一种激光定向能量沉积均质碳化钛增强钛基复合材料的制备方法技术

本发明专利技术公开一种激光定向能量沉积均质碳化钛增强钛基复合材料的制备方法，属于复合材料制备技术领域

【技术实现步骤摘要】
一种激光定向能量沉积均质碳化钛增强钛基复合材料的制备方法


[0001]本明属于复合材料制备
，具体涉及一种激光定向能量沉积均质碳化钛增强钛基复合材料的制备方法
。

技术介绍

[0002]颗粒增强钛基复合由于其各向同性和低成本而受到越来越多的关注，硬质
TiC
具有与钛相近的密度
、
较高的热稳定性和良好的生物相容性，是颗粒增强钛基复合材料的优选增强材料
。
随着航空航天等领域的快速发展，快速制备轻量化
、
高性能的复杂结构件迫在眉睫
。
传统的制备颗粒增强钛基复合材料的方法有熔铸法
、
粉末冶金法等，这些方法依赖模具和加工，要么存在因宏观偏析和微观偏析导致的复合材料中增强相分布不均匀，要么存在因需开模而导致的成形周期长
、
要么由于钛基复合材料对变形和切割的大阻力使得使用常规制造技术制备钛基复合材料部件困难且昂贵，很大程度上限制了复合材料的生产应用
。
[0003]增材制造
(AM)
以独特的逐层制造工艺为特征，是一种新兴且有前途的制造技术
。
金属增材制造技术的出现和快速发展，为成形复合材料提供了新的途径，缩短了产品设计和开发时间，能够直接从计算机辅助设计文件生产近净形零件，无需与传统制造工艺相关的重新加工成本
。
能够制造具有复杂结构的部件，提高了原材料利用效率并降低了能源消耗
。
然而，现有增材制造复合材料技术均以选区激光熔化为主，这种方法存在零件尺寸增大引起原材料单次用量指数级增大的体积效应问题，大大增加了粉末成本
。
定向能量沉积
(DED)
技术作为增材制造技术之一，粉末损耗量少，是一种高效
、
快速的增材制造技术，用其制备复合材料具有广阔的应用前景
。

技术实现思路

[0004]本专利技术针对现有技术中制备均质复合材料成形周期长，成本高，依赖模具和机加工的问题，提供一种激光定向能量沉积增材制造均质复合材料的制备方法，即在程序的控制下，混合粉末在激光束作用下发生快速熔化和快速凝固并逐层堆积生成具有陶瓷增强相的复合材料构件，由于混合粉末的融化和冷却过程都是迅速的，基本不会出现明显的宏观偏析和微观偏析现象，有利于均质复合材料的制备与成形
。
[0005]一种激光定向能量沉积增材制造均质复合材料的制备方法，具体步骤如下：
[0006](1)
利用建模软件设计三维复合材料构件，设定初始层厚和分层层厚，利用切片软件对三维数据模型进行切片分层，设定打印方式为交叉打印，设定分层打印间隔时间，输出激光扫描路径
。
[0007](2)
将钛合金粉
、
碳化钛粉首先置于真空干燥箱中充分干燥，再置于充有高纯氩气保护的球磨罐进行低能球磨或采用震荡分散器震荡得到均匀的混合粉末；或者将钛合金粉
、
碳化钛粉分别置于送粉器的两个粉筒中，控制两个送粉器转速以控制混合比例，两路粉
末经混粉器混合均匀，得到均匀的混合粉
。
[0008](3)
将混合粉末置于激光定向能量沉积设备的粉筒中，通过高纯氩气输送至激光同轴送粉喷头分四路送出，同时激光定向能量沉积设备根据程序联动激光器和送粉器，按照设定好的路径对混合好的粉末进行扫描，四路混合粉末交点与激光焦点重合，同时激光定向能量沉积设备根据设定的激光扫描路径进行扫描混合粉，激光的能量使粉末快速熔化和快速凝固形成均质复合材料
。
[0009]优选的，本专利技术所述步骤
(1)
交叉打印的偏转角度数为
30
°‑
90
°
，分层打印间隔时间为1‑
20s。
[0010]优选的，本专利技术所述步骤
(2)
钛合金粉粒径为
50
‑
200
μ
m
，陶瓷粉末粒径为
0.8
～
50
μ
m。
[0011]优选的，本专利技术所述步骤
(2)
钛合金粉为
TA1、TA4、TA10
或
Ti6Al4V
；陶瓷粉末为
TiC
粉
。
[0012]优选的，本专利技术所述钛合金粉的纯度
≥99.9
％，陶瓷粉末的纯度
≥99.9
％
。
[0013]进一步的，所述
TiC
陶瓷粉质量小于粉末总质量的
50wt
％
。
[0014]优选的，本专利技术所述步骤
(3)
激光波长为
1068
～
1080nm
，激光功率为
300
～
1200W
，激光扫描速度为
200
～
1600mm/min
，光斑尺寸为
1.6
‑
3mm
；保护气氛为氩气或氦气其中的一种或两种
。
[0015]进一步的所述保护气氛的流量为9～
20L/h。
[0016]所述步骤
(2)
送粉器为载气式同轴送粉器，喷头有四路出粉口，安装于激光头下方，与激光头随动
。
[0017]本专利技术中，由于碳化钛对激光具有较高的吸收率，因此本专利技术中碳化钛增强相涉及熔融和未熔融
。
[0018]激光定向能量沉积均质复合材料的原理：在成形过程中，利用钛与陶瓷混合粉末在激光的作用下产生反应产生瞬态热，能够提高成形过程中的热输入，实现粉末在激光成形过程中的有效熔化，减少粉末未熔合
、
孔隙等缺陷的产生，提高增强相与基体之间的界面结合性能，从而使复合材料不仅具有优异的力学性能，又具有良好的表面质量；同时，成形过程中的融化和凝固都是迅速的，并伴随着快速冷却，最大限度地避免了熔池凝固过程中的元素偏析现象，成形出均质复合材料
。
[0019]本专利技术的有益效果是：
[0020](1)
本专利技术激光定性能量沉积制造均质复合材料的方法，利用钛与陶瓷混合粉末在激光作用下产生瞬态热，提高了激光制备与成形过程中熔池的热输入，使陶瓷颗粒和金属颗粒瞬间凝固和熔化，熔池内的温度场分布更为均匀，减少复合材料缺陷的产生
。
[0021](2)
本专利技术克服了传统的复合材料制备与成形过程中出现的宏观偏析和微观偏析问题，使成形的复合材料综合性能得到显著提升
。
[0022](3)
本专利技术在快成形和冷却件下成形钛基复合材料，最大限度地避免了熔池凝固过程中的元素偏析现象，成形出均质复合材料
。
附图说明
[0023]图1为实施例
1、
实施例2和实施例本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种激光定向能量沉积均质碳化钛增强钛基复合材料的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：
(1)
利用建模软件设计三维复合材料构件，设定初始层厚和分层层厚，利用切片软件对三维数据模型进行切片分层，设定打印方式为交叉打印，设定分层打印间隔时间，输出激光扫描路径；
(2)
将钛合金粉
、
碳化钛粉首先置于真空干燥箱中充分干燥，再置于充有高纯氩气保护的球磨罐进行低能球磨或采用震荡分散器震荡得到均匀的混合粉末；或者将钛合金粉
、
碳化钛粉分别置于送粉器的两个粉筒中，控制两个送粉器转速以控制混合比例，两路粉末经混粉器混合均匀，得到均匀的混合粉；
(3)
将混合粉末置于激光定向能量沉积设备的粉筒中，通过高纯氩气输送至激光同轴送粉喷头分四路送出，同时激光定向能量沉积设备根据程序联动激光器和送粉器，按照设定好的路径对混合好的粉末进行扫描，四路混合粉末交点与激光焦点重合，同时激光定向能量沉积设备根据设定的激光扫描路径进行扫描混合粉，激光的能量使粉末快速熔化和快速凝固形成均质复合材料
。2.
根据权利要求1所述激光定向能量沉积均质碳化钛增强钛基复合材料的制备方法，其特征在于：步骤
(1)
交叉打印的偏转角度数为
30
°‑
90
°
，分层打印间隔时间为1‑
20s。3.
根据权利要求1所述激光定向能量沉积均质碳化钛增强钛基复合材料的制备方法，其特征在于：步骤
(2)
钛合金粉粒径为
50
‑
200<...

【专利技术属性】
技术研发人员：李凤仙，张凡，刘意春，易健宏，方东，陶静梅，鲍瑞，刘亮，
申请(专利权)人：昆明理工大学，
类型：发明
国别省市：