【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于激光增材制造和金属复合材料制备，特别是涉及一种轻质耐热高强铝基复合材料的激光复合增材制造方法与应用。
技术介绍
1、随着航空航天等尖端工业的不断发展，对金属结构零件的高温强度和耐热性能提升的需求变得愈发迫切。在这一背景下，陶瓷颗粒增强铝基复合材料（aluminum matrixcomposites, amcs）成为焦点，具备质轻、比强度和比刚度高、热稳定性好、耐磨抗腐蚀性好等优异性能。其中，二硼化钛（tib2）颗粒作为一种理想的高热稳定性弥散强化相材料，具有高熔点、大强度、良好的化学稳定性以及与铝基体的良好相容性，高温条件下mosi2能够与铝合金反应形成抗高温氧化保护膜， hfo2能够净化铝合金基体的晶界，提升其高温抗开裂性能，使得tib2、mosi2、hfo2颗粒成为重要的研究对象。
2、然而，提升上述颗粒增强铝基复合材料的强度与耐热性能面临一系列挑战，主要归因于纳米尺寸的颗粒对铝基复合材料的弥散强化效果最好，但难以制备。已有的研究主要集中在改进制备工艺，包括搅拌熔铸法、粉末冶金法以及增材制造技术。这些方法在增强颗粒的分散、形貌和尺寸方面存在一定的限制，影响了复合材料的性能。搅拌熔铸法中，纳米颗粒的团聚问题、颗粒形状不规则导致的应力集中、气体和杂质引入等问题成为制约因素。粉末冶金法虽然可以实现均匀分散的纳米颗粒，但成本较高且难以进行工业生产。在单一连续激光选区熔化成形过程中，由于tib2、mosi2、hfo2颗粒的熔点远高于铝基体材料，提升高能束连续激光的能量密度只会增加铝基体的熔化，扩大熔池区域，却
技术实现思路
1、为了解决上述现有技术的不足，本专利技术提供了一种轻质耐热高强铝基复合材料的激光复合增材制造方法与应用，利用连续和高峰值强度脉冲双激光耦合扫描制备出具有纳米尺寸的tib2、tib、mosi2以及hfo2颗粒弥散强化的铝合金块层，继而利用高峰值强度脉冲激光的冲击强化大塑性变形效应逐层消除块层的内应力和冶金缺陷，从而制备出具有细晶组织的轻质高强耐热的高性能铝基复合材料。
2、本专利技术的第一个目的在于提供一种轻质耐热高强铝基复合材料的激光复合增材制造方法。
3、本专利技术的第二个目的在于提供一种轻质耐热高强铝基复合材料。
4、本专利技术的第三个目的在于提供一种轻质耐热高强铝基复合材料的应用。
5、本专利技术的第一个目的可以通过采取如下技术方案达到：
6、一种轻质耐热高强铝基复合材料的激光复合增材制造方法，所述方法包括：
7、抽出打印密封舱中的氧气，再通入氩气以平衡打印舱内外的气压差；
8、对脉冲光纤激光器和连续光纤激光器输出的激光束进行耦合，并对耦合后的激光束进行调整，以保证激光束聚焦光斑大小和能量密度在基板上的一致性；根据生成的二维扫描轨迹，利用调整后聚焦的耦合激光束选区熔化铝基复合粉末分道、分层打印在预热后的基板上；其中，所述铝基复合粉末为微米tib2、mosi2、hfo2颗粒弥散分布在alsi10mg粉末中，其质量配比分别为5~8wt.%、3~5wt.%、1~2wt.%和85~91wt.%；调整后聚焦的耦合激光束选区熔化工艺参数为：扫描速度为1000～2000mm/s，搭接率为20～50％，层厚为20～30μm，层间扫描时耦合激光旋转角度为67°或90°，通过脉冲激光诱导高熔点的tib2、mosi2、hfo2微米颗粒以多种方式析出形成具有纳米尺寸的tib2、tib、mosi2以及hfo2增强颗粒；
9、待打印的铝基复合材料单层冷却凝固后，在其表面铺设一层tib2粉末，并在tib2粉末上压盖透光的石英玻璃，再采用单一的高峰值强度脉冲激光透过石英玻璃离焦辐照tib2粉末以产生高爆等离子体，使得打印的单层复合材料承受离焦的单一脉冲激光产生的冲击强化大塑性变形效应以消除内应力和冶金缺陷；离焦的单一脉冲激光冲击强化工艺参数为：脉冲重复频率为1hz～10khz，扫描速度为1～100mm/s，搭接率为20～50％，层厚为15～20μm；
10、利用调整后聚焦的耦合激光束选区熔化与离焦的单一高峰值强度脉冲激光冲击强化的热-力耦合效应逐层交互，依次往复，直至制备的轻质耐热高强铝基复合材料的尺寸满足要求。
11、进一步的，采用调整后聚焦的耦合激光束进行选区熔化时，脉冲光纤激光器和连续光纤激光器输出的激光束通过光纤进行耦合，所述脉冲光纤激光器的设置参数为：中心波长为1064nm，激光功率为10～100w，峰值脉宽为1～100ns，脉冲重复频率为1khz，聚焦光斑直径25μm；所述连续光纤激光器的设置参数为：中心波长为1064nm，激光功率为100～500w，最大调制频率为100khz，聚焦光斑直径50μm。
12、进一步的，采用离焦的单一脉冲激光进行冲击强化时，所述脉冲光纤激光器的设置参数为：中心波长为1064nm，激光功率为10～100w，脉冲重复频率为1hz～10khz，离焦的激光光斑直径为800～1200μm。
13、进一步的，所述铝基复合粉末通过如下方式获得：
14、将设定比例的tib2、mosi2、hfo2微米颗粒和钛合金粉末进行混合，再将混合粉末在氩气保护气氛下常温机械球磨，使tib2、mosi2、hfo2微米颗粒弥散分布于钛合金粉末中；将常温机械球磨后的混合粉末在液氮中进行低温机械球磨，以获得满足激光选区熔化成形用的超细近球形铝基复合粉末，最后进行真空干燥处理。
15、进一步的，微米tib2、mosi2、hfo2的平均粒径均为1~3μm，铝基合金粉末的平均粒径为15~53μm。
16、进一步的，微米tib2颗粒粉末的化学成分为(wt.%)：b ≥30.0%，o ≤1.0%，c ≤0.1%，余量为ti；微米mosi2颗粒粉末的化学成分为(wt.%)：si ≥36.0%，o ≤0.15%，c ≤0.03%，余量为mo；微米hfo2颗粒粉末的化学成分为(wt.%)：o≥15.0%，s≤1.0%，余量为hf；alsi10mg粉末的化学成分为(wt.%)：si 9.0~11.0%，mg 0.2~0.45%，fe ≤0.55%，mn ≤0.45%，zn ≤0.1%，余量为al。
17、进一步的，在轻质耐热高强铝基复合材料中，tib2、tib以纳米尺寸的球形颗粒均匀分散在细化的铝基体中，以细化铝基体晶粒形成细晶强化效应，有利于tib2、tib发挥弥散强化作用；纳米尺寸的mosi2和hfo2均弥散分布于α-al的晶界处，且纳米mosi2高温条件下会与al反应形成优良的抗高温保护膜，纳米hfo2能显著净化晶界以提升其抗裂纹性能。
18、进一步的，具有纳米尺寸的tib2、tib、mosi2以及hfo2增强颗粒的平均粒径为300～800nm。
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【技术保护点】
1.一种轻质耐热高强铝基复合材料的激光复合增材制造方法，其特征在于，所述方法包括：
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，采用调整后聚焦的耦合激光束进行选区熔化时，脉冲光纤激光器和连续光纤激光器输出的激光束通过光纤进行耦合，所述脉冲光纤激光器的设置参数为：中心波长为1064nm，激光功率为10～100W，峰值脉宽为1～100ns，脉冲重复频率为1kHz，聚焦光斑直径25μm；所述连续光纤激光器的设置参数为：中心波长为1064nm，激光功率为100～500W，最大调制频率为100kHz，聚焦光斑直径50μm。
3.根据权利要求1、2任一项所述的方法，其特征在于，采用离焦的单一脉冲激光进行冲击强化时，所述脉冲光纤激光器的设置参数为：中心波长为1064nm，激光功率为10～100W，脉冲重复频率为1Hz～10kHz，离焦的激光光斑直径为800～1200μm。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述铝基复合粉末通过如下方式获得：
5.根据权利要求1、4任一项所述的方法，其特征在于，微米TiB2、MoSi2、HfO2的平均粒径均为
6.根据权利要求1、4 任一项所述的方法，其特征在于，微米TiB2颗粒粉末的化学成分为(wt.%)：B ≥30.0%，O ≤1.0%，C ≤0.1%，余量为Ti；微米MoSi2颗粒粉末的化学成分为(wt.%)：Si ≥36.0%，O ≤0.15%，C ≤0.03%，余量为Mo；微米HfO2颗粒粉末的化学成分为(wt.%)：O≥15.0%，S≤1.0%，余量为Hf；AlSi10Mg粉末的化学成分为(wt.%)：Si 9.0~11.0%，Mg 0.2~0.45%，Fe ≤0.55%，Mn ≤0.45%，Zn ≤0.1%，余量为Al。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在轻质耐热高强铝基复合材料中，TiB2、TiB以纳米尺寸的球形颗粒均匀分散在细化的铝基体中，以细化铝基体晶粒形成细晶强化效应，有利于TiB2、TiB发挥弥散强化作用；纳米尺寸的MoSi2和HfO2均弥散分布于α-Al的晶界处，且纳米MoSi2高温条件下会与Al反应形成优良的抗高温保护膜，纳米HfO2能显著净化晶界以提升其抗裂纹性能。
8.根据权利要求1、7任一项所述的方法，其特征在于，具有纳米尺寸的TiB2、TiB、MoSi2以及HfO2增强颗粒的平均粒径为300～800nm。
9.一种轻质耐热高强铝基复合材料，其特征在于，基于权利要求1~8任一项所述的激光复合增材制造方法制备得到。
10.一种轻质耐热高强铝基复合材料的应用，其特征在于，基于权利要求1~8任一项所述的激光复合增材制造方法制备得到的轻质耐热高强铝基复合材料或权利要求9所述的轻质耐热高强铝基复合材料在航空航天、轨道交通、电子工业技术领域的应用。
...【技术特征摘要】
1.一种轻质耐热高强铝基复合材料的激光复合增材制造方法，其特征在于，所述方法包括：
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，采用调整后聚焦的耦合激光束进行选区熔化时，脉冲光纤激光器和连续光纤激光器输出的激光束通过光纤进行耦合，所述脉冲光纤激光器的设置参数为：中心波长为1064nm，激光功率为10～100w，峰值脉宽为1～100ns，脉冲重复频率为1khz，聚焦光斑直径25μm；所述连续光纤激光器的设置参数为：中心波长为1064nm，激光功率为100～500w，最大调制频率为100khz，聚焦光斑直径50μm。
3.根据权利要求1、2任一项所述的方法，其特征在于，采用离焦的单一脉冲激光进行冲击强化时，所述脉冲光纤激光器的设置参数为：中心波长为1064nm，激光功率为10～100w，脉冲重复频率为1hz～10khz，离焦的激光光斑直径为800～1200μm。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述铝基复合粉末通过如下方式获得：
5.根据权利要求1、4任一项所述的方法，其特征在于，微米tib2、mosi2、hfo2的平均粒径均为1~3μm，铝基合金粉末的平均粒径为15~53μm。
6.根据权利要求1、4 任一项所述的方法，其特征在于，微米tib2颗粒粉末的化学成分为(wt.%)：b ≥30.0%，o ≤1.0%，c ≤0.1%，余量为ti；微米mosi2颗粒粉末的化学成...
【专利技术属性】
技术研发人员：邓澄，冯广健，周圣丰，詹玲娜，卢海洲，陈日，伍朝志，
申请(专利权)人：广东技术师范大学，
类型：发明
国别省市：
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