一種TiC-Cu復(fù)合材料構(gòu)件的激光成形方法
【專利說明】一種T i C-Cu復(fù)合材料構(gòu)件的激光成形方法
[0001]
技術(shù)領(lǐng)域
[0002]本發(fā)明屬于激光成形領(lǐng)域，涉及一種TiC-Cu復(fù)合材料構(gòu)件的激光成形方法。
【背景技術(shù)】
[0003]TiC具有極高的熔點、優(yōu)秀的高溫強度、熱穩(wěn)定性，密度低、彈性模量較高、硬度高和耐磨性好，廣泛應(yīng)用于刀具、模具等硬質(zhì)合金材料領(lǐng)域。
[0004]滑動摩擦電接觸材料廣泛應(yīng)用于電動機上的電刷，電力傳輸設(shè)備的導(dǎo)電弓、受電靴、電拔插頭等。由于接觸不良而造成的電弧放電和摩擦磨損是滑動摩擦電接觸材料主要失效形式?；瑒幽Σ岭娊佑|材料主要有純金屬、碳滑板、粉末冶金復(fù)合材料、浸銅碳滑板等幾種類型。金屬滑板導(dǎo)電性好，但容易引發(fā)放電現(xiàn)象造成電弧灼燒。碳滑板潤滑性好，但電阻率高且機械強度低，自身磨損比較嚴(yán)重。粉末冶金復(fù)合材料硬度較高，但對摩擦副磨損比較嚴(yán)重，且本身成本較高。浸銅碳滑板是目前比較優(yōu)秀的導(dǎo)電弓網(wǎng)滑板材料，但面臨著抗沖擊性能差，維護成本高等問題。TiC強化銅基復(fù)合材料既具有銅基體優(yōu)良的導(dǎo)電導(dǎo)熱性能，同時又具有良好的耐磨性能，可以用作滑動摩擦電接觸材料。
[0005]MMC的制備技術(shù)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(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(yán)格、較難掌握、且增強相的成分和體積分數(shù)不易控制。
[0006]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(shè)計成分，大幅降低TiC-Cu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-Cu復(fù)合材料部件，使成形部件的增強相分布連續(xù)可控。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種增強相分布可控的TiC-Cu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，能夠使增強相在復(fù)合材料中均勻分布，實現(xiàn)性能優(yōu)良的TiC-Cu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 5.35-8.68wt.%，T1-6A1-4V 13.65?28.25wt.%，稀土氧化物0.37?
0.42wt.%，Cu余量，原料采用粉體形式，粉末顆粒尺寸40?200微米;將Ti_6Al_4V和稀土氧化物球磨0.3?4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，所述多料斗螺旋混合系統(tǒng)由三個送粉器通過送粉管與一個共同的激光頭連接組成，將T1-6A1-4V和稀土氧化物混合粉末放入第1個料斗中，石墨粉置于第2個料斗中；Cu粉末置于第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，對熔池環(huán)抱送粉，使熔池各成分均勻分布;對設(shè)計部件的數(shù)字圖形分層切片，并建立激光掃描路徑，在數(shù)控機床上進行激光成形，控制送粉成分，使得局部生成的增強相TiC的比例成梯度連續(xù)變化，即構(gòu)件外層為TiC-Cu基復(fù)合材料，內(nèi)層為金屬基體材料，并最終使用的原料比例符合步驟(1)的要求。
[0008]步驟(3)中，采用光纖/C02激光器，輸出功率100?1000W，光斑直徑0.2?4mm，搭接率10?80%，激光頭Ar氣流量0.2?8L/min，送粉器Ar氣流量0.2?10L/min，激光頭掃描速度4?50mm/s
本發(fā)明所用的多料斗螺旋送粉混合系統(tǒng)主要由三個送粉器通過送粉管與一個共同的激光頭連接組成，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電機推動。
[0009]TiC-Cu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)明以多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-Cu復(fù)合材料部件，實現(xiàn)了增強相的分布可控，消除復(fù)合材料中TiC不均勻分布的情況，實現(xiàn)TiC含量可調(diào)的TiC-Cu復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件的激光成形。
[0010]本發(fā)明方法同時將部件表層和內(nèi)層進行分別成形，控制送粉成分和激光掃描路線，實現(xiàn)內(nèi)外分層結(jié)構(gòu)的TiC-Cu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，表層具有耐磨的功能，且部件整體斷裂韌度為Cu合金的70%以上。
【附圖說明】
[0011]圖1多料斗螺旋送粉混合系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實施方式】
[0012]結(jié)合實施例對本發(fā)明做進一步描述。
[0013]實施例一
一種TiC-Cu復(fù)合材料導(dǎo)電弓滑板激光成形方法，包括以下流程:
(1)原料配方與預(yù)處理
原料配方為:石墨8.68wt.%，T1-6A1_4V 28.25wt.%，稀土氧化物0.42wt.%，Cu余量;合金T1-6A1-4V粉末和其它粉末顆粒尺寸50微米;將鈦合金粉和稀土氧化物粉末球磨0.7小時。
[0014](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合金粉末和稀土混合粉末放入第1個料斗中，石墨粉置于第2個料斗中；Cu粉末置于第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在生成局部的含量。
[0015](3)激光成形
粉體經(jīng)3個送粉器輸出后用3根管道輸送至激光頭進行激光成形，激光成形的激光頭采用3管同軸不連續(xù)噴嘴，對熔池環(huán)抱送粉;部件的數(shù)字圖形分層切片，并建立激光掃描路徑，然后控制送粉成分和激光掃描路線，在數(shù)控機床上進行激光成形。激光加工使用光纖激光器，其輸出功率550W，光斑直徑0.35mm，搭接率38%，激光頭Ar氣流量4.6L/min，送粉器Ar氣流量7.3L/min，激光頭掃描速度12mm/s。
[0016]成形部件內(nèi)部具有金屬材料的韌性，表層具有耐磨的功能，且部件整體斷裂韌度為Cu合金的70%以上。
[0017]實施例二
一種TiC-Cu復(fù)合材料受電靴滑板激光成形方法，包括以下流程:
(1)原料配方與預(yù)處理
原料配方為:石墨 6.78wt.%,T1-6A1-4V 21.46wt.%，混合稀土0.37wt.%，Cu 余量。原料采用粉體形式，金屬T1-6A1-4V粉末顆粒尺寸50微米;將T1-6A1-4V粉和稀土粉末球磨0.5小時。
[0018](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粉末和稀土混合粉末放入第1個料斗中，石墨粉置于第2個料斗中；Cu粉末置于第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在生成局部的含量。
[0019](3)激光成形
粉體經(jīng)3個送粉器輸出后用3根管道輸送至激光頭進行激光成形，激光成形的激光頭采用3管同軸不連續(xù)噴嘴，對熔池環(huán)抱送粉;部件的數(shù)字圖形分層切片，并建立激光掃描路徑，然后控制送粉成分和激光掃描路線，在數(shù)控機床上進行激光成形。激光加工使用光纖激光器，其輸出功率650W，光斑直徑0.8mm，搭接率45%，激光頭Ar氣流量5.2L/min，送粉器Ar氣流量6.5L/min，激光頭掃描速度15mm/s。
[0020]成形部件內(nèi)部具有金屬材料的韌性，表層具有耐磨的功能，且部件整體斷裂韌度為Cu合金的70%以上。
[0021 ] 實施例三
一種TiC-Cu復(fù)合材料結(jié)晶器激光成形方法，包括以下流程:
(1)原料配方與預(yù)處理
原料配方為:石墨 5.35wt.%，T1-6A1_4A^).末 13.65wt.%，混合稀土0.42wt.%，Cu粉末余量。原料采用粉體形式，金屬T1-6A1-4V粉末顆粒尺寸40微米;將T1-6A1-4V粉和稀土粉末球磨2小時。
[0022](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T1-6A1-4V粉末和稀土混合粉末放入第一個料斗中，石墨粉置于第二個料斗中；Cu粉末置于第三個料斗中；3個螺桿送粉器同時送粉，并通過螺桿轉(zhuǎn)速調(diào)整TiC在生成構(gòu)件局部的含量。
[0023](3)激光成形粉體經(jīng)3個送粉器輸出后用3根管道輸送至激光頭進行激光成形，激光成形的激光頭采用3管同軸不連續(xù)噴嘴，對熔池環(huán)抱送粉;部件的數(shù)字圖形分層切片，并建立激光掃描路徑，然后控制送粉成分和激光掃描路線，在數(shù)控機床上進行激光成形。激光加工使用光纖激光器，其輸出功率850W，光斑直徑0.6mm，搭接率60%，激光頭Ar氣流量4.8L/min，送粉器Ar氣流量6.0L/min，激光頭掃描速度20mm/s。
[0024]成形部件內(nèi)部具有金屬材料的韌性，表層具有耐磨的功能，且部件整體斷裂韌度為Cu合金的70%以上。
【主權(quán)項】
1.一種TiC-Cu復(fù)合材料構(gòu)件的激光成形方法，其特征在于包括如下步驟: (1)原料配方與預(yù)處理 原料配方為:石墨 5.35-8.68wt.%，T1-6A1-4V 13.65?28.25wt.%，稀土氧化物 Ο.37?0.42wt.%，Cu余量，原料采用粉體形式，粉末顆粒尺寸40?200微米;將Ti_6Al_4V和稀土氧化物球磨0.3?4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，所述多料斗螺旋混合系統(tǒng)由三個送粉器通過送粉管與一個共同的激光頭連接組成，將T1-6A1-4V和稀土氧化物混合粉末放入第1個料斗中，石墨粉置于第2個料斗中；Cu粉末置于第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，對熔池環(huán)抱送粉，使熔池各成分均勻分布;對設(shè)計部件的數(shù)字圖形分層切片，并建立激光掃描路徑，在數(shù)控機床上進行激光成形，控制送粉成分，使得局部生成的增強相TiC的比例成梯度連續(xù)變化，即構(gòu)件外層為TiC-Cu基復(fù)合材料，內(nèi)層為金屬基體材料，并最終使用的原料比例符合步驟(1)的要求。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光成形方法，其特征在于，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3~125mm/s。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光成形方法，其特征在于，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。
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種TiC-Cu金屬復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件的激光成形方法，其所選用的原料粉體配方為：石墨5.35~8.68wt.%，Ti-6Al-4V？13.65~28.25wt.%，稀土氧化物0.37~0.42wt.%，Cu余量。激光成形的粉體定量配送與混合采用多料斗螺旋送粉混合系統(tǒng)完成，粉體用3個管道即時送至激光頭進行激光成形。利用系統(tǒng)對送粉和激光的控制，實現(xiàn)復(fù)合部件的成形，復(fù)合材料的斷裂韌度可達到Cu合金的80%以上。
【IPC分類】B22F1/00, B22F3/105
【公開號】CN105478760
【申請?zhí)枴緾N201510895363
【發(fā)明人】婁德元, 劉頓, 朱思雄, 湯亮, 翟中生, 楊奇彪, 劉常升
【申請人】湖北工業(yè)大學(xué)
【公開日】2016年4月13日
【申請日】2015年12月8日