CN102350566B - 一种制备梯度功能材料的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种梯度功能材料的制备方法，首先根据待制备的梯度功能材料的成分确定各参与制备的材料种类，主材料使用焊丝材料，梯度成分使用金属粉末材料。两种材料无需混合，而在制造过程中确定其配比。然后在堆焊的同时进行梯度送粉，并根据需要制备的梯度功能材料中复合材料的含量实时调节送粉量，使单位时间内送丝量与送粉量的质量之比与梯度功能材料中复合材料与基材质量之比相同。整个制备过程可在无外加磁场或外加交变磁场的环境下完成，后者有助于制备过程中梯度功能材料组织性能的优化。本发明避免了传统梯度功能材料制备过程中后续处理工艺多、工艺参数控制严格的特点，操作高效简单，制备过程一次完成，适合大批量梯度功能材料零件的制造。

Description

一种制备梯度功能材料的方法

技术领域

本发明涉及梯度功能材料的制备方法，特别是采用磁场复合高能束(离子体束、焊机电弧)热源熔炼制备梯度功能材料的方法。

背景技术

梯度功能材料(Functionally Gradient Materials：FGM)是一种组织、结构、特性参数和物理、化学、生物等单一或复合性能都呈连续变化，以适应不同环境，实现某一特殊功能的一类新型复合材料。由于其性能的独特性而被广泛的应用于航空航天、化学工业、电子、光学、生物医学工程等领域。

目前FGM的制备方法按原料的形态可分为气相法、液相(熔融态)法和固相(粉末)法三种。表1为制备FGM的常用方法。

1、气相沉积法

气相沉积法包括化学气相沉积(CVD)和物理气相沉积(PVD)法，CVD法是通过控制反应气体的浓度或控制CVD条件，在基板上获得连续渐变膜的方法。PVD法是通过物理方法如离子镀，溅射及分子束外延等使源物质蒸发在基体上沉积成膜的一种方法。

2、电沉积法

在含有某种金属离子的电解溶液中将被沉积工件作为阴极，通过一定波形的低压直流电，使金属离子不断在阴极上沉积为金属的过程。主要的工艺方法有电镀、电泳和电铸。

3、等离子喷涂法

等离子喷涂法以气体作载体将喷涂材料(粉末)吹入等离子射流中，使之成熔融态，并以极高的速度喷射至基材表面，形成扁平的层状结构涂层，通过控制喷涂材料的成分可以合成出沿截面具有成分渐变的FGM薄膜材料。

4、自蔓延高温合成法

自蔓延高温合成法也称燃烧合成法，是在点火起燃后利用预先配置好的源物质反应所释放的巨大能量，使合成反应自动进行以制取FGM。

5、粉末冶金法

粉末冶金法是制备FGM最常用的方法。这种方法以各种金属、非金属及化合物粉末为原料，采用一定的工艺成形后，进行烧结后处理，通过控制原料粉末的成分(粒度)、烧结温度、烧结时间等工艺条件，最终可获得沿截面具有连续成分或晶粒度梯度的材料。

发明内容

本发明的目的在于提供一种制备梯度功能材料的方法，该方法避免了上述传统制备工艺过程中间工序过多、工艺参数控制严格、成本昂贵等缺点，制备过程高效，且通过无接触式磁场约束，可更加优化梯度功能材料性能。

本发明制备的梯度功能材料为向基体中加入粉末材料，形成配比连续渐变的梯度分布。其技术方案为：

第一步原料选取

根据待制备的梯度功能材料的成分确定各参与制备的材料种类，主材料因基于分层堆焊制备，使用焊丝材料，梯度成分使用金属粉末材料。

两种材料无需按配比混合，而在制造过程中确定其配比，也是此制造方式的特别之处。

第二步在气体保护焊中制备

在送丝堆焊的同时进行梯度送粉，根据待制备的梯度功能材料中复合材料的含量实时调节送粉量，使单位时间内送丝量与送粉量的质量之比与梯度功能材料中基材与复合材料质量之比相同。

通常而言，单位时间内的送粉量的取值范围为1g/min～15g/min，该步骤使两种材料在堆焊过程中充分熔合以制备梯度功能材料。整个制备过程可在无外加磁场或外加交变磁场的环境下完成。

本发明相对较类似的等离子喷涂法与粉末冶金法，其优势在于：

1.选定原料后，只需更改梯度送粉速度与机床行走速度即可改变梯度功能材料中Al含量的梯度分布，操作高效简单。

2.由于采用梯度送粉与气体保护焊相结合的工艺方法，利用数控设备可规划生成材料的形状，且如发生当期层熔积状况不理想焊层氧化情况，可利于设备进行加工铣削去除不理想层，避免了等离子喷涂法易产生氧化物堆积涂层，影响梯度材料成分性能的缺陷，且克服了传统方法只能制造固定形状结构的缺点，可根据计算机分层切片，规划制造出形状复杂的梯度功能材料零件。

3.克服了传统制备方法制造过程复杂，工序繁多的缺点，制备过程一次完成，适合大批量梯度功能材料零件的制造。

4.使用无接触交变磁场约束影响制备过程，可使复合成份呈连续梯度渐变，改变优化梯度功能材料的组织性能。

附图说明

图1是加入交变磁场装置优化梯度功能材料制备示意图；

图2是实现交变磁场优化同轴送粉装置示意图。

图3是无磁场环境梯度功能材料焊层的金相照片(x400)；

图4是复合电磁场环境梯度功能材料焊层的金相照片(x400)；

图5是交变磁场环境及无磁场环境金属焊层铝含量分布图；

具体实施方式

在实验中已验证了使用无接触式交变磁场优化制备材料的组织性能，有助于材料的组织均匀分布，复合成份呈连续梯度渐变。因此在制备之前设备安装时如图1所示，可将载流线圈2安置于焊枪1出口处，位于焊道3之上。在制备过程中同时在载流线圈中加载交流电产生交变磁场，以达到优化梯度功能材料性能的目的。

本发明所提供的制备梯度功能材料的方法，其操作步骤为：

1.原料选取

原料的选择需按照待制备的梯度功能材料的成分确定各参与制备的材料种类，主材料使用焊丝材料以焊接送丝系统送入，复合材料使用金属粉末材料，以送粉器送入，两种材料无需混合而是分别置入相应的系统装置中以待制备，在制造过程中确定其配比。本发明适用于制备各种金属/合金钢梯度功能材料，金属的材质选取使用粉末材料，各类合金钢使用焊丝材料。

2.设备安装

(1)根据分层堆焊制造需要，确定焊接设备及梯度送粉设备的初始工作参数，编制好机床运动轨迹代码。参照实验数据结果设定焊机单位时间送丝量与送粉器单位时间送粉量呈一定的比例关系，据此刻改变梯度功能材料中材料的不同比例。

(2)进行设备安装，本系统采用送丝焊枪同轴送粉法实现材料的制备过程中充分熔合，同轴送粉是指将送粉系统与送丝系统相连接进行焊接的装置，如图2所示，送粉系统的送粉管4通过两头开口中通的倒圆锥5与焊枪1形成同轴送粉中间送丝的结构，结合图1加磁装置位置，线圈2可安置在焊枪口处。此装置保证了混合材质在熔积过程的充分熔合。机床运动代码的编写可根据需要制造的梯度功能材料零件编写，并根据零件形状进行定制。

最后将加装隔热绝缘涂层的载流线圈套在焊枪上方，在制备过程中可对堆焊区域形成交变磁场影响以优化制备件性能。

3.材料制备

在保护介质或是真空环境下，对原料采用梯度送粉与气体保护焊相结合的方法进行熔积堆焊制造，在堆焊开始的同时送粉器开始按初始速度进行送粉，一旦当前层堆焊结束即呈梯度的增加送粉速度，实现变速送粉改变复合材料成分配比。整个制备过程可在无外加磁场或外加交变磁场的环境下完成。

在制备过程中对载流线圈始终加载交流电产生交变磁场影响整个堆焊区域。施加电流的频率和电流的大小需要根据材料和制备环境的不同而调整。

此工序需要注意同轴送粉器速度的改变要与机床运行轨迹相配合，在每次当前层堆积完毕，机床提升Z轴高度时，需要同时改变同轴送粉器送粉速度以满足梯度功能材料设定的梯度要求。实现同步匹配，节省材料提高效率。

实例

实例1：采用同轴送粉结合熔化极氩弧焊制备梯度功能材料

使用脉冲MIG焊作为梯度功能材料成形工艺，保护气为氩气。采用直径为1.0mm CrNi合金钢焊丝，铝粉作为材料。采用同轴送粉装置使铝粉与焊丝在熔化中充分融合。

半自动弧焊机参数设定如下：焊丝为CrNi钢，焊丝直径为1.0mm，保护气为氩气，程序为脉冲模式。氩弧焊基本参数设定见表2。实施送丝堆焊的同时送粉器同时送粉，送粉器的初始速度设置为1.0g/min，在当前层焊接完毕后开始下一层焊接之前将送粉器的送粉速度增加3.0g/min直至堆焊完毕。最终制备的梯度材料组织成分如表3所示，梯度材料金相图如图3所示。

实例2：交变磁场约束下同轴送粉结合熔化极氩弧焊制备梯度功能材料

使用脉冲MIG焊作为梯度功能材料成形工艺，保护气为氩气。采用直径为1.6mm CHW-50C6低合金刚焊丝，铝粉作为材料。材料的熔合仍使用同轴送粉法，在送丝的同时使用送粉器进行同轴送粉。

实验过程中，始终对线圈加载交流电产生交变磁场。制备时相关参数设定如表4所示。

送粉器的初始速度设置为1.0g/min，在当前层焊接完毕后开始下一层焊接之前将送粉器的送粉速度增加2.0g/min直至堆焊完毕。最终制备的梯度材料组织成分如表5所示。梯度材料金相图如图4所示。

图5为使用交变磁场约束及无磁场环境下金属焊层中铝含量分布对比，从图中可知，此梯度功能材料制备方式，结合交变磁场约束效果最佳。

本发明不仅局限于上述具体实施方式，本领域一般技术人员根据本发明公开的内容，可以采用其它多种具体实施方式实施本发明，因此，凡是采用本发明的设计结构和思路，做一些简单的变化或更改的设计，都落入本发明保护的范围。

表1常用FGM制备方法表

表2无磁场制备梯度功能材料基本参数

表3无外加磁场时制备的梯度材料组织成分

焊层	C	O	Al	Si	S	Cr	Mn	Fe	Ni	Mo	百分比
												1	1.18		1.72	0.59	0.64	14.68	1.27	70.94	8.98		100.00
2	2.46		1.70	0.49		15.80	0.97	67.21	9.08	2.29	100.00

3	2.02	0.70	2.92	0.52		15.14	1.12	66.33	9.05	2.20	100.00
												4		0.80	2.97	0.61	0.59	15.74	1.14	69.01	9.14		100.00
5		0.77	3.28	0.48		15.62	1.43	66.70	9.80	1.92	100.00

表4外加交变磁场制备梯度功能材料基本参数

表5外加交变磁场时制备的梯度材料组织成分

焊层	C	O	Al	Si	S	Cr	Mn	Fe	Ni	Mo	百分比
												1		0.69	0.72	0.59		15.97	0.93	69.55	9.79	1.76	100.00
2	1.22	0.68	1.71	0.50		15.21	1.16	68.51	9.09	1.92	100.00
												3	1.13	0.55	2.21	0.36		15.30	1.05	67.36	9.23	2.41	100.00
4	1.16		2.44	0.45	0.67	15.74	1.54	68.30	9.70		100.00
												5	1.27	0.81	3.37	0.56		15.18	1.24	65.85	9.94	1.78	100.00

Claims (1)

1.一种用于制备金属/合金钢梯度功能材料的方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：

第一步、原料选取

根据待制备的金属/合金钢梯度功能材料的成分确定各参与制备的材料种类，其中合金钢作为主材料使用焊丝材料且以焊接送丝系统送入，金属作为复合材料使用金属粉末且以与所述焊接送丝系统相连通的送粉器送入；这两种材料无需按照配比预先混合，而是在制造过程中确定其配备；

第二步、在气体保护焊和外加交变磁场的环境中制备

在送丝堆焊的同时以同轴送粉的方式执行梯度送粉，并根据待制备的梯度功能材料中复合材料的含量，通过改变所述送粉器的送粉速度来实时调节金属送粉量，使得单位时间内送丝量与送粉量的质量之比与梯度功能材料中主材料与复合材料质量之比相同，以此方式，使得上述两种材料得以在堆焊过程中确定其配备，并实现充分熔合。