CN103540930A - 一种采用纳米材料增强的激光熔覆成形复合材料的制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种采用纳米材料增强的激光熔覆成形复合材料的制造方法，该复合材料为一种或多种纳米材料分散在一种或多种基质材料中形成的使用激光熔覆成形的复合材料，纳米材料在基体材料中的种类和分布可根据使用需要安排，纳米材料有多种形式可以选择，例如纳米颗粒、纳米管、纳米线、纳米纤维和其组合，基质材料选择各种适于激光熔覆成形技术的材料，例如金属，陶瓷，聚合物和其组合，该制造方法包含多种操作和步骤，用以制造采用纳米材料增强的激光熔覆成形复合材料。本发明使用了纳米材料对激光熔覆成形材料进行增强，提高了激光熔覆成形材料的性能，同时激光熔覆成形技术的快速高效，大大缩短了纳米复合材料的制造时间，提高了纳米复合材料的生产效率，实现了纳米复合材料的高速生产。
Description
技术领域
本发明涉及一种采用纳米材料增强的激光熔覆成形复合材料的制造方法，适用于航空航天、船舶和车辆等工业领域的快速制造。
背景技术
纳米材料是特征尺度至少在一个方向上为纳米量级的材料。因其尺寸极小，纳米材料具有不同的表面电子结构和晶体结构，并具有宏观物体所没有的量子效应、小尺寸效应、表面效应和界面效应，也因此具有宏观物体所没有的优异的力学、电磁学和化学特性。在复合材料领域，纳米材料是理想的增强、增韧相，如纳米管、纳米线和纳米纤维能在裂尖桥连，形成止裂机制，提高材料抵抗断裂和疲劳破坏的能力。
激光熔覆成形技术属于从1987年开始发展起来的快速成型技术（RP,RapidPrototyping）。该技术是一种新型的增材制造技术，不需要使用任何的模具和切削工艺，通过逐层地堆积，直接从CAD数字模型得到任意形状的三维实体模型。这项技术具有节约材料，方便高效和智能化等特点。
上述的技术虽然取得了较好的效果，但是也存在一些问题。一方面，纳米材料虽然在复合材料领域广泛使用，但是传统的制造方法难以控制在复合材料内部各处纳米材料的种类和比例，导致纳米材料利用的效率不高。另一方面，激光熔覆成形采用逐层堆积的制造方法，成形材料内部不够紧密，且容易产生裂纹等各种缺陷，力学性能不高，尤其是疲劳和断裂性能较差等。所以，设计一种方法将纳米材料与激光熔覆成形技术的优点结合起来，弥补两种技术的不足，是一件很有价值的工作。
发明内容
本发明的目的在于：克服现有技术的不足，提供一种采用纳米材料增强的激光熔覆成形复合材料的制造方法，用纳米材料对激光熔覆成形材料进行增强，制造高性能的激光熔覆成形复合材料。本发明包含采用纳米材料增强的激光熔覆成形复合材料和相关的制造方法。该复合材料包含一种或多种基质材料和分散在其中起增强作用的一种或多种纳米材料。基质材料可以选择金属、陶瓷、聚合物或其组合，纳米材料可以选择纳米颗粒、纳米管、纳米线、纳米纤维或其组合。
本发明采用的技术方案为：一种采用纳米材料增强的激光熔覆成形复合材料的制造方法，所述的复合材料包括至少一种纳米结构和至少一种基质材料，复合材料制造的实现步骤如下：
步骤（1）、设计所需的复合材料结构，确定复合材料结构内部各处添加纳米材料的种类及比例，并将复合材料结构分解为一系列有厚度的待加工的曲面；
步骤（2）、使用激光束作为能源，聚焦在可受控制移动的衬板上或已加工好的曲面上产生高温，形成熔池；
步骤（3）、将基质材料与纳米材料混合粉末与激光同轴送入熔池；
步骤（4）、基质材料与纳米材料在熔池中共同凝固；
步骤（5）、在控制系统控制下，移动激光束焦点在待加工曲面上的位置，使熔池移动的轨迹覆盖整个待加工的曲面以完成加工，同时保持基质材料与纳米材料不断送入熔池；
步骤（6）、不断重复步骤（5）加工下一待加工曲面直至形成设计的复合材料结构。
其中，熔池温度应不低于至少一种基质材料包含成分的熔点。
其中，基质材料选择金属、陶瓷和聚合物中任一种，或任意两种组合，或三种组合。
其中，基质材料应制成粉末，粉末颗粒的直径上限应小于待加工曲面的厚度下限。
其中，基质材料是金属或陶瓷，或其组合；选择进行覆膜处理或者不进行覆膜处理，粘结剂选择金属粘结剂、塑料粘结剂和无机粘结剂中任一种，或任意两种组合，或三种组合。
其中，复合材料结构的待加工曲面为平面或曲面，或其组合。
其中，纳米材料选择纳米颗粒、纳米管、纳米线和纳米纤维中任一种，或任意两种组合，或任意三种组合，或四种组合。
其中，促进纳米材料在基体材料中分散的方法包括：
（1）、超声波法；或者，
（2）、机械搅拌；或者，
（3）、制备纳米材料粉末时，对纳米材料粉末进行化学表面改性处理；或者，
（4）、向纳米材料粉末中加入分散剂；或者，
（5）、以上方法的组合。
其中，移动激光束焦点在待加工曲面上位置的方法包括：
（1）、调整激光束光源的位置和角度，使激光束焦点位于待加工曲面上不同位置；或者，
（2）、调整激光束光路上光学元件的布置，使激光束焦点位于待加工曲面上不同位置；或者，
（3）、调整衬板的位置，使激光束的焦点位于待加工曲面上不同位置；或者，
（4）、以上3种方法的组合。
其中，激光束焦点在待加工曲面上移动的速度大小可根据成形质量的要求调整。
其中，所述方法的至少一部分在惰性气氛中进行。
其中，惰性气氛至少选择氮气、氩气和二氧化碳中的一种气体。
所述步骤（1）设计所需的复合材料结构，确定复合材料结构内部各处添加纳米材料的种类及比例，并将复合材料结构分解为一系列有厚度的待加工的曲面实现过程为：
a)根据使用需要使用CAD软件设计复合材料结构，并建立相应的3D模型；
b)主要根据复合材料的使用需要确定纳米材料种类和比例，如表面可选用增加硬度的纳米材料，内部受力部位可选用增加强度的纳米材料；
c)根据复合材料的特点，将3D模型分解为一系列待加工的曲面。
所述步骤（2）使用激光束作为能源，聚焦在可受控制移动的衬板上或已加工好的曲面上产生高温，形成熔池实现过程为：
a)调整激光源、激光光路上的光学元件或衬板，使激光能聚焦于衬板上或已加工好的曲面上；
b)打开激光，使激光聚焦于衬板上或已加工好的曲面上产生高温；
c)高温使衬板或已加工好的曲面熔化，形成熔池。
所述步骤将（3）基质材料与纳米材料混合粉末与激光同轴送入熔池实现过程为：
a)将基质材料粉末与纳米材料粉末分别装入送料装置；
b)送料装置根据纳米材料在复合材料中的种类和比例，调节基质材料与纳米材料的送料速率，并混合基质材料粉末与纳米材料粉末；
c)送料装置将基质材料与纳米材料混合粉末与激光同轴送入熔池。
所述步骤（4）基质材料与纳米材料在熔池中共同凝固实现过程为：
a)熔池的高温，使进入熔池的基质材料融化；
b)熔池内部存在流动，使纳米粉末随之分散于整个熔池；
c)因激光束焦点在待加工曲面上不断移动，由于失去激光作为热源，且存在热辐射和热传导耗散热量，加工曲面上某处的熔池会自然冷却，其中的基质材料和纳米材料共同凝固为复合材料。
所述步骤在（5）控制系统控制下，移动激光束焦点在待加工曲面上的位置，使熔池移动的轨迹覆盖整个待加工的曲面以完成加工，同时保持基质材料与纳米材料不断送入熔池实现过程为：
a)根据待加工曲面的形状，设计激光束焦点在待加工曲面上移动的轨迹和速度；
b)由控制系统发出指令，调整激光源、激光光路上的光学元件和衬板的至少一部分的位置和状态，以使激光束焦点在待加工曲面上的按设计的轨迹和速度运动，使熔池的位置也随之改变，最终熔池运动轨迹覆盖整个待加工曲面；
c)在此过程中，保持向熔池内送入基质材料和纳米材料。
本发明的优点在于：
（1）、本发明采用纳米材料来增强激光熔覆成形材料，可以提高激光熔覆成形材料的性能。例如其中纳米颗粒材料、纳米管、纳米线和纳米纤维能增强材料的力学性能，在裂尖桥连增韧，形成止裂机制。使具有更高性能的激光熔覆成形材料能适应更多的应用领域。
（2）、本发明采用激光熔覆成形技术来生产纳米复合材料，大大缩短了纳米复合材料的制造时间，提高了纳米复合材料的生产效率，实现了纳米复合材料的高速生产。
（3）、本发明采用的方法可以使纳米材料在复合材料结构中根据需要分布，提高了复合材料中纳米材料使用的效率。
附图说明
图1为本发明所涉及的采用纳米材料增强的激光熔覆成形材料的微观示意图，1为纳米材料，2为基体；
图2为本发明实现的流程图。
具体实施方式
如图1所示，本发明的材料具体实现为纳米材料分散于基体材料形成的复合材料。其中基体材料起支撑和连接的作用，形成整个复合材料的形状，连接基体中分散的纳米材料并承受和传递材料内外的各种载荷，纳米材料对基体起增强作用，提高整个结构的性能。
如图2所示，本发明的实现方法具体为：
（1）设计所需的复合材料结构，确定复合材料结构内部各处添加纳米材料的种类及比例，并将复合材料结构分解为一系列有厚度的待加工的曲面；
根据使用的需要使用CAD软件设计复合材料结构，并建立相应的3D模型。根据复合材料的使用需要，设计复合材料中各处纳米材料的种类和比例。根据复合材料的特点，例如材料的外形，将3D模型分解为一系列待加工的曲面；
（2）使用激光束作为能源，聚焦在可受控制移动的衬板上或已加工好的曲面上产生高温，形成熔池；
调整激光源、激光光路上的光学元件或衬板的至少一部分，改变激光的光路，使激光聚焦于衬板上或已加工好的曲面上。打开激光，使激光聚焦于衬板上或已加工好的曲面上，激光的能量被衬板或已加工好的曲面吸收而产生高温。高温使衬板或已加工好的曲面熔化，形成熔池。
（3）将基质材料与纳米材料混合粉末与激光同轴送入熔池；
将基质材料与纳米材料的混合粉末装入送料装置，送料装置根据纳米材料在复合材料中的种类和比例，调节基质材料与纳米材料的送料速率，并混合基质材料粉末与纳米材料粉末，送料装置将基质材料与纳米材料的混合粉末送入熔池。
（4）基质材料与纳米材料在熔池中共同凝固；
基质材料粉末进入熔池后，受熔池内高温的影响而融化。熔池内部存在流动，使进入熔池纳米材料分散于在熔池中。因激光束焦点在待加工曲面上不断移动，由于失去激光作为热源，且存在热辐射和热传导耗散热量，加工曲面上某处的熔池会自然冷却，其中的基质材料和纳米材料共同凝固为复合材料。
（5）在控制系统控制下，移动激光束焦点在待加工曲面上的位置，使熔池移动的轨迹覆盖整个待加工的曲面以完成加工，同时保持基质材料与纳米材料不断送入熔池；
根据待加工曲面的形状，设计激光束焦点在待加工曲面上移动的轨迹和速度。由控制系统发出指令，调整激光源、激光光路上的光学元件和衬板的至少一部分的位置和状态，以使激光束焦点在待加工曲面上的按设计的轨迹和速度运动，使熔池的位置也随之改变，此时要继续向熔池中加入基质材料与纳米材料，最终熔池运动轨迹覆盖整个待加工曲面。
（6）不断重复步骤（5）加工下一待加工曲面直至形成设计的复合材料结构。
开始下一待加工曲面的加工之前，应先确保已加工好的曲面已完全凝固。
实施例1：
1、几何描述：
复合材料为1个立方体。
2、具体的实现方法：
（1）设计所需的复合材料结构，并分解为一系列有厚度的待加工的曲面；
利用CAD软件建立一个10mm×10mm×10mm的立方体。在立方体中，基体材料选择为AerMet100钢粉，其化学成分（质量分数，%）为13.47Co、11.38Ni、2.96Cr、1.23Mo、0.23C、0.048Si、0.014Mn、0.0074Al、0.0007S、<0.005P、<0.005Ti、0.0028O，Fe余量。纳米材料选择足球烯纳米颗粒，均匀分布。以立方体的一个顶点为坐标原点，以从该顶点出发的3条棱为坐标轴建立右手直角坐标系o-xyz，将立方体分解为10个平行于xy平面的待加工平面，每个平面的厚度为1mm，长和宽分别为10mm和10mm；
（2）使用激光束作为能源，聚焦在可受控制移动的衬板上或已加工好的曲面上产生高温，形成熔池；
将激光聚焦于待加工平面上xy坐标(0,0)处，高温使衬板上或已加工好的曲面上产生高温，形成熔池。激光束功率100W，光斑直径1mm。
（3）将基质材料与纳米材料混合粉末与激光同轴送入熔池；
将基质材料和纳米材料混合粉末装入送料装置，送料装置根据纳米材料在复合材料中的种类和比例，调节基质材料与纳米材料的送料速率，并混合基质材料粉末与足球烯纳米材料粉末，通过送料装置将基质材料和足球烯纳米材料混合粉末送入熔池。
（4）基质材料与纳米材料在熔池中共同凝固；
进入熔池的基体材料受到高温而熔化。熔池内部存在流动，使足球烯纳米材料分散于熔池中。因激光束焦点在待加工曲面上不断移动，由于失去激光作为热源，且存在热辐射和热传导耗散热量，加工曲面上某处的激光焦点扫过的熔池会自然冷却，其中的基质材料和纳米材料共同凝固为复合材料。
（5）在控制系统控制下，移动激光束焦点在待加工曲面上的位置，使熔池移动的轨迹覆盖整个待加工的曲面以完成加工；
根据待加工曲面的形状，设计激光束焦点在待加工曲面上移动的轨迹，移动的速度为900mm/min。由控制系统发出指令，调整激光源的位置和状态，以使激光束焦点在待加工曲面上的按设计的轨迹和速度运动，使熔池的位置也随之改变，同时继续向熔池中加入基质材料与纳米材料，最终熔池运动轨迹覆盖整个待加工曲面。
（6）不断重复步骤（5）加工下一待加工曲面直至形成设计的复合材料结构。
开始下一待加工曲面的加工之前，应先确保已加工好的曲面已完全凝固。当完成第10个加工曲面的加工后，即完成整个10mm×10mm×10mm采用纳米材料增强的激光熔覆成形复合材料立方体的制造工作。
本发明未详细公开的部分属于本领域的公知技术。
尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
Claims (10)
1.一种采用纳米材料增强的激光熔覆成形复合材料的制造方法，所述的复合材料包括至少一种纳米结构和至少一种基质材料，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤（1）、设计所需的复合材料结构，确定复合材料结构内部各处添加纳米材料的种类及比例，并将复合材料结构分解为一系列有厚度的待加工的曲面；
步骤（2）、使用激光束作为能源，聚焦在可受控制移动的衬板上或已加工好的曲面上产生高温，形成熔池；
步骤（3）、将基质材料与纳米材料混合粉末与激光同轴送入熔池；
步骤（4）、基质材料与纳米材料在熔池中共同凝固；
步骤（5）、在控制系统控制下，移动激光束焦点在待加工曲面上的位置，使熔池移动的轨迹覆盖整个待加工的曲面以完成加工，同时保持基质材料与纳米材料不断送入熔池；
步骤（6）、不断重复步骤（5）加工下一待加工曲面直至形成设计的复合材料结构。
2.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于，其中，基质材料选择金属、陶瓷和聚合物中任一种，或任意两种组合，或三种组合。
3.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于，其中，纳米材料选择纳米颗粒、纳米管、纳米线和纳米纤维中任一种，或任意两种组合，或任意三种组合，或四种组合。
4.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于，其中，纳米材料能很好地分散在基体材料中，促进分散的方法包括：
（1）、超声波法；或者，
（2）、机械搅拌；或者，
（3）、制备纳米材料粉末时，对纳米材料粉末进行化学表面改性处理；或者，
（4）、向纳米材料粉末中加入分散剂；或者，
（5）、以上方法的组合。
5.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于，其中，移动激光束焦点在待加工曲面上位置的方法包括：
（1）、调整激光束光源的位置和角度，使激光束焦点位于待加工曲面上不同位置；或者，
（2）、调整激光束光路上光学元件的布置，使激光束焦点位于待加工曲面上不同位置；或者，
（3）、调整衬板的位置，使激光束的焦点位于待加工曲面上不同位置；或者，
（4）、以上3种方法的组合。
6.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于，所述步骤（1）设计所需的复合材料结构，确定复合材料结构内部各处添加纳米材料的种类及比例，并将复合材料结构分解为一系列有厚度的待加工的曲面实现过程为：
a)根据使用需要使用CAD软件设计复合材料结构，并建立相应的3D模型；
b)主要根据复合材料的使用需要确定纳米材料种类和比例，如表面可选用增加硬度的纳米材料，内部受力部位可选用增加强度的纳米材料；
c)根据复合材料的特点，将3D模型分解为一系列待加工的曲面。
7.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于，所述步骤（2）使用激光束作为能源，聚焦在可受控制移动的衬板上或已加工好的曲面上产生高温，形成熔池实现过程为：
a)调整激光源、激光光路上的光学元件或衬板，使激光能聚焦于衬板上或已加工好的曲面上；
b)打开激光，使激光聚焦于衬板上或已加工好的曲面上产生高温；
c)高温使衬板或已加工好的曲面熔化，形成熔池。
8.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于，所述步骤（3）将基质材料与纳米材料混合粉末与激光同轴送入熔池实现过程为：
a)将基质材料粉末与纳米材料粉末分别装入送料装置；
b)送料装置根据纳米材料在复合材料中的种类和比例，调节基质材料与纳米材料的送料速率，并混合基质材料粉末与纳米材料粉末；
c)送料装置将基质材料与纳米材料混合粉末与激光同轴送入熔池。
9.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于，所述步骤（4）基质材料与纳米材料在熔池中共同凝固实现过程为：
a)熔池的高温，使进入熔池的基质材料融化；
b)熔池内部存在流动，使纳米粉末随之分散于整个熔池；
c)因激光束焦点在待加工曲面上不断移动，由于失去激光作为热源，且存在热辐射和热传导耗散热量，加工曲面上某处的熔池会自然冷却，其中的基质材料和纳米材料共同凝固为复合材料。
10.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于，所述步骤（5）在控制系统控制下，移动激光束焦点在待加工曲面上的位置，使熔池移动的轨迹覆盖整个待加工的曲面以完成加工，同时保持基质材料与纳米材料不断送入熔池实现过程为：
a)根据待加工曲面的形状，设计激光束焦点在待加工曲面上移动的轨迹和速度；
b)由控制系统发出指令，调整激光源、激光光路上的光学元件和衬板的至少一部分的位置和状态，以使激光束焦点在待加工曲面上的按设计的轨迹和速度运动，使熔池的位置也随之改变，最终熔池运动轨迹覆盖整个待加工曲面；
c)在此过程中，保持向熔池内送入基质材料和纳米材料。
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