CN104388924A - 一种激光堆积制备铝基原位复合材料的方法 - Google Patents

Abstract

一种激光堆积制备铝基原位复合材料的方法，其特征在于：首先将处于液相线附近的铝合金熔体和经过预热的反应物粉末一起加入螺旋流变挤压装置，通过混合挤压实现反应物的均匀混合并通过挤出模具获得片状或者丝状反应物混合材料，然后通过激光重熔堆焊使片状或者丝状反应物混合材料反应生成铝基复合材料并堆积到块体铝合金材料上，堆积完一层后在已堆积的铝基复合材料上再按上述激光重熔堆焊过程堆积一层，然后按上述方法逐层堆积直到指定的厚度，最终形成基体为细晶组织的铝基原位复合材料。本发明工艺容易实现，所获得的铝基复合材料性能稳定性好。

Description

一种激光堆积制备铝基原位复合材料的方法

技术领域

本发明涉及铝基原位复合材料，具体而言为涉及一种采用激光堆积方法制备铝基原位复合材料的方法。

背景技术

颗粒增强铝基复合材料具有比强度、比刚度高，尺寸稳定性好，易于采用常规成型工艺成型等优点，在航空航天、汽车、电子等领域具有广阔的应用前景。颗粒增强铝基原位复合材料的颗粒增强体是从铝或铝合金基体中原位形成的，主要是通过化学反应或者原位生长的方法，原位颗粒增强体与铝或铝合金基体之间界面结合良好，界面上没有脆性反应物生成，在升温过程中原位增强体的热力学稳定性好，因此这类铝基复合材料得到了越来越多的重视；化学反应法是目前制备铝基原位复合材料的主要方法，主要包括自蔓延高温合成法、放热反应法、熔体反应法等。这些制备方法各有优缺点，自蔓延高温合成法反应容易实现、能耗低，但是受到反应体系的限制，且反应过程难以控制；放热反应法反应容易实现、能耗低，但反应体系受到限制，获得的材料往往需要进一步加工；熔体反应法可以通过常规成型手段制造零部件，但反应温度、颗粒分布、基体组织等受到限制；铝基原位复合材料要获得更好的性能、更具有实际应用价值，不仅要求其制备、成型容易实现，而且要求其增强体颗粒与基体组织具有良好的匹配，到目前为止，尚没有关于同时满足上述要求的技术方法的报道，因此，迫切需要提出新的工艺方法，以实现以上目的。

激光表面重熔是在激光束的热作用下改变材料表面微观结构和相组成，提高材料的耐磨、防腐和抗氧化性能的表面改性技术；研究表明，激光重熔有利于消除材料的缺陷，改善材料的力学性能，重熔和再凝固可实现金属材料组织的细化；因此，如果能充分利用激光表面重熔技术，将铝基原位复合材料逐层堆积起来，将有望在现有成熟工艺方法的基础上获得基体为细晶组织的铝基原位复合材料，为铝基原位复合的组织性能优化提供新的方法。

发明内容

本发明提出一种激光堆积制备铝基原位复合材料的方法，其原理是：首先利用螺旋流变挤压装置将反应物混合，并通过挤出模具获得片状或者丝状反应混合物材料，然后通过激光重熔使得反应混合物材料发生化学反应以形成铝基原位复合材料，同时实现铝基原位复合材料的堆积，利用激光重熔过程中基底块体材料的急冷作用获得基体为细晶组织的铝基复合材料，首次实现反应混合物材料准备和铝基原位复合材料堆积的连续进行，复合材料层的厚度可以根据具体需要通过堆积的层数控制。

一种激光堆积制备铝基原位复合材料的方法，其特征在于：首先将处于液相线附近的铝合金熔体和经过预热的反应物粉末一起加入螺旋流变挤压装置，通过混合挤压实现反应物的均匀混合，再通过挤出模具获得片状或者丝状反应物混合材料，然后通过激光重熔堆焊使片状或者丝状反应物混合材料反应生成铝基复合材料并堆积到块体铝合金材料上，边挤出混合材料边堆焊，堆积完一层后在已堆积的铝基复合材料层上再按上述堆焊过程堆积下一层，按上述方法逐层堆积直到指定的厚度，最终形成基体为细晶组织的铝基原位复合材料。

所述的处于液相线附近的铝合金熔体，是指温度处于液相线温度以上10~20℃范围内适合铸造生产的铝合金。

所述的经过预热的反应物粉末，是指经过300~350℃、30~50min加热处理的能与铝生成或者在铝合金熔体中生成包括氧化物、碳化物、硼化物增强颗粒在内的反应物粉末，其加入量占铝合金熔体质量的15~20%。

所述的螺旋流变挤压装置，是指用于铝合金半固态浆料制备和挤压成型的常规装置，该装置由模具钢制造，采用双螺旋形式，与铝合金熔体接触部分采用等离子喷涂氮化硅陶瓷处理，使用过程中该装置内腔的温度与进入该装置的铝合金熔体温度保持一致。

所述的挤出模具，是指模具钢制作的出口截面为1.0~1.5mm×0.5~1.2mm或者ϕ0.5~1.2mm的模具。

所述的片状或者丝状反应物混合材料，是指由挤出模具挤出的截面为1.0~1.5mm×0.5~1.2mm的片状反应物混合材料或者ϕ0.5~1.2mm的丝状反应物混合材料。

所述的激光重熔堆焊，是指采用激光焊机对反应物混合材料进行重熔堆焊，激光功率为 500~1500W，光斑移动速度为200~400mm/min，采用纯 Ar进行保护，气体流量为 20~30 L/min，激光扫描重叠率为40~50%。

所述的块体铝合金材料，是指成分与加入螺旋流变挤压装置的铝合金熔体相同，厚度为10~15mm的铝合金材料。

本发明通过目前已经成熟的激光重熔技术获得了细晶基体组织，同时能顺利获得块体铝基原位复合材料，工艺实现容易，材料性能稳定性好。

附图说明

图1为采用本发明方法获得铝基原位复合材料的显微组织。

图2为ZL101A铝合金与SiO₂粉末通过激光堆积制备的铝基原位复合材料XRD分析结果。

图3为ZL101A铝合金与钛粉和B₂O₃粉末通过激光堆积制备的铝基原位复合材料XRD分析结果。

图4为ZL102铝合金与钛粉和石墨粉通过激光堆积制备的铝基原位复合材料XRD分析结果。

具体实施例

本发明可以根据以下实例实施，但不限于以下实例；在本发明中所使用的术语，除非有另外的说明，一般具有本领域普通技术人员通常理解的含义；应理解，这些实施例只是为了举例说明本发明，而非以任何方式限制本发明的范围；在以下的实施例中，未详细描述的各种过程和方法是本领域中公知的常规方法。

实施例 1

本实施例具体实施一种激光堆积制备铝基原位复合材料的方法，其过程为：首先将温度为625℃的ZL101A铝合金熔体和经过300℃、50min加热处理的SiO₂粉末一起加入螺旋流变挤压装置，通过混合挤压获得反应混合物材料，再通过模具钢制作的出口截面为1.0mm×0.5mm的模具挤出截面为1.0mm×0.5mm的片状反应物混合材料，其中SiO₂粉末平均尺寸为5μm，加入量占ZL101A铝合金熔体质量的15%，螺旋流变挤压装置是用于铝合金半固态浆料制备和挤压成型的常规装置，该装置由模具钢制造，采用双螺旋形式，与铝合金熔体接触部分采用等离子喷涂氮化硅陶瓷处理，使用过程中该装置内腔的温度为625℃。

然后采用激光焊机对片状反应物混合材料进行重熔反应生成铝基复合材料并堆积到厚度为10mm的ZL101A铝合金块体材料表面，边挤出混合材料边重熔堆积；激光功率为 500W，光斑移动速度为200mm/min，采用纯 Ar进行保护，气体流量为 20L/min，激光扫描重叠率为40%；堆积完一层后在已堆积的铝基复合材料层上再按上述重熔堆焊过程堆积下一层，然后按上述方法逐层堆积直到堆积厚度达到80mm，最终形成基体为细晶组织的铝基原位复合材料。

图1为采用本发明方法获得铝基原位复合材料的显微组织，从图中可以看出所获得的铝基原位复合材料的基体组织细小均匀；复合材料的XRD分析结果如图2，说明其主要增强相为Al₂O₃。

实施例 2

本实施例具体实施一种激光堆积制备铝基原位复合材料的方法，其过程为：首先将温度为630℃的ZL101A铝合金熔体和经过350℃、30min加热处理的平均尺寸为35μm的钛粉和平均尺寸为5μm的B₂O₃粉的混合物一起加入螺旋流变挤压装置，通过混合挤压获得反应混合物材料，再通过模具钢制作的出口截面为ϕ1.2mm的模具，挤出截面为ϕ1.2mm的丝状反应物混合材料，钛粉和B₂O₃粉的质量比为2:3，混合物粉末的加入量占ZL101A合金熔体质量的20%，螺旋流变挤压装置是用于铝合金半固态浆料制备和挤压成型的常规装置，该装置由模具钢制造，采用双螺旋形式，与铝合金熔体接触部分采用等离子喷涂氮化硅陶瓷处理，使用过程中该装置内腔的温度为630℃。

然后采用激光焊机对丝状反应物混合材料进行重熔反应生成铝基复合材料并堆积到厚度为15mm的ZL101A铝合金块体材料表面，边挤出混合材料边重熔堆积；激光功率为 1500W，光斑移动速度为400mm/min，采用纯 Ar进行保护，气体流量为 30 L/min，激光扫描重叠率为50%；堆积完一层后在已堆积的铝基复合材料层上再按上述重熔堆焊过程堆积下一层，然后按上述方法逐层堆积直到堆积厚度达到100mm，最终形成基体为细晶组织的铝基原位复合材料。

所获得的铝基原位复合材料的显微组织与图1类似，表明该复合材料的基体组织细小均匀；复合材料的XRD分析结果如图3，说明其主要增强相为Al₃Ti、TiB₂和Al₂O₃。

实施例 3

本实施例具体实施一种激光堆积制备铝基原位复合材料的方法，其过程为：首先将温度为635℃的ZL102铝合金熔体和经过300℃、50min加热处理的平均尺寸为20μm的钛粉和平均尺寸为3μm的石墨粉的混合物一起加入螺旋流变挤压装置，通过混合挤压获得反应混合物材料，再通过模具钢制作的出口截面为ϕ0.5mm的模具挤出截面为ϕ0.5mm的丝状反应物混合材料，钛粉和石墨粉的质量比为4:1，混合物粉末加入量占ZL102铝合金熔体质量的15%，螺旋流变挤压装置是用于铝合金半固态浆料制备和挤压成型的常规装置，该装置由模具钢制造，采用双螺旋形式，与铝合金熔体接触部分采用等离子喷涂氮化硅陶瓷处理，使用过程中该装置内腔的温度为635℃。

然后采用激光焊机对丝状反应物混合材料进行重熔反应生成铝基复合材料并堆积到厚度为12mm的ZL102铝合金块体材料表面，边挤出混合材料边重熔堆积；激光功率为 1000W，光斑移动速度为300mm/min，采用纯 Ar进行保护，气体流量为 25 L/min，激光扫描重叠率为45%；堆积完一层后在已堆积的铝基复合材料层上再按上述重熔堆焊过程堆积下一层，然后按上述方法逐层堆积直到堆积厚度达到120mm，最终形成基体为细晶组织的铝基原位复合材料。

所获得的铝基原位复合材料的显微组织与图1类似，表明该复合材料的基体组织细小均匀；XRD分析结果如图4，说明其主要增强相为TiC。

实施例 4

本实施例具体实施一种激光堆积制备铝基原位复合材料的方法，其过程为：首先将温度为645℃的ZL105铝合金熔体和经过320℃、40min加热处理的平均尺寸为30μm的钛粉和平均尺寸为5μm的石墨粉的混合物一起加入螺旋流变挤压装置，通过混合挤压获得反应混合物材料，再通过模具钢制作的出口截面为1.2mm×1.2mm模具，挤出截面为1.2mm×1.2mm的片状反应物混合材料，钛粉和石墨粉的质量比为4:1，混合物粉末的加入量占ZL105铝合金熔体质量的18%，螺旋流变挤压装置是用于铝合金半固态浆料制备和挤压成型的常规装置，该装置由模具钢制造，采用双螺旋形式，与铝合金熔体接触部分采用等离子喷涂氮化硅陶瓷处理，使用过程中该装置内腔的温度为645℃。

然后通过采用激光焊机对片状反应物混合材料进行重熔反应生成铝基复合材料并堆积到厚度为10mm的ZL105铝合金块体材料表面，边挤出混合材料边重熔堆积；激光功率为 900W，光斑移动速度为250mm/min，采用纯 Ar进行保护，气体流量为 22 L/min，激光扫描重叠率为50%；堆积完一层后在已堆积的铝基复合材料层上再按上述重熔堆焊过程堆积下一层，然后按上述方法逐层堆积直到堆积厚度达到60mm，最终形成基体为细晶组织的铝基原位复合材料。

所获得的铝基原位复合材料的显微组织与图1类似，表明该复合材料的基体组织细小均匀；XRD分析结果与图4类似，说明主要增强相为TiC。

Claims (8)

1.一种激光堆积制备铝基原位复合材料的方法，其特征在于：首先将处于液相线附近的铝合金熔体和经过预热的反应物粉末一起加入螺旋流变挤压装置，通过混合挤压实现反应物的均匀混合，再通过挤出模具获得片状或者丝状反应物混合材料，然后通过激光重熔堆焊使片状或者丝状反应物混合材料反应生成铝基复合材料并堆积到块体铝合金材料上，边挤出混合材料边堆焊，堆积完一层后在已堆积的铝基复合材料层上再按上述堆焊过程堆积下一层，按上述方法逐层堆积直到指定的厚度，最终形成基体为细晶组织的铝基原位复合材料。

2.如权利要求1所述的一种激光堆积制备铝基原位复合材料的方法，其特征在于：所述的处于液相线附近的铝合金熔体，是指温度处于液相线温度以上10~20℃范围内适合铸造生产的铝合金。

3.如权利要求1所述的一种激光堆积制备铝基原位复合材料的方法，其特征在于：所述的经过预热的反应物粉末，是指经过300~350℃、30~50min加热处理的能与铝生成或者在铝合金熔体中生成包括氧化物、碳化物、硼化物增强颗粒在内的反应物粉末，其加入量占铝合金熔体质量的15~20%。

4.如权利要求1所述的一种激光堆积制备铝基原位复合材料的方法，其特征在于：所述的螺旋流变挤压装置，是指用于铝合金半固态浆料制备和挤压成型的常规装置，该装置由模具钢制造，采用双螺旋形式，与铝合金熔体接触部分采用等离子喷涂氮化硅陶瓷处理，使用过程中该装置内腔的温度与进入该装置的铝合金熔体温度保持一致。

5.如权利要求1所述的一种激光堆积制备铝基原位复合材料的方法，其特征在于：所述的挤出模具，是指模具钢制作的出口截面为1.0~1.5mm×0.5~1.2mm或者ϕ0.5~1.2mm的模具。

6.如权利要求1所述的一种激光堆积制备铝基原位复合材料的方法，其特征在于：所述的片状或者丝状反应物混合材料，是指由挤出模具挤出的截面为1.0~1.5mm×0.5~1.2mm的片状反应物混合材料或者ϕ0.5~1.2mm的丝状反应物混合材料。

7.如权利要求1所述的一种激光堆积制备铝基原位复合材料的方法，其特征在于：所述的激光重熔堆焊，是指采用激光焊机对反应物混合材料进行重熔堆焊，激光功率为 500~1500W，光斑移动速度为200~400mm/min，采用纯 Ar进行保护，气体流量为 20~30 L/min，激光扫描重叠率为40~50%。

8.如权利要求1所述的一种激光堆积制备铝基原位复合材料的方法，其特征在于：所述的块体铝合金材料，是指成分与加入螺旋流变挤压装置的铝合金熔体相同，厚度为10~15mm的铝合金材料。