一種TiC-Co復(fù)合材料構(gòu)件的激光成形方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于激光成形領(lǐng)域，涉及一種TiC-Co復(fù)合材料構(gòu)件的激光成形方法。
【背景技術(shù)】
[0002]Co基合金具有優(yōu)良的高溫性能、高溫耐磨性和高溫耐蝕性，較好的熱強(qiáng)性和冷熱疲勞性能，在600° C以上仍具有良好的抗氧化性和耐磨性，800° C時還能保持可用的硬度，1080°C時還具有良好的抗氧化性能；同時具有良好的導(dǎo)熱性和低的熱膨脹系數(shù)，廣泛應(yīng)用于石化、電力、冶金、水利等工業(yè)領(lǐng)域。TiC具有極高的熔點(diǎn)、優(yōu)秀的高溫強(qiáng)度、熱穩(wěn)定性，密度低、彈性模量較高、硬度高和耐磨性好。
[0003]MMC的制備技術(shù)依據(jù)增強(qiáng)顆粒的加入方式的不同，可分為原位自生和強(qiáng)制加入兩種。原位自生技術(shù)借助合金設(shè)計，在基體金屬內(nèi)原位反應(yīng)成核，生成一種或幾種熱力學(xué)穩(wěn)定的增強(qiáng)相，這種方法避免了外加增強(qiáng)體的分解、節(jié)約能源、資源并能夠減少排放，材料的增強(qiáng)體表面無污染，制品性能優(yōu)良。但其工藝過程要求嚴(yán)格、較難掌握、且增強(qiáng)相的成分和體積分?jǐn)?shù)不易控制。
[0004]激光成形工藝?yán)眯◇w積累積成形的方法，可以在宏觀控制增強(qiáng)相的均勻分布，為送粉激光原位成形顆粒增強(qiáng)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?yàn)榉垠w密度相差較大而造成分層，在成形部件中造成增強(qiáng)相的分布不均，而且會改變增強(qiáng)相的設(shè)計成分，大幅降低TiC-Co復(fù)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(fù)合成形的方法，制備TiC-Co復(fù)合材料部件，使成形部件的增強(qiáng)相分布連續(xù)可控。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種增強(qiáng)相分布可控的TiC-Co復(fù)合材料部件的激光成形方法。本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，從原位合成路線和激光成形工藝著手，能夠使增強(qiáng)相在復(fù)合材料中均勻分布，實(shí)現(xiàn)性能優(yōu)良的TiC-Co復(fù)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(yù)處理
原料配方為:石墨 5.56~7.46wt.%，Ti 23.44~30.78￥匕％，混合稀土0.55~0.64￥扒％，Co余量，原料采用粉體形式，金屬粉末和石墨粉顆粒尺寸60?200微米;將金屬Ti粉、稀土粉末一起球磨0.4?7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和混合系統(tǒng)由三個送粉器分別通過送粉管與一個共同的激光頭組成，將Ti粉、稀土粉末放入第1個料斗中，石墨粉置于第2個料斗中，Co粉置于第3個料斗中；3個送粉器同時送粉，并通過調(diào)節(jié)螺桿轉(zhuǎn)速控制粉料的比例；
(3)激光成形激光成形的激光頭采用3管同軸不連續(xù)噴嘴，實(shí)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(shè)計部件的數(shù)字圖形利用分層軟件進(jìn)行切片，并建立激光掃描路徑及其層間連接配合，設(shè)置每層厚度為0.04?0.6mm，然后在四軸數(shù)字加工機(jī)床上分層進(jìn)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(qiáng)相TiC的比例成梯度變化，即構(gòu)件外層為耐磨的TiC-Co復(fù)合材料，內(nèi)部為金屬基體材料，并最終使用的原料符合步驟(1)的比例要求。
[0006]步驟(3)中采用光纖/C02激光器，輸出功率100~3000W，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0.5?12L/min，激光頭掃描速度>125mm/s。
[0007]本發(fā)明所用的多料斗螺旋送粉混合系統(tǒng)由三個送粉器分別通過送粉管與一個共同的激光頭組成，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(jìn)電機(jī)推動。
[0008]TiC-Co復(fù)合材料的性能取決于TiC的含量、尺寸和均勻分布。本發(fā)明以三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-Co復(fù)合材料部件，實(shí)現(xiàn)了增強(qiáng)相的分布可控，消除復(fù)合材料中TiC不均勻分布的情況，實(shí)現(xiàn)TiC含量可調(diào)的TiC-Co復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件的激光成形。
[0009]本發(fā)明方法同時將部件表層和內(nèi)層進(jìn)行分別成形，控制送粉成分和激光掃描路線，實(shí)現(xiàn)內(nèi)外分層結(jié)構(gòu)的金屬基復(fù)合材料部件的激光制造，使部件內(nèi)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80%以上。
【附圖說明】
[0010]圖1多料斗螺旋送粉混合系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0011]實(shí)施例一
一種TiC-Co復(fù)合材料軸承座激光成形方法，包括以下流程:
(1)原料配方與預(yù)處理
原料配方為:石墨5.56wt.%，Ti粉末23.44wt.%，混合稀土0.55wt.%，Co余量。原料采用粉體形式，金屬粉末和石墨粉顆粒尺寸60微米;將金屬Ti粉、混合稀土粉末一起球磨2小時。
[0012](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，Co粉置于第3個料斗中；3個螺桿送粉器同時送粉，并通過螺桿轉(zhuǎn)速調(diào)整TiC在成形局部的含量。
[0013](3)激光成形
將多料斗中的粉體分別用3個管道氣載輸送至激光頭進(jìn)行激光成形，激光成形的噴嘴采用3管同軸不連續(xù)噴嘴，實(shí)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(shè)計部件的數(shù)字圖形數(shù)據(jù)利用分層軟件進(jìn)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(shè)置每層厚度為0.3mm，然后在四軸數(shù)字加工機(jī)床上分層進(jìn)行激光成形;控制送粉成分和激光掃描路線，進(jìn)行復(fù)合部件內(nèi)外分層結(jié)構(gòu)的激光成形，即結(jié)構(gòu)件外層為耐磨的TiC-Co復(fù)合材料，內(nèi)部為金屬基體材料；這使得部件內(nèi)部具有金屬材料的韌性，表層具有耐磨、抗高溫氧化的功能。激光加工使用光纖激光器，其輸出功率400W，光斑直徑0.4mm，搭接率50%，激光頭Ar氣流量6.7L/min，送粉器Ar氣流量5.4L/min，激光頭掃描速度40mm/s。
[0014]成形部件內(nèi)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