本發(fā)明涉及鎂基復(fù)合材料快速研發(fā)和制備領(lǐng)域，具體涉及一種激光原位冶金耦合高通量送粉制備鎂基復(fù)合材料的方法。

背景技術(shù)：

1、鎂合金具有低密度、阻尼性能強(qiáng)、生物相容性好等優(yōu)點(diǎn)，在汽車、航天航空和生物醫(yī)療等領(lǐng)域成為了優(yōu)選的替代材料。然而，鎂合金的綜合力學(xué)性能(如拉伸性能、斷后延伸率、耐磨性等)較差，不能滿足當(dāng)前國(guó)內(nèi)外生產(chǎn)應(yīng)用中日益增長(zhǎng)的生產(chǎn)應(yīng)用需求。

2、為了研發(fā)兼顧高強(qiáng)度、高延伸率、高耐磨性等綜合性能的鎂合金，采用顆粒增強(qiáng)鎂基體是一種可行的方法。鎂基復(fù)合材料可以采用陶瓷顆粒作為增強(qiáng)顆粒，陶瓷顆?？梢蕴岣哝V基復(fù)合材料的強(qiáng)度和耐磨性，但延伸率大大降低。例如通過熱變形制備的tic/mg2zn0.8sr0.2ca復(fù)合材料斷后延伸率僅有2.0±0.5％。這是由于陶瓷顆粒變形特性較差、熱膨脹性與金屬基體差異大。與陶瓷顆粒相比，金屬顆粒具有較好的延展性，其中密排六方的ti顆粒與mg基體具有相同的晶體結(jié)構(gòu)，被認(rèn)為是鎂基復(fù)合材料的理想增強(qiáng)顆粒?，F(xiàn)有公開文獻(xiàn)中報(bào)道了通過粉末冶金法、熱擠壓法、攪拌鑄造法制備ti顆粒增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料，提高了鎂基復(fù)合材料的綜合力學(xué)性能。但這些方法仍存在以下不足：在機(jī)械攪拌下，坩堝內(nèi)保護(hù)氣體會(huì)進(jìn)入熔體，造成鎂基復(fù)合材料氣孔、夾雜缺陷的增多；ti顆粒在鎂基體中不能均勻分布，大粒徑顆粒由于重量大容易沉積在熔池底部，且容易產(chǎn)生顆粒團(tuán)聚現(xiàn)象。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、為了解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的一個(gè)或者多個(gè)技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種激光原位冶金耦合高通量送粉制備鎂基復(fù)合材料的方法。

2、本發(fā)明目的通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：

3、一種激光原位冶金耦合高通量送粉制備鎂基復(fù)合材料的方法，包括以下步驟：

4、s1、設(shè)置激光加工程序，將激光噴頭調(diào)至鎂基板上表面合適位置，激光噴頭四周對(duì)稱設(shè)置多個(gè)同軸送粉管，送粉管的噴嘴相對(duì)設(shè)置，每個(gè)送粉管連接一個(gè)送粉缸；

5、s2、選用兩種以上增強(qiáng)顆粒，將單一組分的增強(qiáng)顆粒填裝進(jìn)不同的送粉缸，調(diào)控各送粉缸的送粉轉(zhuǎn)盤速率、載氣流量和送粉管噴嘴的角度，使多種增強(qiáng)顆粒在激光噴頭下形成高通量混合流；待高通量混合流穩(wěn)定形成時(shí)打開激光，激光功率采用變功率循環(huán)梯度變化，在高斯激光束的作用下，對(duì)增強(qiáng)顆粒進(jìn)行快速熔融，同時(shí)熔化金屬表面基體形成微熔池，增強(qiáng)顆粒與鎂基體中的元素在熱擴(kuò)散的作用下實(shí)現(xiàn)激光原位冶金，制得鎂基復(fù)合材料；

6、s3、待鎂基復(fù)合材料冷卻后，使用高斯激光束對(duì)其進(jìn)行熱處理，熱處理的溫度低于鎂的熔點(diǎn)，以防止鎂基重熔。

7、優(yōu)選地，s3中熱處理的高斯激光束的激光功率為300-800w，掃描速度為0.3-1.2m/min，熱處理路徑沿用s2中原激光增材制造加工路徑。

8、優(yōu)選地，s2中所述的控制各送粉缸的送粉轉(zhuǎn)盤速率及載氣流量的具體步驟如下：高通量送粉裝置工作時(shí)，保持送粉缸a中顆粒送粉率不變，調(diào)控送粉缸b中顆粒的送粉轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速或載氣流量。送粉缸a/b中的顆粒是單一組分，由此改變進(jìn)入熔池的多種增強(qiáng)顆粒配比，實(shí)現(xiàn)成分梯度變化和高通量送粉。

9、優(yōu)選地，s2中激光功率采用變功率2000w-1500w循環(huán)梯度變化，從2000w開始，每道次按100w梯度遞減，直到1500w后再回到2000w實(shí)現(xiàn)循環(huán)。如第一道加工設(shè)置2000w，第二道設(shè)置1900w，……第六道1500w，第七道2000w，依次類推。這樣1900w加工的時(shí)候會(huì)受到前一道次加工的余溫的影響，會(huì)相當(dāng)于2000w時(shí)的加工的溫度。通過周期性地變功率的加工方式不僅能避免長(zhǎng)時(shí)間高功率加工帶來的能量浪費(fèi)，而且有效避免了材料內(nèi)部過度加熱的問題。高功率激光會(huì)導(dǎo)致材料迅速升溫，增加內(nèi)部溫度梯度，可能導(dǎo)致材料燒結(jié)或產(chǎn)生裂紋。而通過逐步遞減功率，前一道次加工的余溫會(huì)傳遞到后一道次的加工，從而實(shí)現(xiàn)溫度平衡，減少內(nèi)部應(yīng)力。

10、優(yōu)選地，激光的掃描速度為0.3-1.2m/min，載氣流量5-20l/min，轉(zhuǎn)盤速度5-30r/min。

11、優(yōu)選地，所述增強(qiáng)粉末顆粒形狀包括但不限于球形增強(qiáng)顆粒、不規(guī)則形增強(qiáng)顆粒等。同時(shí)，所述增強(qiáng)顆粒類型包括金屬顆粒、陶瓷顆粒中的一種或多種。

12、優(yōu)選地，所述增強(qiáng)顆粒包括球形ti、al顆粒原料粉末，所述ti、al顆粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為80-95wt.％和5-20wt.％；更優(yōu)選85-95wt.％和5-15wt.％。

13、優(yōu)選地，調(diào)控ti顆粒所在送粉缸的送粉轉(zhuǎn)盤速率及載氣流量分別為10-20r/min和8-20l/min，調(diào)控al顆粒所在送粉缸的送粉轉(zhuǎn)盤速率及載氣流量分別為8-15r/min和6-10l/min。

14、優(yōu)選地，所述激光加工包括但不限于激光熔覆法、激光熔注法、激光粉末床熔融法等激光加工方法。激光加工設(shè)備包括激光噴頭等，所述激光噴頭與所述高通量送粉裝置輸出端同軸連接。

15、優(yōu)選地，所述激光噴頭至鎂基板上表面的距離為15.0-18.0mm，送粉管噴嘴的角度為40°-60°，送粉管噴嘴出口與鎂基板上表面的距離為1.0-3.0mm。

16、優(yōu)選地，所述增強(qiáng)顆粒的粒徑為15-53μm，并干燥處理。

17、優(yōu)選地，s2中設(shè)置程序使送粉缸先出粉5-15s，待顆粒粉末穩(wěn)定射出，然后再打開激光；s2中激光加工程序，設(shè)定基板x方向行程為60mm和y方向偏移量為2mm，采用的激光加工光斑直徑為2-3mm。

18、優(yōu)選地，在高通量送粉時(shí)還同步送金屬絲。

19、優(yōu)選地，所述金屬絲為鎂絲，送絲速率是10±5mm/s。

20、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)及有益效果：

21、(1)本發(fā)明通過激光加工實(shí)現(xiàn)激光原位冶金，成形空間靈活，設(shè)備簡(jiǎn)單，每個(gè)送粉管采用獨(dú)立的送粉缸控制，通過高通量送粉可實(shí)現(xiàn)多粉末顆?；旌蠈?shí)時(shí)調(diào)控并送至熔池內(nèi)，粉末顆粒調(diào)控方便，且用量少，可快速篩選出最佳工藝參數(shù)，制得性能優(yōu)異的鎂基復(fù)合材料。

22、(2)本發(fā)明激光功率采用變功率循環(huán)梯度變化，結(jié)合工藝參數(shù)的精準(zhǔn)調(diào)控，受快速凝固影響較大的熔池底部，凝固時(shí)所釋放的熱量全部向熔合線散去，形成生長(zhǎng)方向與結(jié)合面垂直的樹枝晶，這種晶體結(jié)構(gòu)可以有效提高熔注層與基體的結(jié)合強(qiáng)度。同時(shí)，制得的鎂基復(fù)合材料無團(tuán)聚現(xiàn)象，且顆粒能在鎂基體中均勻分布，避免了傳統(tǒng)加工制備過程中產(chǎn)生的氣孔、夾雜缺陷、顆粒團(tuán)聚、裂紋等問題，有利于提高綜合力學(xué)性能。

23、(3)本發(fā)明結(jié)合激光再處理，高效結(jié)合如熱處理工藝，制備得到高性能強(qiáng)韌化金屬間復(fù)合材料。

技術(shù)特征：

1.一種激光原位冶金耦合高通量送粉制備鎂基復(fù)合材料的方法，其特征在于，包括以下步驟：

2.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，s3中熱處理的高斯激光束的激光功率為300-800w，掃描速度為0.3-1.2m/min，熱處理路徑沿用s2中原激光增材制造加工路徑。

3.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，s2中的激光功率采用變功率2000w-1500w循環(huán)梯度變化，從2000w開始，每道次按100w梯度遞減，直到1500w后再回到2000w實(shí)現(xiàn)循環(huán)，掃描速度為0.3-1.2m/min，載氣流量5-20l/min，轉(zhuǎn)盤速度5-30r/min。

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，所述增強(qiáng)顆粒包括球形ti、al顆粒原料粉末，所述ti、al顆粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為80-95wt.％和5-20wt.％。

5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，調(diào)控ti顆粒所在送粉缸的送粉轉(zhuǎn)盤速率及載氣流量分別為10-20r/min和8-20l/min，調(diào)控al顆粒所在送粉缸的送粉轉(zhuǎn)盤速率及載氣流量分別為8-15r/min和6-10l/min。

6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，所述激光噴頭至鎂基板上表面的距離為15.0-18.0mm，送粉管噴嘴的角度為40°-60°，送粉管噴嘴出口與鎂基板上表面的距離為1.0-3.0mm。

7.根據(jù)權(quán)利要求1～6任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述增強(qiáng)顆粒的粒徑為15-53μm，并干燥處理。

8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，s2中設(shè)置程序使送粉缸先出粉5-15s，待顆粒粉末穩(wěn)定射出，然后再打開激光；s2中激光加工程序，設(shè)定基板x方向行程為60mm和y方向偏移量為2mm，采用的激光加工光斑直徑為2-3mm。

9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，在高通量送粉時(shí)還同步送金屬絲。

10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于，所述金屬絲為鎂絲，送絲速率是10±5mm/s。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了一種激光原位冶金耦合高通量送粉制備鎂基復(fù)合材料的方法，包括以下步驟：S1、設(shè)置激光加工程序，將激光噴頭調(diào)至鎂基板上表面合適位置，激光噴頭四周對(duì)稱設(shè)置多個(gè)同軸送粉管，送粉管的噴嘴相對(duì)設(shè)置，每個(gè)送粉管連接一個(gè)送粉缸；S2、選用兩種以上增強(qiáng)顆粒，將不同類的增強(qiáng)顆粒填裝進(jìn)不同的送粉缸，使多種增強(qiáng)顆粒在激光噴頭下形成高通量混合流；待高通量混合流穩(wěn)定形成時(shí)打開激光，激光功率采用變功率循環(huán)梯度變化，在高斯激光束的作用下，對(duì)增強(qiáng)顆粒進(jìn)行快速熔融，制得鎂基復(fù)合材料；S3、待鎂基復(fù)合材料冷卻后，使用高斯激光束對(duì)其進(jìn)行熱處理。本發(fā)明方法能避免產(chǎn)生氣孔、夾雜缺陷、顆粒團(tuán)聚、裂紋問題，從而提高綜合力學(xué)性能。

技術(shù)研發(fā)人員：桂珍珍,郭超文,朱科穎,劉鵬禧,張帆,張濤,鄒濤
受保護(hù)的技術(shù)使用者：廣州大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/19