一种高强铁基复合材料的激光3D打印方法及其产品技术

本发明专利技术公开一种高强铁基复合材料的激光3D打印方法及其产品，属于高强铁基复合材料领域，以高强铁基非晶和高韧性高熵合金两个体系的混合金属粉末作为原料，采用搭配高能量密度连续激光和高频脉冲激光两种热源的激光选区熔化3D打印方式进行复合材料的制备。激光3D打印过程先用连续激光进行金属粉末的熔化，再用高频脉冲激光进行同步逐层重熔，两次激光处理后的超高冷速能够抑制元素偏析，减少元素扩散，在抑制微裂纹的同时保留非晶合金的超高强度，使复合材料的强度能够超过2GPa。脉冲激光的重熔不仅能够消除首次凝固后的孔洞等缺陷，还能够提高成形件的致密度和表面质量，减少后续零件处理工序，解决超高强度零件难加工的问题。题。题。

【技术实现步骤摘要】
一种高强铁基复合材料的激光3D打印方法及其产品


[0001]本专利技术属于高强铁基复合材料领域，更具体地，涉及一种高强铁基复合材料的激光3D打印方法及其产品。

技术介绍

[0002]谐波减速机因其传动速比大、传动精度高、传动效率高、承载能力高、安装方便等优点，广泛地应用于航空航天、仿生机械、国防军事等领域，特别是在对动态性能要求较高的系统中能发挥更大的作用。
[0003]柔性齿轮作为减速机服役性能最重要的构件之一，其性能和寿命决定着谐波减速机的性能和使用周期。目前，柔性齿轮最常用的材料为40CrMoNiA、30CrMnSiA等高性能合金钢，屈服强度为800
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1000MPa，最高强度为1000
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1200MPa。由于齿轮传动的特点，减速器运行过程中会在柔性齿轮啮合处产生应力集中，传统合金钢齿轮在连续工作500
‑
600h后会导致定位精度下降，甚至出现局部开裂的问题。
[0004]随着智能制造和航天技术的发展，需要谐波减速机具有更高效率、更高精度、更高稳定性和更长寿命，这给谐波减速器材料，特别是柔性齿轮，提出了更高的要求，而目前广泛用于制造柔性齿轮的材料存在强度偏低、寿命短，柔性齿轮的制造工艺复杂、难以制造复杂形状等缺点。

技术实现思路

[0005]针对现有技术的缺陷，本专利技术的目的在于提供一种高强铁基复合材料的激光3D打印方法及其产品，用于解决柔性齿轮的材料存在强度偏低、寿命短、柔性齿轮的制造工艺复杂、难以制造复杂形状的问题。r/>[0006]为实现上述目的，本专利技术提供了一种高强激光3D打印铁基复合材料制备方法及产品，首先，将铁基非晶合金粉末和高熵合金粉末按照设定的比例混合，获得复合粉末，两种金属粉末的粒径均在15μm～53μm，呈正态分布，铁基非晶合金粉末包括的成分为Fe、Ni、P和C，高熵合金粉末包括的成分为Fe、Ni、Co、Ti和Al，
[0007]接着，在保护气氛下，采用连续的高能量密度激光熔化复合粉末，获得铁基复合材料中间体，
[0008]然后，在保护气氛下，采用高频脉冲激光重熔铁基复合材料中间体，实行同步逐层重熔，用于降低孔洞缺陷、提高致密度，还用于进一步消除内应力，最终能提高工件制造质量。
[0009]以上方式中，先用高能量密度的激光进行复合粉末的熔化，再用高频脉冲激光进行同步逐层重熔，利用激光选区熔化快速冷却的优点，能够抑制材料中元素偏析，减少元素扩散。同时辅以高频脉冲激光进行逐层重熔，在不降低材料强度的同时消除激光3D打印过程中的孔洞等缺陷，提高复合材料的致密度和表面质量。激光3D打印包括激光选区熔化和激光近净成形，这两种激光3D打印主要是送粉方式不同。激光选区熔化是在基板上铺好粉
了，再用激光熔化，激光近净成形是粉管直接送到激光的路径上，激光选区熔化控制精度更高，冷却速度快。
[0010]进一步的，连续的高能量密度激光的波长可用范围为750
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1400nm，功率可调范围为10
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500W，扫描速率可调范围为10
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7000mm/s。实行3D打印时，保护气氛为氩气，激光功率为180
‑
320W，扫描速率为200
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1600mm/s，相邻道次之间的扫描间距为60
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100μm，每层铺粉厚度为20
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60μm。
[0011]进一步的，高频脉冲激光波长为1000
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1070nm，输出功率为20
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50W，脉冲频率为100
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500kHz。
[0012]进一步的，将铁基非晶合金粉末和高熵合金粉末按照质量比为1:1的比例混合，采用行星式球磨机进行混合，行星式球磨机运行设定时间后停止运行，停止设定时长后，再接着运行，如此反复，直到混合2～5小时。
[0013]进一步的，铁基非晶合金粉末中，Fe的摩尔量为整个铁基非晶合金粉末物质摩尔量的50～70％，Ni的摩尔量为整个铁基非晶合金粉末物质摩尔量的10～30％，P的摩尔量为整个铁基非晶合金粉末物质摩尔量的9～18％，C的摩尔量为整个铁基非晶合金粉末物质摩尔量的2～8％。
[0014]进一步的，高熵合金粉末中，Fe的摩尔量为整个高熵合金粉末物质摩尔量的6～42％，Ni的摩尔量为整个高熵合金粉末物质摩尔量的18～48％，Co的摩尔量为整个高熵合金粉末物质摩尔量的21～32％，Ti的摩尔量为整个高熵合金粉末物质摩尔量的0.1～12％，Al的摩尔量为整个高熵合金粉末物质摩尔量的2～9％。
[0015]进一步的，采用行星式球磨机进行混合是在氩气保护气氛下进行的。
[0016]按照本专利技术的第二个方面，还提供如上所述的方法制备获得的铁基复合材料，其屈服强度大于1300MPa，断裂强度大于2200MPa。
[0017]以上方法中，为了降低由于极大热应力而导致的样品变形，3D打印样品下层1
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2mm的扫描策略采用由下而上尺寸逐层减小的四棱锥体。
[0018]总体而言，通过本专利技术所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：
[0020]本专利技术申请提供一种高强激光3D打印铁基复合材料制备方法及产品，以高强铁基非晶和高韧性高熵合金两个体系的混合金属粉末作为原料，采用搭配高能量密度连续激光和高频脉冲激光两种热源的激光选区熔化3D打印方式进行复合材料的制备。这两种体系的结合能够综合非晶合金超高强度和高熵合金良好韧性的优点，同时高熵合金能够抑制非晶合金在激光3D打印过程容易产生微裂纹的特点。激光3D打印过程先用连续激光进行金属粉末的熔化，再用高频脉冲激光进行同步逐层重熔，两次激光处理后的超高冷速能够抑制元素偏析，减少元素扩散，在抑制微裂纹的同时保留非晶合金的超高强度，使复合材料的强度能够超过2GPa。脉冲激光的重熔不仅能够消除首次凝固后的孔洞等缺陷，还能够提高成形件的致密度和表面质量，减少后续零件处理工序，解决超高强度零件难加工的问题。
附图说明
[0021]图1为本专利技术实施例中激光3D打印样品底层的四棱锥形扫描策略设计的示意图；
[0022]图2为本专利技术实施例的XRD物相图；
[0023]图3为本专利技术实施例1的压缩应力应变曲线图；
[0024]图4为本专利技术实施例2的XRD物相图；
[0025]图5为本专利技术实施例2的压缩应力应变曲线图。
具体实施方式
[0026]为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。
[0027]本专利技术的目的在于提供一种高强度激光3D打印铁基复合材料的制备方法以及产品，其主要包括如下步骤：
[0028]首先，将铁基非晶合金粉末和高熵合金粉末按照设定的比例混合，获得复合粉末，两种金属粉末的粒径均在15μm～本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高强铁基复合材料的激光3D打印方法，其特征在于，首先，将铁基非晶合金粉末和高熵合金粉末按照设定的比例混合，获得复合粉末，两种金属粉末的粒径均在15μm～53μm，呈正态分布，铁基非晶合金粉末包括的成分为Fe、Ni、P和C，高熵合金粉末包括的成分为Fe、Ni、Co、Ti和Al，接着，在保护气氛下，采用连续的高能量密度激光熔化复合粉末，实行3D打印，获得铁基复合材料中间体，然后，在保护气氛下，采用高频脉冲激光重熔铁基复合材料中间体，实行同步逐层重熔，用于降低孔洞缺陷、提高致密度，还用于进一步消除内应力。2.如权利要求1所述的一种高强铁基复合材料的激光3D打印方法，其特征在于，实行3D打印时，保护气氛为氩气，激光功率为180
‑
320W，扫描速率为200
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1600mm/s，相邻道次之间的扫描间距为60
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100μm，每层铺粉厚度为20
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60μm。3.如权利要求2所述的一种高强铁基复合材料的激光3D打印方法，其特征在于，实行同步逐层重熔时，高频脉冲激光波长为1000
‑
1070nm，输出功率为20
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50W，脉冲频率为100
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500kHz。4.如权利要求3所述的一种高强铁基复合材料的激...

【专利技术属性】
技术研发人员：潘杰，黄慧强，张鹏程，柳林，张诚，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：