一種TiC-Ti復合材料構件的激光成形方法
【專利說明】一種TiC-T i復合材料構件的激光成形方法
[0001]
技術領域
[0002]本發(fā)明屬于激光成形領域，涉及一種Tic-Ti構件的激光成形方法。
【背景技術】
[0003]Ti基復合材料具有低密度、高比強度和比模量、優(yōu)異的疲勞和蠕變性能，能應用于航空航天、先進武器系統(tǒng)及汽車制造領域。Tic具有極高的熔點、優(yōu)良的高溫強度、熱穩(wěn)定性，密度低、彈性模量較高、硬度高和耐磨性好。Tic因其自身優(yōu)異特性且能與鈦合金基體良好匹配已成為鈦基復合材料的首選增強相。原位自生顆粒增強鈦基復合材料比鈦合金具有更加優(yōu)異的綜合性能。
[0004]MMC的制備技術依據(jù)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(wěn)定的增強相，這種方法避免了外加增強體的分解、節(jié)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(yōu)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(shù)不易控制。
[0005]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。金屬粉與石墨粉的堆積密度相差較大，在激光成形過程中，容易因為粉體密度相差較大而造成分層，在成形部件中造成增強相的分布不均，而且會改變增強相的設計成分，大幅降低TiC-Ti復合材料部件的性能。因此本發(fā)明采用在線連續(xù)送粉激光原位復合成形的方法，制備TiC-Ti復合材料部件，成形部件的增強相分布連續(xù)可控。

【發(fā)明內容】

[0006]本發(fā)明所要解決的技術問題在于提供一種增強相分布可控的TiC-Ti復合材料結構件的激光成形方法。本發(fā)明針對現(xiàn)有技術的不足，從原位合成路線和激光成形工藝著手，使增強相在復合材料中分布均勻可控，實現(xiàn)性能優(yōu)良的Tic-Ti復合材料部件的激光成形。
本發(fā)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2.36-4.55wt.%，稀土氧化物0.11-0.22wt.%，Ti為余量；原料采用粉體形式，粉末顆粒尺寸40~200微米；將金屬Ti粉、稀土氧化物粉末一起球磨0.5-6小時；
(2)送粉與混料
采用多料斗螺旋送粉混合系統(tǒng)送粉和及時混合，所述多料斗螺旋送粉混合系統(tǒng)由兩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粉、稀土氧化物粉末放入第1個料斗中，石墨粉置于第2個料斗中；兩個送粉器同時送粉，并通過調節(jié)螺桿轉速控制粉料的比例； (3)激光成形
激光成形的激光頭采用2管同軸不連續(xù)噴嘴，實現(xiàn)對激光熔池的環(huán)抱粉體噴射，使激光熔池各成分均勻分布；將設計部件的數(shù)字圖形利用分層軟件進行切片，并建立分層激光掃描路徑及其層間連接配合，設置每層厚度為0.04-0.6_，然后在四軸數(shù)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，使得局部生成的增強相TiC比例成梯度連續(xù)變化，即構件外層為耐磨的TiC-Ti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)的要求。
[0007]本發(fā)明方法步驟(3 )中，采用光纖/0)2激光器，輸出功率50~3000W，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.l~12L/min，激光頭掃描速度3~125mm/s。激光加工的環(huán)境為氬氣保護氣氛，壓強為1個大氣壓。
[0008]本發(fā)明所用的多料斗螺旋送粉混合系統(tǒng)主要由兩個送粉器分別通過送粉管與一個共同的激光頭連接組成。粉體即時送至激光頭進行激光成形，如圖1所示。所述送粉器由料斗、螺桿和流化器組成，所述螺桿由直流步進電機推動。
[0009]TiC-Ti復合材料的性能取決于TiC的含量、尺寸和均勻分布。本發(fā)明以雙料斗螺旋送粉混料系統(tǒng)即時送粉，并利用同軸不連續(xù)激光頭成形出Tic-Ti復合材料部件，實現(xiàn)了增強相的分布可控、均勻，消除復合材料中Tic不均勻分布的情況，實現(xiàn)TiC含量可調的Tic-Ti復合材料結構件的激光成形。
[0010]本發(fā)明方法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(xiàn)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】
[0011]圖1多料斗螺旋送粉混合系統(tǒng)結構示意圖。
【具體實施方式】
[0012]實施例一
一種TiC-Ti復合材料汽車發(fā)動機進氣閥激光成形方法，包括以下過程:
1、原料配方與預處理
原料配方為:石墨3.51wt.%，混合稀土 0.15wt.%，Ti余量；原料采用粉體形式，粉末顆粒尺寸50微米；將金屬Ti粉、混合稀土粉末一起球磨2小時。
[0013]2、送粉與混料
送粉工藝采用多料斗螺旋送粉混合系統(tǒng)完成，將Ti粉、混合稀土粉末放入第1個料斗中，石墨粉置于第2個料斗中；2個螺桿送粉器同時送粉，并通過螺桿轉速調整生成的TiC在構件局部的含量；
3、激光成形
激光成形的激光頭采用2管同軸不連續(xù)噴嘴，實現(xiàn)對激光熔池的環(huán)抱粉體噴射，使激光熔池各成分均勻分布。將設計部件的數(shù)字圖形數(shù)據(jù)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0.06_，然后在四軸數(shù)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-Ti復合材料，內部為金屬基體材料；激光加工使用光纖激光器的輸出功率210W，光斑直徑0.08mm，搭接率45%，激光頭Ar氣流量0.4L/min，送粉器Ar氣流量1.5L/min，激光頭掃描速度8mm/s。激光加工的環(huán)境為氬氣保護氣氛，壓強為1個大氣壓。