和金属粉末的混合粉末进行干燥的步骤。
[0022]本专利技术的有益效果是：
[0023](1)本专利技术的纳米陶瓷颗粒均布增强金属基复合材料的制备采用激光增材制造系统，并且在激光增材制造过程中，激光器发射的激光为脉冲激光。陶瓷颗本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种纳米陶瓷颗粒均布增强金属基复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一：根据待成形构件形状在计算机上建立三维CAD模型，利用软件将建立的三维CAD模型切片分层后，导入基于激光熔覆技术并且激光器选用脉冲激光器的激光增材制造系统中；将金属基基材夹紧在所述激光增材制造系统的数控工作台上；步骤二：将激光增材制造系统中的脉冲激光器发射的激光束的轴线设置为与步骤一中所述的金属基基材的待沉积表面垂直；设置激光增材制造系统中保护气喷嘴的轴线与所述激光束的轴线的夹角；设置激光增材制造系统中送粉器的送粉熔覆头的轴线与所述激光束的轴线的夹角；步骤三：对步骤二中所述的脉冲激光器所要发射的脉冲激光的曝光时间、脉冲间隔时间以及z
‑
轴抬升量的参数进行设置；在设置所述参数的过程中，与步骤二中所述的保护气喷嘴连通的惰性保护气体输送系统开启，通入惰性保护气体；步骤四：步骤三中设置好参数的脉冲激光器开启，发射脉冲激光束；然后步骤二中所述的送粉器开启，输送预制的纳米陶瓷颗粒和金属粉末的混合粉末，进行激光增材制造，直至将待成形构件制备完成，整个制备过程结束。2.根据权利要求1所述的纳米陶瓷颗粒均布增强金属基复合材料的制备方法，其特征在于：步骤二中所述设置激光增材制造系统中保护气喷嘴的轴线与所述激光束的轴线的夹角时，该夹角的范围为5
°
～30
°
。3.根据权利要求2所述的纳米陶瓷颗粒均布增强金属基复合材料的制备方法，其特征在于：步骤二中所述设置激光增材制造系统中送粉器的送粉熔覆头的轴...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭鹏飞，王慧君，林鑫，耿建峰，兰红波，
申请(专利权)人：青岛理工大学，
类型：发明
国别省市：