CN101709468A - 激光感应复合熔覆快速制备梯度金属陶瓷复合材料的方法 - Google Patents

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周圣丰
杜楠
曾晓雁
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Abstract

一种激光感应复合熔覆快速制备梯度金属陶瓷复合材料的方法，其特征是方法步骤为：(1)在计算机中利用专用CAD软件或反求技术生成梯度金属陶瓷复合材料零件的三维CAD实体模型；(2)生成加工程序；(3)将基材表面与感应线圈之间的距离控制在2～10mm内；(4)将聚焦后的CO2激光束定位于感应加热区内；(5)将激光感应复合熔覆加工头沿Z轴上升到与CAD二维薄片厚度相等的距离。本发明的优点是：(1)获得陶瓷相沿材料厚度方向在0～100wt.％连续可调的大块体金属陶瓷复合材料零件；(2)大幅度提高了激光能量的利用率与激光熔覆效率；(3)获得组织致密且无裂纹的金属陶瓷复合材料；(4)制造的过程中不需要专用工具和夹具，柔性好；(5)制造的梯度金属陶瓷复合材料力学性能、耐磨损与耐腐蚀性能大幅度提高。

Description

激光感应复合熔覆快速制备梯度金属陶瓷复合材料的方法
技术领域
本发明涉及一种制备梯度金属陶瓷复合材料的方法，尤其涉及一种激光感应复合熔覆快速制备梯度金属陶瓷复合材料的方法。
背景技术
通过将高熔点、高硬度的陶瓷相镶嵌于具有一定塑性与韧性的金属基内而形成金属陶瓷复合材料，可以大幅度提高许多关键零件如采矿与切割工式具以及机械加工部件等在磨损与腐蚀环境中的使用寿命。
目前，制备金属陶瓷复合材料的方法主要有堆焊、等离子喷涂与激光熔覆等。但是，受制备工艺所限，上述方法仅能在金属材料表面制备成形金属陶瓷复合涂层或小块体金属陶瓷复合材料，而且还存在某些缺陷。例如，采用堆焊方法制备金属陶瓷复合涂层的过程中，由于热源的输入功率较大，不但使陶瓷相发生大量的烧损，导致涂层的硬度与耐磨性降低，而且容易使涂层的稀释率与基材的热影响变大，导致基材发生严重的变形；采用等离子喷涂方法制备的金属陶瓷复合涂层与基材呈机械结合，在使用的过程中易剥落；采用激光熔覆方法制备的金属陶瓷复合涂层具有组织致密、稀释率低、与基材呈冶金结合等优点，但是金属陶瓷复合涂层与基材间存在热膨胀失配问题，在热冲击与热疲劳的作用下由于应力集中导致金属陶瓷复合涂层开裂。在激光熔覆过程中，对涂层采用梯度结构设计，被认为是最有利于消除裂纹的方法之一，它可以连续地改变涂层的化学成分、组织结构以及力学性能，减小或避免结合部位由于性能不匹配而导致涂层开裂。例如，黄卫东等人(黄卫东，林鑫，陈静.一种梯度材料的激光快速制备成形方法，CN 01131777.9，2001)就提出了一种可以根据结构设计的需要，在梯度过渡区制备成形过程中加入异质组分，从而制备成形多材料任意复合梯度材料的激光快速成形方法，但是该方法很难制备陶瓷相含量高且无裂纹的梯度金属陶瓷复合材料，而且其成形速度偏低。
因此，上述仅能在金属材料表面制备金属陶瓷复合涂层或小块体梯度金属陶瓷复合材料的方法，已不能满足工业领域对大块体金属陶瓷复合材料日益增长的应用要求。
近年来，激光感应复合熔覆技术可以在熔覆效率提高1～5倍的条件下，制备高性能且无裂纹的金属陶瓷复合涂层引起了人们的广泛兴趣(ZhouShengfeng，Huang Yongjun，Zeng Xiaoyan，Hu Qianwu.Microstructurecharacteristics of Ni-based WC composite coatings by laser induction hybridrapid cladding.Materials Science and Engineering：A，2008，480(1-2)：564-572)。但是，关于采用激光感应复合熔覆技术制备陶瓷相含量高且无裂纹的大块体金属陶瓷复合材料并末见文献报道。
发明内容
本发明的目的在于提供一种激光感应复合熔覆快速制备梯度金属陶瓷复合材料的方法，该方法解决陶瓷相含量高、梯度结构精确可控、具有热应力缓冲功能以及无裂纹的高性能大块体梯度金属陶瓷复合材料的快速成形制备技术。
本发明是这样来实现的，其特征是方法步骤为：
(1)在计算机中利用专用CAD软件或反求技术生成梯度金属陶瓷复合材料零件的三维CAD实体模型，并根据加工精度和梯度结构设计的要求将该CAD模型切割成若干相互平行的薄片，从而将零件的三维数据信息转换成一系列二维平面数据；
(2)根据每一层的平面数据设计合理的激光感应复合熔覆热源的扫描轨迹，生成加工程序，并将之传递给数控工作台，由数控工作台实现激光感应复合熔覆热源按照加工程序确定的扫描轨迹进行扫描；
(3)将基材表面与感应线圈之间的距离控制在2～10mm内，通入电流至感应线圈，并调节感应加热功率，使基材表面被感应加热的温度为500～1000℃；
(4)将聚焦后的CO2激光束定位于感应加热区内，实现激光热源与感应加热源的复合，激光感应复合熔覆热源在运动指令的控制下进行扫描，同时根据梯度金属陶瓷复合材料的结构设计要求，精确控制双斗自动送粉器向激光感应复合熔覆热源形成的熔池内送入的复合粉末流量，复合粉末在熔池内发生熔化并在基材的表面铺开，当激光感应复合熔覆热源移开后，熔融层冷却并凝固结晶形成与切片形状一致的一层材料；
(5)当激光感应复合熔覆完一层之后，将激光感应复合熔覆加工头沿Z轴上升到与CAD二维薄片厚度相等的距离，同时，调节双斗自动送粉器的两个装料斗的送粉率，使陶瓷相在复合粉末内的质量百分含量增加0～100wt.％，然后按照下一层的扫描轨迹进行激光感应复合熔覆，当所有的二维薄片都被扫描完成后，最终形成三维梯度金属陶瓷复合材料零件。
本发明所述的梯度金属陶瓷复合材料由粘结金属与陶瓷相组成，陶瓷相在粘结金属中的质量百分含量在0～100wt.％范围内，其中粘结金属为Ni基合金、Co基合金、Fe基合金，陶瓷相为高硬度、高熔点的氧化物、碳化物、硅化物或金属间化合物。
本发明所述在步骤(3)时，在激光感应复合熔覆第一层的过程中，将基材表面与感应线圈之间的距离控制在2～10mm内；当激光熔覆感应复合熔覆完第一层之后，将熔覆材料表面与感应线圈之间的距离控制在2～10mm内。
本发明所述在步骤(4)时，聚焦激光束定位于感应加热区内，实现激光热源与感应加热源的复合，且感应线圈上安装有导磁体。
本发明所述利用CAD软件对零件模型进行分层切片，利用CAM软件精确控制双斗自动送粉器的送粉率、感应加热功率与激光感应复合熔覆热源的扫描轨迹。
本发明所述反应技术是指采用三维数字化测量设备准确、快速测得梯度金属陶瓷复合材料零件轮廓的几何数据，并加以建构、编辑、修改生成通用输出格式的曲面数字化模型，再送入CAD/CAM系统中生成数控加工路径，从而复制出该零件的实体模型。
本发明所述的激光功率为2～10kW，激光扫描速度为1～15m/min，感应加热功率为10～300kW，粉末喷头的末端与基材表面的垂直距离距离为8～15mm，粉末流量为1～15kg/h，激光束光斑直径为0.5～20mm。
本发明所述的Ni基合金优选Ni60A与Ni45，Co基合金优选stellite-6与Inconel 625，Fe基合金优选Fe60与Incoloy 903，高硬度、高熔点的氧化物优选Al2O3与ZrO2，碳化物优选WC、SiC与TiC，硅化物优选MoSi2与CoSi2，金属间化合物优选NiAl、TiAl与FeAl。
本发明的优点是：(1)通过精确控制双斗自动送粉器的送粉率，可以获得陶瓷相沿材料厚度方向在0～100wt.％连续可调的大块体金属陶瓷复合材料零件。
(2)在预热的同时进行激光熔覆，使得激光束的能量主要用于加热合金粉末，大幅度提高了激光能量的利用率与激光熔覆效率。
(3)激光熔覆每一层时都经过了感应预热处理，大幅度降低了激光熔覆过程中的温度梯度，同时结合梯度结构设计，可以将层与层之间的界面应力完全消除，从而获得组织致密且无裂纹的金属陶瓷复合材料。
(4)可以方便快捷地制备传统工艺难以制备甚至无法制备的复杂外形和内腔结构等陶瓷相含量高的梯度结构材料，而且制造的过程中不需要专用工具和夹具，柔性好。
(5)为近净成形快速制造技术，制备的梯度金属陶瓷复合材料零件最终只需要少量精加工或不需要加`能显著降低制造成本与缩短制造周期，而且制造的梯度金属陶瓷复合材料力学性能、耐磨损与耐腐蚀性能大幅度提高。
附图说明
图1为本发明梯度金属陶瓷复合材料激光感应复合熔覆快速成形系统的示意图。
图2为本发明激光感应复合熔覆快速成形专用感应线圈的示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例子对本发明作进一步说明。
本发明是一种大块体梯度金属陶瓷复合材料，它主要由粘结金属与陶瓷相组成，其中陶瓷相沿材料厚度方向呈梯度增加的镶嵌于粘结金属中。所述的粘结金属为Ni基、Co基或Fe基合金；所述的陶瓷相为高熔点、高硬度的氧化物如Al2O3与ZrO2等、碳化物如WC、TiC与SiC等、硅化物如MoSi2或金属间化合物如TiAl、NiAl与FeAl等。
本发明采用激光感应复合熔覆的方法快速制备大块体金属陶瓷复合材料零件，包括下列步骤：
(1)在计算机中利用专用CAD软件或反求技术生成梯度金属陶瓷复合材料零件的三维CAD实体模型，并根据加工精度和梯度结构设计的要求将该CAD模型切割成一系列具有一定厚度且相互平行的薄片，从而将零件的三维数据信息转换成一系列的二维平面数据。
(2)根据每一层的平面数据设计合理的激光感应复合熔覆热源的扫描轨迹，生成加工程序，并将之传递给数控工作台，由数控工作台实现激光感应复合熔覆热源按照加工程序确定的扫描轨迹进行扫描。
(3)将基材表面与感应线圈之间的距离控制在2～10mm内，通入电流至感应线圈，并调节感应加热功率，使基材表面被感应加热的温度为500～1000℃。
(4)将聚焦后的CO2激光束定位于感应加热区内，实现激光热源与感应加热源的复合。激光感应复合熔覆热源在运动指令的控制下进行扫描，同时根据梯度金属陶瓷复合材料的结构设计要求，精确控制双斗自动送粉器的送粉率，复合粉末经同轴粉末喷头传输到激光感应复合熔覆热源形成的熔池内发生熔化并在基材的表面铺开，当激光感应复合熔覆热源移开后，熔融层冷却并凝固结晶形成与薄片形状一致的一层材料。
其中，复合粉末由粘结金属粉末与陶瓷相颗粒组成，它们分别被装在双斗自动送粉器的两个装料斗内，通过精确控制双斗自动送粉器的送粉率，可以获得陶瓷相含量不同的复合粉末。
另外，在激光感应复合熔覆过程中，激光功率为2～10kW，激光扫描速度为1～15m/min，感应加热功率为10～300kW，粉末喷头的末端与基材表面的垂直距离为8～15mm，粉末流量为1～15kg/h，激光束光斑直径为0.5～20mm。
(5)当激光感应复合熔覆完一层之后，将激光感应复合熔覆加工头沿Z轴上升一段距离，该距离与CAD二维薄片的厚度相等，同时，调节双斗自动送粉器的两个装料斗的送粉率，使陶瓷相在复合粉末内的质量百分含量增加0～100wt.％，然后按照下一层的扫描轨迹进行激光感应复合熔覆，当所有的二维薄片都被扫描完成后，最终形成三维梯度金属陶瓷复合材料零件。
如图1所示，实现上述方法的装置包括计算机1、激光器2、导光系统3和聚焦系统5、双斗自动送粉器14、感应加热装置和激光感应复合加工数控工作台。
激光器2、导光系统3和聚焦系统5位于同一光路上，其中导光系统3与激光感应复合加工头4相连，聚焦系统5位于激光感应复合加工头4内。其中，激光感应复合加工头4由聚焦系统5、同轴粉末喷头6与感应线圈8组成。激光器2发出的激光束经过导光系统3传输到聚焦系统5被聚焦成圆形光斑后，穿过同轴粉末喷头6并辐射到基材11或材料10的表面。感应线圈8固定于粉末喷头6上且位于同轴粉末喷头6与基材11之间。
当激光感应复合熔覆第一层时，激光器2发出的激光束经过导光系统3传输到聚焦系统5后被聚焦成圆形光斑后，穿过同轴粉末喷头6并辐射到基材11的表面；当激光感应复合熔覆完第一层之后，激光束则辐射到材料10的表面。
双斗自动送粉器14包括两个装料斗13、13’以及同轴粉末喷头6，同轴粉末喷头6固定在激光感应复合加工头4上，并随激光感应复合加工头4沿Z轴方向运动；同轴粉末喷头6与基材11的表面垂直，其末端与基材11表面的垂直距离为10～15mm。激光感应复合熔覆时，调节双斗自动送粉器14的两个装料斗13、13’的送粉率，并利用氩气通过同轴粉末喷头6将含有不同质量百分比陶瓷相的复合粉末7吹入激光感应复合熔覆热源形成的熔池内(吹出的氩气还可以起到防止熔池氧化的作用)，复合粉末7在熔池内熔化并在基材11的表面铺开，当激光感应复合熔覆热源移开后，熔融层冷却并凝固结晶形成一层材料10。
感应加热装置由感应加热电源15和感应线圈8组成，感应线圈8与感应加热电源15相连，用于对基材11或材料10的表面进行加热。激光感应复合熔覆时，将基材11或材料10的表面与感应线圈8之间的距离控制在2～10mm范围内。
激光感应复合加工数控工作台由计算机1、数控机床12组成。计算机1与激光器2、数控机床12、双斗自动送粉器14以及感应加热电源15相连，并控制激光器2的激光输出、激光感应复合加工头4沿Z轴方向的直线运动、数控机床12的运动、双斗自动送粉器14的送粉率以及感应加热电源15的感应加热功率。数控机床12采用两轴联动的控制并作X、Y轴方向的直线运动。
如图2所示，为提高感应线圈8对基材11或材料10表面的加热效率，在感应线圈8上安装有专用导磁体9。
实例一
制备NiCrAlY-ZrO2梯度金属陶瓷复合材料零件，该零件具有航空发动机叶片的结构，叶片根部为NiCrAlY合金，由下而上以ZrO2质量百分比从0％到100％进行变化，叶片的尖部为纯ZrO2材料。
本实施例的实施过程为：
(1)首先通过计算机1对NiCrAlY-ZrO2航空叶片材料零件进行模型设计与分层“切片”处理：在计算机1中生成该零件的三维CAD模型，并根据加工精度和梯度结构设计要求将该模型切割成一系列具有一定厚度且相互平行的薄片，即进行“切片”处理，从而将零件的三维数据信息转换成一系列二维平面数据信息，形成一系列平行于X-Y平面的激光感应复合熔覆热源的扫描轨迹，并传递到激光感应复合加工数控工作台的数控机床12。
(2)将基材11或材料10的表面与感应线圈8之间的距离调整为5mm，通入电流至感应线圈8，并利用计算机1调节感应加热电源15的感应加热功率为100kW，使基材11或材料10的表面被感应加热的温度为600℃。
当激光感应复合熔覆第一层时，控制基材11的表面与感应线圈8之间的距离为8mm，并使基材11的表面被感应加热的温度为800℃；当激光感应复合熔覆完第一层后，控制材料10的表面与感应线圈8之间的距离为8mm，并使材料10的表面被感应加热的温度为600℃。
(3)将聚焦后的CO2激光束定位于感应加热区内，实现激光热源与感应加热源的复合。激光感应复合熔覆热源在运动指令的控制下在基材11的表面进行扫描，同时根据梯度金属陶瓷复合材料的结构设计要求，利用计算机1精确控制双斗自动送粉器14的两个装料斗13与13’的送粉率，复合粉末7经同轴粉末喷头6传输到激光感应复合熔覆热源形成的熔池内发生熔化并在基材11的表面铺开，当激光感应复合熔覆热源移开后，熔融层冷却并凝固结晶形成与切片形状一致的材料10。
在激光感应复合熔覆过程中，激光功率为5kW，激光扫描速度为3m/min，粉末喷头的末端与基材表面的垂直距离为8mm，复合粉末流量为7kg/h，激光束光斑直径为5mm。
(4)当激光感应复合熔覆完一层之后，将激光感应复合熔覆加工头4按程序设定沿Z轴上升一段距离，该距离与“切片”的厚度相等，同时，调节双斗自动送粉器的两个装料斗的送粉率，使陶瓷相在复合粉末7内的质量百分含量增加15wt.％，然后按照下一层的扫描轨迹进行激光感应复合熔覆，当所有的二维薄片都被扫描完成后，最终形成NiCrAlY-ZrO2航空发动机叶片零件。
实例二
制备Sellite6-WC空心轴类梯度金属陶瓷复合材料零件，该零件的内表面为Sellite6合金，由内向外沿径向以WC颗粒的质量百分比从0％到100％进行变化，是外层为纯WC材料。
(1)首先通过计算机1对Sellite6-WC空心轴类梯度金属陶瓷复合材料零件进行模型设计与分层“切片”处理：在计算机1中生成该零件的三维CAD模型，并根据加工精度和梯度结构设计要求将该模型切割成一系列具有一定厚度且相互平行的薄片，即进行“切片”处理，从而将零件的三维数据信息转换成一系列二维平面数据信息，形成一系列平行于X-Y平面的激光感应复合熔覆热源的扫描轨迹，并传递到激光感应复合加工数控工作台的数控机床12；
(2)将基材11或材料10的表面与感应线圈8之间的距离调整为10mm，通入电流至感应线圈8，并利用计算机1调节感应加热电源15的感应加热功率为280kW，使基材11或材料10的表面被感应加热的温度为950℃。
当激光感应复合熔覆第一层时，控制基材11的表面与感应线圈8之间的距离为10mm，并使基材11的表面被感应加热的温度为950℃；当激光感应复合熔覆完第一层后，控制材料10的表面与感应线圈8之间的距离为10mm，并使材料10的表面被感应加热的温度为950℃。
(3)将聚焦后的CO2激光束定位于感应加热区内，实现激光热源与感应加热源的复合。激光感应复合熔覆热源在运动指令的控制下在基材11的表面进行扫描，同时根据梯度金属陶瓷复合材料的结构设计要求，利用计算机1精确控制双斗自动送粉器14的两个装料斗13与13’的送粉率，复合粉末7经同轴粉末喷头6传输到激光感应复合熔覆热源形成的熔池内发生熔化并在基材11的表面铺开，当激光感应复合熔覆热源移开后，熔融层冷却并凝固结晶形成与切片形状一致的一层材料10。
在激光感应复合熔覆过程中，激光功率为10kW，激光扫描速度为15m/min，粉末喷头的末端与基材表面的垂直距离为15mm，复合粉末流量为15kg/h，激光束光斑直径为18mm。
(4)当激光感应复合熔覆完一层之后，将激光感应复合熔覆加工头4按程序设定沿Z轴上升一段距离，该距离与CAD二维薄片的厚度相等，同时，增加陶瓷相的送粉率，使陶瓷相在复合粉末8内的质量百分含量增加25wt.％，然后按照下一层的扫描轨迹进行激光感应复合熔覆，当所有的二维薄片都被扫描完成后，最终形成Sellite6-WC空心轴类梯度金属陶瓷复合材料零件。

Claims (8)

1.一种激光感应复合熔覆快速制备梯度金属陶瓷复合材料的方法，其特征是方法步骤为：
(1)在计算机中利用专用CAD软件或反求技术生成梯度金属陶瓷复合材料零件的三维CAD实体模型，并根据加工精度和梯度结构设计的要求将该CAD模型切割成若干相互平行的薄片，从而将零件的三维数据信息转换成一系列二维平面数据；
(2)根据每一层的平面数据设计合理的激光感应复合熔覆热源的扫描轨迹，生成加工程序，并将之传递给数控工作台，由数控工作台实现激光感应复合熔覆热源按照加工程序确定的扫描轨迹进行扫描；
(3)将基材表面与感应线圈之间的距离控制在2～10mm内，通入电流至感应线圈，并调节感应加热功率，使基材表面被感应加热的温度为500～1000℃；
(4)将聚焦后的CO2激光束定位于感应加热区内，实现激光热源与感应加热源的复合，激光感应复合熔覆热源在运动指令的控制下进行扫描，同时根据梯度金属陶瓷复合材料的结构设计要求，精确控制双斗自动送粉器向激光感应复合熔覆热源形成的熔池内送入的复合粉末流量，复合粉末在熔池内发生熔化并在基材的表面铺开，当激光感应复合熔覆热源移开后，熔融层冷却并凝固结晶形成与切片形状一致的一层材料；
(5)当激光感应复合熔覆完一层之后，将激光感应复合熔覆加工头沿Z轴上升到与CAD二维薄片厚度相等的距离，同时，调节双斗自动送粉器的两个装料斗的送粉率，使陶瓷相在复合粉末内的质量百分含量增加0～100wt.％，然后按照下一层的扫描轨迹进行激光感应复合熔覆，当所有的二维薄片都被扫描完成后，最终形成三维梯度金属陶瓷复合材料零件。
2.根据权利要求1所述的激光感应复合熔覆快速制备梯度金属陶瓷复合材料的方法，其特征是梯度金属陶瓷复合材料由粘结金属与陶瓷相组成，陶瓷相在粘结金属中的质量百分含量在0～100wt.％范围内，其中粘结金属为Ni基合金、Co基合金、Fe基合金，陶瓷相为高硬度、高熔点的氧化物、碳化物、硅化物或金属间化合物。
3.根据权利要求1所述的激光感应复合熔覆快速制备梯度金属陶瓷复合材料的方法，其特征是在步骤(3)时，在激光感应复合熔覆第一层的过程中，将基材表面与感应线圈之间的距离控制在2～10mm内；当激光熔覆感应复合熔覆完第一层之后，将熔覆材料表面与感应线圈之间的距离控制在2～10mm内。
4.根据权利要求1所述的激光感应复合熔覆快速制备梯度金属陶瓷复合材料的方法，其特征是在步骤(4)时，聚焦激光束定位于感应加热区内，实现激光热源与感应加热源的复合，且感应线圈上安装有导磁体。
5.根据权利要求1所述的激光感应复合熔覆快速制备梯度金属陶瓷复合材料的方法，其特征是利用CAD软件对零件模型进行分层切片，利用CAM软件精确控制双斗自动送粉器的送粉率、感应加热功率与激光感应复合熔覆热源的扫描轨迹。
6.根据权利要求1所述的激光感应复合熔覆快速制备梯度金属陶瓷复合材料的方法，其特征是反应技术是指采用三维数字化测量设备准确、快速测得梯度金属陶瓷复合材料零件轮廓的几何数据，并加以建构、编辑、修改生成通用输出格式的曲面数字化模型，再送入CAD/CAM系统中生成数控加工路径，从而复制出该零件的实体模型。
7.根据权利要求1所述的激光感应复合熔覆快速制备梯度金属陶瓷复合材料的方法，其特征是激光功率为2～10kW，激光扫描速度为1～15m/min，感应加热功率为10～300kW，粉末喷头的末端与基材表面的垂直距离距离为8～15mm，粉末流量为1～15kg/h，激光束光斑直径为0.5～20mm。
8.根据权利要求2所述的激光感应复合熔覆快速制备梯度金属陶瓷复合材料的方法，其特征是Ni基合金优选Ni60A与Ni45，Co基合金优选stellite-6与Inconel 625，Fe基合金优选Fe60与Incoloy 903，高硬度、高熔点的氧化物优选Al2O3与ZrO2，碳化物优选WC、SiC与TiC，硅化物优选MoSi2与CoSi2，金属间化合物优选NiAl、TiAl与FeAl。
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