一種通過激光重熔制備非晶化梯度復(fù)合材料的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種實現(xiàn)鈦合金激光重熔梯度復(fù)合材料非晶化的方法，屬于材料表面強化的技術(shù)領(lǐng)域。特別涉及一種利用Sb-Y2O3在氬氣環(huán)境下使激光重熔梯度復(fù)合材料表層非晶化的方法。
[0002]
【背景技術(shù)】
[0003]激光重熔技術(shù)是將激光技術(shù)與熱處理相結(jié)合的激光表面改性技術(shù)，可針對航空材料不同服役條件，利用高能密度激光束加熱冷卻速度快等特點，在結(jié)構(gòu)件表面制備非晶-納米晶增強金屬陶瓷復(fù)合涂層，從而達到航空材料表面改性的目的。激光重熔梯度復(fù)合涂層是提高鈦合金表面耐磨和抗高溫氧化等性能的有效途徑，可使激光重熔梯度層與鈦合金基體產(chǎn)生冶金結(jié)合。該技術(shù)代表著增材制造領(lǐng)域中先進的生產(chǎn)模式及未來發(fā)展趨勢，可大幅減少制造工序、縮短生產(chǎn)周期、降低成本及節(jié)約能源。非晶態(tài)合金兼具有獨特的物理化學(xué)與力學(xué)性能，如極高的強度、韌性、抗磨損及耐蝕性。激光熔化沉積重熔梯度復(fù)合層的非晶化過程，是利用Sb在激光熔池中原位生成諸如TiSl^s TiSb等納米顆粒來極大抑制其它晶化相長大，也是大量納米晶生成的過程，該類納米晶在高溫熔池中具有極高的擴散率，易引發(fā)晶格畸變，使復(fù)合材料發(fā)生非晶化轉(zhuǎn)變。適量Y2O3稀土氧化物的添加可提升液態(tài)金屬流動性，減小凝固過程中成分過冷，降低成分偏析并減弱枝晶生長方向性，使組織均勻細(xì)化并利于非晶相產(chǎn)生。
[0004]基于上述科學(xué)原理，并依據(jù)激光輻射所形成高溫熔池快速冷凝特性，結(jié)合激光梯度、
復(fù)合材料的功能梯度特性，本發(fā)明提出了一種能夠降低生產(chǎn)成本、通過激光重熔制備非晶化梯度復(fù)合材料的方法。
[0005]激光所產(chǎn)生熔池具有急冷特性，利于非晶相產(chǎn)生。采用氬氣充滿激光熔化沉積所用箱體作為保護氣，將一定質(zhì)量比例的T1-Al混合粉末采用同軸送粉工藝激光熔化沉積于鈦合金基材之上。激光重熔也在氬氣保護箱中進行，重熔時工藝參數(shù)與之前相同，但激光重熔材料為T1-Al-Sb-Y2O3混合粉末。本發(fā)明能夠獲表層呈非晶態(tài)且具有極強耐磨性的梯度復(fù)合材料。
[0006]掃描電鏡照片表明，激光重熔后沉積層出現(xiàn)了明顯的分層現(xiàn)象，下層為T1-Al沉積層，上層則有大量非晶塊產(chǎn)生(見圖la，b)o對沉積層上層所選區(qū)域做進一步TEM分析，存在一個漫散衍射暈環(huán)，確定大量非晶相存在于此區(qū)域(見圖lc，d)o
[0007]圖2顯示了 T1-Al基梯度復(fù)合材料的顯微硬度值分布，表明上層的顯微硬度范圍1350?1550 HVa2，較TC17基材(約380 HVa2)提高了約4倍，這主要歸因于Sb-Y2O3的加入促使上層產(chǎn)生大量非晶相，提升了其顯微硬度。下層的顯微硬度范圍950?1150 HV0.2,其硬度提高主要歸因于較細(xì)的組織結(jié)構(gòu)及T1-Al金屬間化合物的作用。然而，由于激光熔化沉積過程中基材對熔池強烈的稀釋作用，沉積層的整體顯微硬度分布沿層深呈明顯下降趨勢。
[0008]綜合分析可知，Sb-Y2O3添加目的是為通過化學(xué)反應(yīng)使鈦合金激光熔化沉積層呈非晶化結(jié)構(gòu)，從而達到改善沉積層性能的目的。
[0009]

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]本發(fā)明通過在T1-Al激光熔化沉積層上激光重熔T1-Al-Sb-Y2O3混合粉末，達到改善沉積層性能的目的。該項技術(shù)可應(yīng)用于金屬零部件性能改進及制造等諸多方面。
[0011]具體步驟:
(1)將一定質(zhì)量比例T1-Al粉末熔覆前用烘干機烘干并通過機械混粉器充分混合；
(2)用激光器和同軸送粉器對鈦合金試樣表面進行激光熔化沉積工藝處理，本試驗工藝參數(shù):激光功率0.20?3.2 kW，光斑直徑0.5?8 mm,掃描速度2?18 mm/s，送粉率8?38 g/min，多道搭接率為35%，經(jīng)過特制的噴嘴直接將之前混合的T1-Al混合粉末吹向試樣的待處理表面，多道搭接率35%。進行激光同軸送粉時激光束、粉末輸送同步進行，可有效提高沉積層的質(zhì)量與粉末利用率；
(3)將一定質(zhì)量比例T1-Al-Sb-Y2O3混合粉末熔覆前用烘干機烘干并通過機械混粉器充分混合；
(4)用激光器和同軸送粉器對經(jīng)過之前一次激光沉積處理的試樣表面進行激光重熔工藝處理，本次重熔工藝參數(shù)與之前相同，也在氬氣保護箱中進行。
[0012]在混合粉末涂覆之前需清理鈦合金表面，并拭凈、吹干。
[0013]步驟(I)所述的混合粉末中，各成分及其質(zhì)量分?jǐn)?shù):A1 1%?45%，余量Ti。
[0014]步驟(2、4)所述的鈦合金可為TA15\TC17\TC4等牌號鈦合金。
[0015]步驟(3)所述的混合粉末中，成分及其質(zhì)量分?jǐn)?shù):A1 1%?45%，Sb 1%?10%，Y2O30.3% ?3%，余量 Ti。
[0016]本發(fā)明能夠獲得顯微硬度顯著提升且表面形貌較好的鈦合金非晶化梯度復(fù)合材料。本發(fā)明有工藝簡單方便、適用性強、便于推廣應(yīng)用等優(yōu)點。
[0017]
【附圖說明】
圖1是T1-Al基激光重熔層的SEM與TEM像，(a) T1-Al基激光重熔層的組織形貌；(b)重熔層上層非晶區(qū)形貌；(c)重熔層上層選區(qū)TEM像；(d)對應(yīng)的選區(qū)電子衍射圖。圖2是T1-Al基梯度復(fù)合材料的顯微硬度分布。
【具體實施方式】
[0018]實施例1:
將TC17合金切成長度10 mm、寬度10 mm、厚度10 mm的正方體。在混合粉末涂覆之前，清理鈦合金表面，并拭凈、吹干。將質(zhì)量分?jǐn)?shù)40%A1和60%Ti的混合粉末激光熔化沉積于其10 mmX35 mm面上；而后將質(zhì)量分?jǐn)?shù)40%Al-54%T1-5%Sb_l%Y203的混合粉末激光重熔于T1-Al激光熔化沉積層之上。
[0019]具體工藝步驟:
(1)在激光熔覆之前，用120號砂紙打磨TC17鈦合金待激光處理表面，使其表面粗糙度達Ra 2.5 y m;然后用體積百分比25%硫酸水溶液對試樣待激光處理表面進行清洗，酸洗時間5?10 min ;酸洗后用清水沖洗、用酒精將待熔工件表面擦拭干凈、吹干；
(2)將Ig質(zhì)量分?jǐn)?shù)比例40%Al-60%Ti的混合粉末激光熔化沉積前用烘干機把粉末烘干并通過機械混粉器充分混合；
(3)用激光器和同軸送粉器對鈦合金試樣表面進行激光熔化沉積工藝處理，本試驗工藝參數(shù):激光功率0.90 kW，光斑直徑4 mm，掃描速度2?11 mm/s，送粉率15 g/min ；
(4)將Ig比例質(zhì)量分?jǐn)?shù)40%Al-54%T1-5%Sb-l%Y203的混合粉末熔化沉積前用烘干機烘干并通過機械混粉器充分混合；
(5)用激光器和同軸送粉器對經(jīng)過一次激光沉積處理的試樣表面進行激光重熔工藝處理，本重熔工藝參數(shù)與之前相同。
[0020](6)具體步驟:激光重熔也在氬氣保護箱中進行，經(jīng)過特制的噴嘴直接將之前的混合粉末吹向試樣的待激光處理表面，多道搭接率35%。進行激光同軸送粉時激光束、粉末輸送同步進行，可有效提高沉積層質(zhì)量與粉末利用率。
【主權(quán)項】
1.一種通過激光重熔制備非晶化梯度復(fù)合材料的方法: (O將一定質(zhì)量比例T1-Al混合粉末熔覆前用烘干機把粉末烘干并通過機械混粉器充分混合；用激光器和同軸送粉器對鈦合金試樣表面進行激光熔化沉積工藝處理，工藝參數(shù):激光功率0.20?3.2 kW，光斑直徑0.5?8 _，掃描速度2?18 mm/s，送粉率8?38g/min，采用氬氣充滿激光處理所用箱體作為保護氣，多道搭接率35% ； (2)將一定質(zhì)量比例的Al-T1-Sb-Y2O3混合粉末熔化沉積前用烘干機把粉末烘干并通過機械混粉器充分混合；用激光器和同軸送粉器對經(jīng)過一次激光沉積處理的試樣表面進行激光重熔工藝處理，本重熔工藝參數(shù)與之前相同； (3)所述鈦合金為TA15\TC17\TC4。
2.根據(jù)權(quán)利要求1中步驟(I)所述混合粉末中，各成分及質(zhì)量分?jǐn)?shù):A11%?45%，余量Ti。
3.根據(jù)權(quán)利要求1中步驟(2)所述的混合粉末中，各成分及其質(zhì)量分?jǐn)?shù):A11%?45%，Sb 1% ?10%，Y2O3 0.3% ?3%，余量 Ti。
【專利摘要】發(fā)明公開了一種用化學(xué)方法制備非晶化激光重熔梯度復(fù)合材料的方法。步驟如下：將一定質(zhì)量比例Ti-Al粉末激光熔化沉積于鈦合金基材，用激光器和同軸送粉器對鈦合金試樣表面進行激光熔化沉積工藝處理。激光同軸送粉時激光束、粉末輸送同步進行，可有效提高沉積層的質(zhì)量與粉末利用率。工藝參數(shù)：激光功率0.20～3.2kW，光斑直徑0.5～8mm，掃描速度2～18mm/s，送粉率8～38g/min，采用氬氣充滿激光處理所用箱體作為保護氣，多道搭接率35%。激光重熔也在氬氣保護箱中進行，重熔時工藝參數(shù)與之前相同，但熔覆材料為Ti-Al-Sb-Y2O3。本發(fā)明能夠獲表層呈非晶態(tài)且具有極高硬度的梯度復(fù)合材料。
【IPC分類】C23C24-10, C22C30-00, C22C14-00
【公開號】CN104831276
【申請?zhí)枴緾N201510278133
【發(fā)明人】李嘉寧, 張元彬, 劉鵬, 孫俊華, 石磊
【申請人】山東建筑大學(xué)
【公開日】2015年8月12日
【申請日】2015年5月28日