CN104985180A - 一种增韧的金属间化合物及其制备方法及设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种增韧的金属间化合物及其制备方法及设备，所述方法包括以金属间化合物粉末和增韧用金属丝为原料，通过将金属间化合物粉末和金属丝在基体上交替逐层铺覆并熔融来制备增韧的金属间化合物；优选所述金属丝直径为0.01-2mm。本发明提出“金属纤维”增韧金属间化合物概念和基于粉末床的丝材/粉末增材制备方法，逐层在每内层内离散式熔化金属丝材以编制金属纤维，任意设计金属“纤维”，可直接沉积制备“金属纤维”增韧金属间化合物材料及其复杂异型构件。

Description

一种增韧的金属间化合物及其制备方法及设备

技术领域

本发明涉及金属加工领域，具体的说，是涉及一种增韧的金属间化合物及其制备方法及设备。

背景技术

室温脆性大和成形工艺差是金属间化合物推广应用的主要障碍。国内外广泛采用叠层或纤维增韧金属间化合物材料以克服其脆性。叠层材料是将两种不同材料按一定的层间距及层厚比交互重叠形成的超细层状结构材料，因其独特微结构特点，具有更优异的高温韧性和抗蠕变能力、低温时断裂强度、断裂韧性、抗氧化能力等。金属叠层增韧金属间化合物依靠耐高温金属间化合物提供高温强度和蠕变抗力，而利用金属叠层作韧化元素，以克服金属间化合物脆性这一缺点。目前，金属叠层增韧金属间化合物的主要制备方法：

(一)自蔓延高温合成――该方法工艺过程是先将金属箔片或粉末按一定的方式交替层叠,在真空条件下加热到一定温度后，施加一定的压力进行反应，一定时间后，再在一定的温度和压力下进行扩散退火。该法的优点是工艺简单、生产效率高，缺点是难于合成高致密度的产品。

(二)轧制扩散――其工艺流程是:将表面清洁处理后的箔片交替层叠,放在压力机上在一定的温度下进行轧制复合，达到一定的变形量后，把试样放入真空炉中，在特定的温度下进行扩散处理。该方法的优点是设备成本低廉，工艺简单易行，缺点是只能用来制备金属/金属微叠层材料，且层间距、层厚比难以控制。

(三)薄膜沉积法――包括电子束物理气相沉积(EBPVD)、脉冲激光熔融沉积、磁控溅射法等。该方法流程是利用电子束、激光、等离子体等蒸发固体靶材表面，使蒸发物在基体上沉积。该方法简单易行，尤其适合制备那些难熔的物质；缺点是工艺参数难于控制，影响物质的沉积过程和沉积质量。

(四)激光粉末熔覆法――激光熔覆成形法是利用双筒送粉器装载两种混合粉末，一种为金属粉末，另一种为金属间化合物粉末。其缺点难以控制金属叠层增韧金属间化合物的化学成分、粉末一次利用率较低、粉末混合粉末致使粉末难以再次回收利用，造成极大浪费。

现有叠层或陶瓷纤维增韧金属间化合物材料的技术不足主要包括：金属间化合物的化学成分难以控制、性能设计及实现可行性较差、难以制造复杂异型结构件，而且成形精度低。

目前，国内外采用碳纤维或碳化硅纤维通过粉末冶金方法或铸造方法等增韧金属间化合物，但效果均不理想，尚未见金属纤维增韧金属间化合物的相关报道。

发明内容

为解决金属间化合物的室温脆性大和成形工艺差等工程应用的瓶颈问题，本发明的一个目的在于提供一种金属间化合物增韧方法。本发明有效解决激光粉末熔覆法中金属粉末和金属间化合物粉末混合、材料利用率低、性能设计及其实现可行性差、难以制备复杂异形结构件且成形精度低等制约工程应用的问题，推进金属间化合物在高温结构件上的应用推广。

本发明另一个目的在于提供所述方法制备的增韧的金属间化合物；

本发明又一个目的在于提供一种金属间化合物增韧用设备。

为达上述目的，本发明提供了一种金属间化合物增韧方法，其中，所述方法包括以金属间化合物粉末和增韧用金属丝为原料，通过将金属间化合物粉末和金属丝在基体上交替逐层铺覆并熔融来制备增韧的金属间化合物。

根据本发明一些具体实施方案，其中，所述金属丝直径为0.01-2mm。

根据本发明一些具体实施方案，其中，每层铺覆的金属间化合物粉末厚度为3mm。

根据本发明一些具体实施方案，其中，将金属间化合物粉末和金属丝在基体上交替逐层铺覆并熔融具体包括：在基体上铺覆金属间化合物粉末，通过单模激光将铺覆的金属间化合物粉末熔化，在熔化后固化形成的金属间化合物沉积层上，按照预先设计的结构，采用激光熔化金属丝，并沉积到金属间化合物沉积层上；然后再重复前面所述步骤来逐层铺覆金属间化合物粉末和金属丝。

也就是说，所述方法包括按照铺覆金属间化合物粉末、熔融金属间化合物粉末、铺覆金属丝、熔融金属丝的顺序，并反复循环来制备增韧的金属间化合物。

根据本发明一些具体实施方案，其中，是在惰性气体环境中将金属间化合物粉末和金属丝交替逐层铺覆并熔融来制备增韧的金属间化合物，其中优选惰性气体环境中含氧量小于100ppm。

根据本发明一些具体实施方案，其中，在将金属间化合物粉末和金属丝交替逐层铺覆并熔化来制备增韧的金属间化合物时，环境压力为0.1-30mBar。

根据本发明一些具体实施方案，其中，在将金属间化合物粉末和金属丝交替逐层铺覆并熔化来制备增韧的金属间化合物前，先将基体预热至不低于300-1100℃。

根据本发明一些具体实施方案，其中，金属丝可以按照任意形状铺设，譬如可以为若干平行直线，甚至可以为平行的曲线，还可以为一根金属线回转铺设为S型，譬如是首尾衔接的平行线，甚至可以是螺旋曲线，或者是井字格。

根据本发明一些具体实施方案，其中，相邻的铺覆的金属丝间隔为金属丝直径的2-5倍(尤其是铺设为平行直线时)。

所述金属间化合物可以为本领域常规的金属间化合物，所述金属丝可以为本领域常规的增韧用金属丝，为了进一步提高所得到的增韧的金属间化合物性能，优选所选金属丝的材料与增韧金属间化合物具有相溶性，且不易产生脆性相。

而根据本发明一些具体实施方案，其中，所述金属间化合物为TiAl或Ti₂AlNb；所述金属丝为铌丝、钨丝或钼丝。

根据本发明一些具体实施方案，其中，所述方法还包括先按照所要制备的增韧的金属间化合物中的金属丝和金属间化合物的结构建计算机3D模型，再以此控制设备将金属间化合物粉末和金属丝进行交替逐层铺覆。

本发明提出金属纤维增韧金属间化合物概念及其基于粉末床的丝材/粉末精密增材制备方法，结构金属纤维增韧金属间化合物的构建需求，利用直径为0.01～2mm的金属丝材，使用多轴联动机器人辅助熔丝的粉末床增材制造系统，在惰性气体工作室内，逐层在每层内离散式熔化金属丝材编制金属纤维，实现“金属纤维”增韧金属间化合物。

另一方面，本发明还提供了上述方法制备得到的增韧的金属间化合物。

又一方面，本发明还提供了一种金属间化合物增韧用设备，所述设备包括用于控制的工控机1、用于回收金属间化合物粉末的回收粉缸2、铺覆金属间化合物粉末和金属丝的成型平台3、提供金属间化合物粉末的供粉缸4、供应金属丝的送丝机5、送丝机喷嘴6、多轴联动臂7、激光发生器8和激光扫描振镜9；其中，所述回收粉缸、成型平台和供粉缸顺序并列设置，以使得金属间化合物粉末可以由供粉缸中被送入成型平台，并将多余的金属间化合物粉末由成型平台送入回收粉缸，其中至少成型平台和供粉缸可以控制升降；所述激光扫描振镜与送丝机喷嘴固定在多轴联动臂上，使得在铺覆金属间化合物粉末后，多轴联动臂带动激光扫描振镜按照预设线路移动熔化金属间化合物粉末，并带动送丝机喷嘴按照预设线路移动在金属间化合物层上铺覆金属丝；所述激光扫描振镜设置在送丝机喷嘴垂直正上方，使得激光扫描振镜能够将与金属间化合物层接触的金属丝熔化。

根据本发明一些具体实施方案，其中，所述制备还包括惰性气体室10，所述回收粉缸2、成型平台3、供粉缸4、送丝机5、送丝机喷嘴6、多轴联动臂7和激光扫描振镜9设置在惰性气体室内，并和外界空气隔离；优选所述设备还包括与惰性气体室连通的气氛控制及除尘系统11。

根据本发明一些具体实施方案，其中，所述设备还包括用于激光发生器降温的水冷系统12。

其中本发明可以更具体为：

利用直径为0.01～2mm高熔点高塑形金属丝材(如铌丝、钨丝、钼丝等)和金属间化合物粉末(如γ-TiAl,Ti₂AlNb等)作为原始材料，有粉末供粉缸4、成型缸3和回收粉缸2，送丝机5的熔丝加工装置固定于多轴联动臂(多轴联动机器人)7，通过送丝机5和供粉缸4进行添材；

利用附带外轴的多轴联动臂7作为驱动；激光扫描振镜9和送丝机喷嘴6通过连接法兰固定到多轴联动臂7；

激光发生器(光纤激光器)8、多轴联动臂7、送丝机5、粉末供粉缸4、成型缸3和回收粉缸2、激光扫描振镜9、水冷系统12、惰性气体室10、气氛控制及除尘系统11等均集成于工控机1；

粉末供粉缸4、成型缸3和回收粉缸2、送丝机5、多轴联动臂7、激光扫描振镜9等放置于惰性气体室10；

当制备金属丝时，开启水冷系统12、气氛控制及除尘系统11、送丝机5、激光发生器8、成型缸3、激光扫描振镜9等；当制备金属间化合物层时，开启粉末供粉缸4、成型缸3、激光发生器8和激光扫描振镜9等；使用多轴联动臂7辅助熔丝的粉末床增材制造系统，在惰性气体工作室内，逐层在每内层内离散式熔化金属丝材以编制金属纤维，实现“金属纤维”增韧金属间化合物及其复杂构件沉积，制备结束后，对金属间化合物粉末进行回收，过筛后可重复利用。

本发明为研制解决低室温塑形的金属间化合物材料增韧问题提供一种新思路，打开了金属纤维增韧金属间化合物的性能设计受传统制造的束缚枷锁，可保证金属纤维增韧金属间化合物的内部质量，提高材料利用率，大幅降低金属纤维增韧金属间化合物研制成本。

综上所述，本发明提供了一种增韧的金属间化合物及其制备方法及设备。本发明的方法具有如下优点：

1>提出“金属纤维”增韧金属间化合物概念和基于粉末床的丝材/粉末增材制备方法，逐层在每内层内离散式熔化金属丝材以编制金属纤维，任意设计金属“纤维”，可直接沉积制备“金属纤维”增韧金属间化合物材料及其复杂异型构件；

2>针对激光粉末熔覆法制备金属叠层增韧金属间化合物，本发明提高了材料利用率/大幅拓展金属纤维增韧金属间化合物的性能可设计性及可实现性，可确保金属间化合物复杂异型构件的低成本/快速响应可制造性。

3>本发明的“金属纤维”增韧金属间化合物概念和基于粉末床的丝材/粉末增材制备方法，可拓展应用于其他低塑形的陶瓷、高性能尼龙等材料性能调控和复杂构件研制。

附图说明

图1为本发明实施例1的设备示意图；

图2为实施例1制备的增韧的金属间化合物放大示意图，其中各标号表示为：21.金属纤维；22.金属间化合物层；23.基体；

图3为实施例1制备的增韧的金属间化合物放大的立体示意图；

图4、图5为实施例1制备的增韧的金属间化合物局部晶相图。

具体实施方式

以下通过具体实施例详细说明本发明的实施过程和产生的有益效果，旨在帮助阅读者更好地理解本发明的实质和特点，不作为对本案可实施范围的限定。

实施例1

下面结合附图1和实施例对本发明作进一步说明。

制备方法：

首先把γ-TiAl金属间化合物粉末装入粉末床供粉缸2，把直径为0.01金属Nb(或Mo等耐熔金属)丝材装入送丝机5并传送到送丝机喷嘴6；固定基体23到成型平台3，通过加工头/机械手固定连接法兰把激光扫描振镜9连接到多轴联动臂7；向惰性气体室10充入氩气。

然后，通过工控机1启动成型平台3、水冷系统12、气氛控制及除尘系统11、送丝机5、激光发生器8、激光扫描振镜9、多轴联动臂7等；

制备之前工作条件要求：惰性气体室10中含氧量小于100ppm，其室内压力0.1～30mBar；基体23预热温度不低于300℃，沉积过程中该环境条件保持，成形完后，随炉冷却到室温。

为编制“金属纤维”，首先在3D模型内预设“金属纤维”，其直径0.03～1.5mm，3D模型的其余部分为金属间化合物，然后对该3D模型分层切片，并对每层内金属纤维和金属间化合物部分分别标注提取出来，然后根据设定每层内金属纤维和金属间化合物的各自截面几何形状，根据丝材直径0.01mm和粉末层厚为0.03mm的工艺参数，预设熔丝和粉末熔化的填充扫描路径。

最后，根据CAD程序设置，在基体23表面逐层制备金属纤维21和金属间化合物层22。通过送丝机5、送丝机喷嘴6、激光扫描振镜9和多轴联动臂7，在每一层内，按照预先规划的扫描路径(如图2所示)，利用直径为0.01mmNb丝沉积层高度最高不超过0.03mm，然后成型平台3下降0.03mm，通过供粉缸4铺一层0.03mm厚γ-TiAl金属间化合物粉末，然后通过激光扫描振镜9按照预先设定的扫描路径，熔化γ-TiAl金属间化合物粉末得到沉积层，沉积层高度最高不超过0.03mm；然后在熔化的γ-TiAl金属间化合物沉积层上，按照预先规划的扫描路径(如图2所示)，利用直径为0.01mmNb丝在沉积层上铺设金属丝，铺设的金属丝为相互平行的直线，间距为金属丝直径的3倍。当金属丝与沉积层接触时，金属丝被激光扫描振镜9发出的激光烧熔，并凝固形成金属纤维；循环上述熔丝-铺粉-熔化粉末-熔丝制备过程，可制定不同规格的Nb“金属纤维”增韧γ-TiAl金属间化合物。

由于制备过程在惰性气体工作室13中，金属间化合物粉末不受空气污染，可回收重复利用。

该方法可制备较高塑性的金属增韧TiAl金属间化合物；打开了金属纤维增韧金属间化合物的性能设计受传统制造的束缚枷锁，可保证金属纤维增韧金属间化合物的内部质量，提高材料利用率，大幅降低金属纤维增韧金属间化合物研制成本。初步试验结果表明其塑性由原来的0.5％提高到4％以上。

图2、图3为制备金属“纤维”增韧TiAl金属间化合物示意图。

图4、图5为制备的金属“纤维”增韧TiAl金属间化合物局部晶相图。

Claims (10)

1.一种金属间化合物增韧方法，其特征在于，所述方法包括以金属间化合物粉末和增韧用金属丝为原料，通过将金属间化合物粉末和金属丝在基体上交替逐层铺覆并熔融来制备增韧的金属间化合物；优选所述金属丝直径为0.01-2mm；优选每层铺覆的金属间化合物粉末厚度为0.02～2.5mm。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，将金属间化合物粉末和金属丝在基体上交替逐层铺覆并熔融具体包括：在基体上铺覆金属间化合物粉末，通过单模激光将铺覆的金属间化合物粉末熔化，在熔化后固化形成的金属间化合物沉积层上，按照预先设计的结构，采用激光熔化金属丝，并沉积到金属间化合物沉积层上；然后再重复前面所述步骤来逐层铺覆金属间化合物粉末和金属丝。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，是在惰性气体环境中将金属间化合物粉末和金属丝交替逐层铺覆并熔化来制备增韧的金属间化合物，其中优选惰性气体环境中含氧量小于100ppm，环境压力为0.1-30mBar。

4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在将金属间化合物粉末和金属丝交替逐层铺覆并熔化来制备增韧的金属间化合物前，先将基体预热至300-1100℃。

5.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，相邻的铺覆的金属丝间隔为金属丝直径的2-5倍。

6.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述金属间化合物包括TiAl和Ti₂AlNb；所述金属丝包括铌丝、钨丝和钼丝。

7.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述方法还包括先按照所要制备的增韧的金属间化合物中的金属丝和金属间化合物的结构建计算机3D模型，再以此控制设备将金属间化合物粉末和金属丝进行交替逐层铺覆。

8.权利要求1～7任意一项所述方法制备得到的增韧的金属间化合物。

9.一种金属间化合物增韧用设备，其特征在于，所述设备包括用于控制的工控机(1)、用于回收金属间化合物粉末的回收粉缸(2)、铺覆金属间化合物粉末和金属丝的成型平台(3)、提供金属间化合物粉末的供粉缸(4)、供应金属丝的送丝机(5)、送丝机喷嘴(6)、多轴联动臂(7)、激光发生器(8)和激光扫描振镜(9)；其中，所述回收粉缸、成型平台和供粉缸顺序并列设置，以使得金属间化合物粉末可以由供粉缸中被送入成型平台，并将多余的金属间化合物粉末由成型平台送入回收粉缸，其中至少成型平台和供粉缸可以控制升降；所述激光扫描振镜与送丝机喷嘴固定在多轴联动臂上，使得在铺覆金属间化合物粉末后，多轴联动臂带动激光扫描振镜按照预设线路移动熔化金属间化合物粉末，并带动送丝机喷嘴按照预设线路移动在金属间化合物层上铺覆金属丝；所述激光扫描振镜设置在送丝机喷嘴垂直正上方，使得激光扫描振镜能够将与金属间化合物层接触的金属丝熔化；优选所述设备还包括用于激光发生器降温的水冷系统(12)。

10.根据权利要求9所述的制备，其特征在于，所述制备还包括惰性气体室(10)，所述回收粉缸(2)、成型平台(3)、供粉缸(4)、送丝机(5)、送丝机喷嘴(6)、多轴联动臂(7)和激光扫描振镜(9)设置在惰性气体室内，并和外界空气隔离；优选所述设备还包括与惰性气体室连通的气氛控制及除尘系统(11)。