CN105458258A - 一种TiC-Co复合材料构件的激光成形方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种TiC-Co金属复合材料结构件的激光成形方法，其所选用的原料粉体配方为：石墨5.56~7.46wt.%，Ti？23.44~30.78wt.%，混合稀土0.55~0.64wt.%，Co余量。激光成形的粉体定量输送采用多料斗输送系统完成，激光成形采用3管同轴激光头，通过对粉体输送系统和激光头的控制，能够实现TiC-Co构件的内外梯度分层结构，TiC-Co构件的断裂韧度可达到Co基合金的80%以上。

Description

一种TiC-Co复合材料构件的激光成形方法
技术领域
本发明属于激光成形领域，涉及一种TiC-Co复合材料构件的激光成形方法。
背景技术
Co基合金具有优良的高温性能、高温耐磨性和高温耐蚀性，较好的热强性和冷热疲劳性能，在600°C以上仍具有良好的抗氧化性和耐磨性，800°C时还能保持可用的硬度，1080°C时还具有良好的抗氧化性能；同时具有良好的导热性和低的热膨胀系数，广泛应用于石化、电力、冶金、水利等工业领域。TiC具有极高的熔点、优秀的高温强度、热稳定性，密度低、弹性模量较高、硬度高和耐磨性好。
MMC的制备技术依据增强颗粒的加入方式的不同，可分为原位自生和强制加入两种。原位自生技术借助合金设计，在基体金属内原位反应成核，生成一种或几种热力学稳定的增强相，这种方法避免了外加增强体的分解、节约能源、资源并能够减少排放，材料的增强体表面无污染，制品性能优良。但其工艺过程要求严格、较难掌握、且增强相的成分和体积分数不易控制。
激光成形工艺利用小体积累积成形的方法，可以在宏观控制增强相的均匀分布，为送粉激光原位成形颗粒增强MMC提供可能。金属粉与石墨粉的堆积密度相差较大，在激光成形过程中，容易因为粉体密度相差较大而造成分层，在成形部件中造成增强相的分布不均，而且会改变增强相的设计成分，大幅降低TiC-Co复合材料部件的性能。因此本发明采用在线连续送粉激光原位复合成形的方法，制备TiC-Co复合材料部件，使成形部件的增强相分布连续可控。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种增强相分布可控的TiC-Co复合材料部件的激光成形方法。本发明针对现有技术的不足，从原位合成路线和激光成形工艺着手，能够使增强相在复合材料中均匀分布，实现性能优良的TiC-Co复合材料部件的激光成形。
本发明方法主要包括以下步骤：
（1）原料配方与预处理
原料配方为：石墨5.56~7.46wt.%，Ti23.44~30.78wt.%，混合稀土0.55~0.64wt.%，Co余量，原料采用粉体形式，金属粉末和石墨粉颗粒尺寸60~200微米；将金属Ti粉、稀土粉末一起球磨0.4~7小时；
（2）送粉与混料
采用多料斗螺旋送粉混合系统送粉和及时混合，所述多料斗螺旋送粉和混合系统由三个送粉器分别通过送粉管与一个共同的激光头组成，将Ti粉、稀土粉末放入第1个料斗中，石墨粉置于第2个料斗中，Co粉置于第3个料斗中；3个送粉器同时送粉，并通过调节螺杆转速控制粉料的比例；
(3)激光成形
激光成形的激光头采用3管同轴不连续喷嘴，实现对激光熔池的环抱粉体喷射，使激光熔池各成分均匀分布；将设计部件的数字图形利用分层软件进行切片，并建立激光扫描路径及其层间连接配合，设置每层厚度为0.04~0.6mm，然后在四轴数字加工机床上分层进行激光成形；控制送粉成分和激光扫描路线，使得局部生成的增强相TiC的比例成梯度变化，即构件外层为耐磨的TiC-Co复合材料，内部为金属基体材料，并最终使用的原料符合步骤（1）的比例要求。
步骤（3）中采用光纤/CO2激光器，输出功率100~3000W,光斑直径0.2~4mm，搭接率10~80%，激光头Ar气流量0.5~13L/min，送粉器Ar气流量0.5~12L/min，激光头扫描速度3~125mm/s。
本发明所用的多料斗螺旋送粉混合系统由三个送粉器分别通过送粉管与一个共同的激光头组成，如图1所示。所述送粉器由料斗、螺杆和流化器组成，所述螺杆由直流步进电机推动。
TiC-Co复合材料的性能取决于TiC的含量、尺寸和均匀分布。本发明以三料斗螺旋送粉混料系统即时送粉，并利用同轴不连续激光头成形出TiC-Co复合材料部件，实现了增强相的分布可控，消除复合材料中TiC不均匀分布的情况，实现TiC含量可调的TiC-Co复合材料结构件的激光成形。
本发明方法同时将部件表层和内层进行分别成形，控制送粉成分和激光扫描路线，实现内外分层结构的金属基复合材料部件的激光制造，使部件内部具有金属材料的韧性，表层具有耐磨、抗高温氧化的功能，且部件整体断裂韧度为同类金属部件的80%以上。
附图说明
图1多料斗螺旋送粉混合系统结构示意图。
具体实施方式
实施例一
一种TiC-Co复合材料轴承座激光成形方法，包括以下流程：
（1）原料配方与预处理
原料配方为：石墨5.56wt.%，Ti粉末23.44wt.%，混合稀土0.55wt.%，Co余量。原料采用粉体形式，金属粉末和石墨粉颗粒尺寸60微米；将金属Ti粉、混合稀土粉末一起球磨2小时。
（2）送粉与混料
送粉工艺采用多料斗螺旋送粉混合系统完成，将Ti粉、混合稀土粉末放入第1个料斗中，石墨粉置于第2个料斗中，Co粉置于第3个料斗中；3个螺杆送粉器同时送粉，并通过螺杆转速调整TiC在成形局部的含量。
（3）激光成形
将多料斗中的粉体分别用3个管道气载输送至激光头进行激光成形，激光成形的喷嘴采用3管同轴不连续喷嘴，实现对激光熔池的环抱粉体喷射，使激光熔池各成分均匀分布。将设计部件的数字图形数据利用分层软件进行切片，并建立分层最佳激光扫描路径及其层间连接配合，设置每层厚度为0.3mm，然后在四轴数字加工机床上分层进行激光成形；控制送粉成分和激光扫描路线，进行复合部件内外分层结构的激光成形，即结构件外层为耐磨的TiC-Co复合材料，内部为金属基体材料；这使得部件内部具有金属材料的韧性，表层具有耐磨、抗高温氧化的功能。激光加工使用光纤激光器，其输出功率400W,光斑直径0.4mm，搭接率50%，激光头Ar气流量6.7L/min，送粉器Ar气流量5.4L/min，激光头扫描速度40mm/s。
成形部件内部具有金属材料的韧性，表层具有耐磨、抗高温氧化的功能，且部件整体断裂韧度为同类金属部件的80%以上。
实施例二
一种TiC-Co复合材料加热炉滑辊激光成形方法，包括以下流程：
（1）原料配方与预处理
原料配方为：石墨6.37wt.%，Ti粉末25.46wt.%，混合稀土0.58wt.%，Co余量。原料采用粉体形式，金属粉末和石墨粉颗粒尺寸60微米；将金属Ti粉、混合稀土粉末一起球磨2.5小时。
（2）送粉与混料
送粉工艺采用多料斗螺旋送粉混合系统完成，将Ti粉、混合稀土粉末放入第1个料斗中，石墨粉置于第2个料斗中，Co粉置于第3个料斗中；3个螺杆送粉器同时送粉，并通过螺杆转速调整TiC在成形局部的含量。
（3）激光成形
将多料斗中的粉体分别用3个管道气载输送至激光头进行激光成形，激光成形的喷嘴采用3管同轴不连续喷嘴，实现对激光熔池的环抱粉体喷射，使激光熔池各成分均匀分布。将设计部件的数字图形数据利用分层软件进行切片，并建立分层最佳激光扫描路径及其层间连接配合，设置每层厚度为0.3mm，然后在四轴数字加工机床上分层进行激光成形；控制送粉成分和激光扫描路线，进行复合部件内外分层结构的激光成形，即结构件外层为耐磨的TiC-Co复合材料，内部为金属基体材料；这使得部件内部具有金属材料的韧性，表层具有耐磨、抗高温氧化的功能。激光加工使用光纤激光器，其输出功率400W,光斑直径0.35mm，搭接率60%，激光头Ar气流量4.5L/min，送粉器Ar气流量6.8L/min，激光头扫描速度27mm/s。
成形部件内部具有金属材料的韧性，表层具有耐磨、抗高温氧化的功能，且部件整体断裂韧度为同类金属部件的80%以上。
实施例三
一种TiC-Co复合材料耐高温轴套激光成形方法，包括以下流程：
（1）原料配方与预处理
原料配方为：石墨7.46wt.%，Ti30.78wt.%，混合稀土0.64wt.%，Co余量。原料采用粉体形式，金属粉末和石墨粉末颗粒尺寸200微米以上；将金属Ti粉、混合稀土粉末一起球磨3小时。
（2）送粉与混料
送粉工艺采用多料斗螺旋送粉混合系统完成，将Ti粉、混合稀土粉末放入第1个料斗中，石墨粉置于第2个料斗中，Co粉置于第3个料斗中；3个螺杆送粉器同时送粉，并通过螺杆转速调整TiC在成形局部的含量。
（3）激光成形
将多料斗中的粉体分别用3个管道气载输送至激光头进行激光成形，激光成形的喷嘴采用3管同轴不连续喷嘴，实现对激光熔池的环抱粉体喷射，使激光熔池各成分均匀分布。将设计部件的数字图形数据利用分层软件进行切片，并建立分层最佳激光扫描路径及其层间连接配合，设置每层厚度为0.3mm，然后在四轴数字加工机床上分层进行激光成形；控制送粉成分和激光扫描路线，进行复合部件内外分层结构的激光成形，即结构件外层为耐磨的TiC-Co复合材料，内部为金属基体材料；这使得部件内部具有金属材料的韧性，表层具有耐磨、抗高温氧化的功能。激光加工使用光纤激光器，其输出功率1000W,光斑直径0.3mm，搭接率70%，激光头Ar气流量7.5L/min，送粉器Ar气流量9.8L/min，激光头扫描速度8mm/s。
成形部件内部具有金属材料的韧性，表层具有耐磨、抗高温氧化的功能，且部件整体断裂韧度为同类金属部件的80%以上。

Claims (3)

1.一种TiC-Co复合材料构件的激光成形方法，其特征在于包括如下步骤：
（1）原料配方与预处理
原料配方为：石墨5.56~7.46wt.%，Ti23.44~30.78wt.%，混合稀土0.55~0.64wt.%，Co余量，原料采用粉体形式，金属粉末和石墨粉颗粒尺寸60~200微米；将金属Ti粉、稀土粉末一起球磨0.4~7小时；
（2）送粉与混料
采用多料斗螺旋送粉混合系统送粉和及时混合，所述多料斗螺旋送粉和混合系统由三个送粉器分别通过送粉管与一个共同的激光头组成，将Ti粉、稀土粉末放入第1个料斗中，石墨粉置于第2个料斗中，Co粉置于第3个料斗中；3个送粉器同时送粉，并通过调节螺杆转速控制粉料的比例；
（3）激光成形
激光成形的激光头采用3管同轴不连续喷嘴，实现对激光熔池的环抱粉体喷射，使激光熔池各成分均匀分布；将设计部件的数字图形利用分层软件进行切片，并建立激光扫描路径及其层间连接配合，设置每层厚度为0.04~0.6mm，然后在四轴数字加工机床上分层进行激光成形；控制送粉成分和激光扫描路线，使得局部生成的增强相TiC的比例成梯度变化，即构件外层为耐磨的TiC-Co复合材料，内部为金属基体材料，并最终使用的原料符合步骤（1）的比例要求。
2.根据权利要求1所述的激光成形方法，其特征在于，步骤（3）中，采用光纤/CO2激光器，输出功率100~3000W,光斑直径0.2~4mm，搭接率10~80%，激光头Ar气流量0.2~13L/min，送粉器Ar气流量0.2~12L/min，激光头扫描速度3~125mm/s。
3.根据权利要求1所述的激光成形方法，其特征在于，所述送粉器由料斗、螺杆和流化器组成，所述螺杆由直流步进电机推动。
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