CN106544672B

CN106544672B - 一种通过激光加工制备准晶化复合材料的方法

Info

Publication number: CN106544672B
Application number: CN201710023627.2A
Authority: CN
Inventors: 李嘉宁; 景财年; 张元彬; 刘鹏; 袁兴栋; 李嘉宸; 石磊; 董琬晴
Original assignee: Shandong Jianzhu University
Current assignee: Shandong Jianzhu University
Priority date: 2017-01-13
Filing date: 2017-01-13
Publication date: 2019-02-12
Anticipated expiration: 2037-01-13
Also published as: CN106544672A

Abstract

本发明公开了一种通过激光同步熔粉送丝制备准晶化复合材料的方法。具体步骤：将一定质量比例Stellite SF 12‑NB‑Mo混合粉末烘干并充分混合，采用氩气作为保护气；用激光器、同轴送粉器及同步送丝装置对钛合金表面进行激光熔化沉积处理，工艺参数：激光功率1.00～4.80 kW，光斑直径0.3～4.0 mm，激光束扫描速度12～18 mm/s，送粉率6～32 g/min，多道搭接率18～55%，送丝速度8～15 mm/s；喷嘴直接将Stellite SF12‑NB‑Mo混合粉末吹向试样待处理表面；同时将La₂O₃包覆TC11丝材呈一定角度送到熔池边缘，粉末与丝材同时经激光加工后可获得激光熔化沉积复合材料；后采用激光同轴送粉方式将SiMn粉末激光合金化于该复合材料表面，形成准晶化复合材料。本发明能获得表面形貌及显微硬度显著提高的复合材料。

Description

一种通过激光加工制备准晶化复合材料的方法

技术领域

本发明涉及一种绿色高效节能实现钛合金表面准晶化的方法，属于材料表面强化技术领域。特别涉及一种利用激光同步熔粉送丝技术在氩气环境下使激光熔化沉积复合材料准晶化的方法。

背景技术

激光熔丝沉积技术作为增材制造领域的关键技术之一，已在部分航空工业产品中得到应用。相对目前应用较广泛的激光熔粉沉积技术，激光熔丝沉积技术具有材料利用率高、速度快、绿色环保、沉积层组织缺陷较少且组织结构更为细密等诸多优点。激光熔丝沉积技术可实现工件纳米化，使被修复工件表面的理化性能得到显著改善，并延长使用寿命。激光熔丝沉积技术可修复各种失效工业零部件，如航空发动机涡轮叶片、压气机叶片等。激光熔丝及熔粉沉积技术由于其独特的技术优势，自产生之日起便受到了世界上诸多研究机构、政府及企业的多方关注。

发明内容

本发明所采用的激光熔粉送丝沉积技术结合激光熔丝沉积与熔粉沉积的各自优点，在钛合金表面制备纳米准晶化复合材料。该方法利用Stellite SF 12及TC11所含C、Si、Ti、Al与混合粉末中Mo在激光熔池中可原位生成诸如Mo₅(Si, Ti, Al)₃C等纳米晶相；激光熔化沉积技术基于其所产生熔池的高速冷却特性可实现工件准晶化，使被修复工件表面的理化性能得到显著改善，并延长使用寿命。所产生准晶体的结构与晶体、非晶体结构有本质区别，相比传统晶体和非晶体，准晶具有许多理想特性，如硬度高、摩擦系数低及抗高温氧化性好等；另外，将一定质量水玻璃（Na₂O·nSiO₂）溶液与La₂O₃充分混合，用实验刷将其均匀涂覆于TC11丝材表面，自然风干。适量La₂O₃添加可提升液态金属的流动性，降低成分偏析，减小凝固过程中成分过冷，使激光熔化沉积层组织结构均匀细化；未发生分解的La₂O₃则可阻碍晶体生长，进一步细化沉积层组织结构。基于激光合金化是一个极快速的动态熔化与凝固过程，将La₂O₃均匀涂覆于丝材表面的方法，利于La₂O₃在激光沉积层中呈均匀分布状态。采用送丝机送丝，将涂覆La₂O₃的TC11丝材呈一定角度与同轴送粉器所喷出的StelliteSF 12-NB-Mo混合粉末同时送入激光熔池中，熔池冷却凝固后可形成激光熔化沉积复合材料。最后，采用激光同轴送粉方式将SiMn粉激光合金化于该复合材料表面，从而进一步改善表面组织性能。

图1a为在TA15钛合金表面激光熔化无任何涂覆TC11丝材后沉积层的组织结构；图1b为激光熔化La₂O₃均匀涂覆TC11丝材后，沉积层的组织结构。比较发现，La₂O₃涂覆丝材所制备沉积层的组织结构较之前发生了明显细化。

基于上述科学原理，并依据激光辐射所形成高温熔池的快速冷凝特性，本发明提出了一种能够在钛合金表面制备准晶化复合材料的方法。

因激光所产生熔池具有高速冷凝特性，极利于准晶相产生。采用氩气充满激光加工过程所用箱体作为保护气，将一定质量比例Stellite SF 12-NB-Mo混合粉末采用同轴送粉工艺熔化沉积于钛合金基材之上；同时，将涂覆La₂O₃的TC11丝材与水平面呈一定角度送入激光熔池。

扫描电镜照片表明，该激光熔粉送丝沉积层的组织结构较为致密（见图2a）。图2b表明，在激光熔化沉积层中部出现大量细小块状析出物，且有诸多纳米级颗粒附于该析出物之上。在激光熔池表面张力作用下，大量纳米粒子在沉积层中产生明显的聚合现象，形成纳米团结构。

图3a是经SiMn粉末激光合金化处理后沉积层上层的SEM形貌，可观察到大量非晶块在该区域产生，该类非晶材料能将金属材料的高塑性、高韧性及非晶优异的耐磨性有机结合起来，可大幅度延长激光熔化沉积层的使用寿命。图3b是沉积层上层纳米级准晶的二十面体形态，它具有二十面体对称，准晶是传统固态晶体物质与非晶体物质之间的过渡态新物质，其结构与晶体结构和非晶体结构有本质区别。与传统晶体与非晶体物质相比较，准晶态物质在物理、化学性能及力学性能方面表现出诸多新特性，其产生将对复合材料综合力学性能的提升起到非常重要的作用。

图4为经过SiMn激光合金化后沉积层的显微硬度分布，表明SiMn激光合金化处理后沉积层上层的显微硬度范围在1800～1900 HV_0.2，较TA15基材（约370 HV_0.2）提高了约5倍，这主要归因于SiMn加入使沉积层产生大量的非晶-准晶相及沉积层致密的组织结构。但由于激光熔化沉积过程中基材对激光熔池强烈稀释作用，沉积层显微硬度分布沿层深呈明显下降趋势。

综合以上分析可知，添加Mo是通过化学反应使钛合金激光熔粉送丝沉积层实现纳米化，达到改善沉积层组织性能的目的；SiMn对沉积层的激光表面处理则有效改善了其组织结构，且可在激光沉积层上部形成准晶体；而涂覆有La₂O₃丝材添加则起到进一步细化组织并提高了材料的利用率。

本发明通过在钛合金表面同步激光熔化沉积Stellite SF 12-NB-Mo混合粉末与La₂O₃包覆TC11丝材，达到改善钛合金基材表面性能的目的。该项技术可应用于金属零部件制造及性能改进等诸多方面。

具体步骤：

（1）将一定质量比例Stellite SF 12-NB-Mo混合粉末熔覆前用烘干机烘干并通过

机械混粉器充分混合；

（2）先后用汽油和酒精把TC11丝材及钛合金基材清洗干净；

（3）将水玻璃与纯净水按体积比例1：2.5充分混合形成水玻璃溶液；后将适量La₂O₃粉末倒入水玻璃溶液中，用玻璃棒充分搅动使粉末与溶液充分混合；后用实验刷将混有La₂O₃的水玻璃溶液均匀涂覆于将要进行实验的TC11丝材表面，自然风干；

（4）用激光器、同轴送粉器及同步送丝装置对钛合金试样表面进行激光熔化沉积工艺处理。工艺参数：激光功率1.00～4.80 kW，光斑直径0.3～4.0 mm，激光束扫描速度12～18 mm/s，送粉率6～32 g/min，多道搭接率18～55 %，送丝速度8～15 mm/s；经喷嘴直接将Stellite SF12-NB-Mo混合粉末吹向试样的待处理表面；同时将TC11丝材与基材表面呈30～75度角直接送于激光熔池边缘，经激光熔粉送丝沉积工艺后即可形成纳米化复合材料。进行激光同轴送粉时激光束辐射、粉末输送与送丝同步进行，可有效提高激光熔粉送丝沉积层组织性能与粉末利用率；采用氩气充满激光加工过程所用箱体作为保护气（氩气浓度≥99.5%）；

（5）采用激光同轴送粉方式将SiMn粉激光合金化于已制备好的沉积层表面，激光功率0.80～2.80 kW，光斑直径0.3～4.0 mm，激光束扫描速度6～18 mm/s，送粉率4～16 g/min，多道搭接率20～55 %；加工期间也采用氩气充满激光加工过程所用箱体作为保护气，氩气浓度≥99.5%；

步骤（1）所述混合粉末中成分比例wt.%：3～15NB，2～8Mo，余量Stellite SF 12；Stellite SF 12化学成分wt.%：1.00C，19.00Cr，2.80Si，9.00W，3.00Fe，13.00Ni，余量Co；TC11化学成分wt.%：0.08C，0.05N，0.15O，5.80～7.00Al，0.20～0.35Si，2.8～3.8Mo，0.8～2.0Zr，0.25Fe，余量Ti。

步骤（3）所述水玻璃溶液与La₂O₃粉末的体积比例8：1；La₂O₃水玻璃溶液涂覆于TC11丝材自然风干后表面厚度0.1～0.3 mm；

步骤（2、4）所述可为TA15或TC4或TC17钛合金；

本发明可获得耐磨性及表面形貌较好的钛合金激光准晶化复合材料，本发明有工艺简单方便、适用性强、便于推广应用等优点。

附图说明

图1 (a) TA15钛合金表面激光熔化沉积无任何涂覆TC11丝材沉积层组织结构;(b) TA15钛合金表面La₂O₃均匀涂覆TC11丝材激光熔化沉积层组织结构。

图2 (a) 激光熔粉送丝熔化沉积层的SEM形貌; (b) 块状析出物与纳米颗粒团状物。

图3 (a) 经SiMn激光合金化后沉积层上层的SEM形貌; (b) 纳米级准晶SEM形貌。

图4 经SiMn激光合金化后沉积层的显微硬度分布图。

具体实施方式

实施例1：

在激光熔化沉积之前，先后用汽油和酒精清理TC17钛合金表面，并拭净、吹干；采用氩气充满激光加工过程所用箱体作为保护气。将水玻璃与纯净水按照体积比例1：2.5充分混合形成水玻璃溶液；后将体积分数为水玻璃溶液12.5%的La₂O₃粉末倒入溶液中，使粉末与熔液充分混合；用实验刷将混有La₂O₃的水玻璃溶液均匀涂覆于将要进行实验的TC11丝材表面，自然风干。将87Stellite SF 12-8NB-5Mo（wt.%）的混合粉末与涂覆La₂O₃的丝材与基材表面呈45度角同时激光沉积于TC17钛合金表面。

具体工艺步骤：

（1）在激光熔化沉积之前，用120号砂纸打磨TC17钛合金表面，使其表面粗糙度达Ra 5 μm左右；用体积百分比30%硫酸水溶液对待激光处理表面进行清洗，酸洗时间8 min；酸洗后，用清水冲洗、用酒精将待熔工件表面擦拭干净、吹干；

（1）将10g质量百分比87Stellite SF 12-8NB-5Mo混合粉末熔覆前用烘干机把粉

末烘干并通过机械混粉器充分混合；

（3）将水玻璃与纯净水按体积比例1：2.5充分混合形成水玻璃溶液；后将体积分数占水玻璃溶液12.5%La₂O₃粉末倒入溶液中，用玻璃棒充分搅动该溶液充分混合；用实验刷将混有La₂O₃水玻璃溶液均匀涂覆在将要进行合金化的TC11丝材表面，自然风干，表面厚度为0.15 mm；

（4）采用氩气充满激光加工所用箱体作为保护气，氩气浓度≥99.5%；用激光器、同轴送粉器及同步送丝装置对钛合金试样表面进行激光熔粉送丝沉积工艺处理；工艺参数：激光功率1.2 kW，光斑直径4 mm，激光束扫描速度8 mm/s，送粉率20 g/min，多道搭接率25%，经喷嘴直接将Stellite SF 12-NB-Mo混合粉末吹向试样待处理表面；同时将TC11丝材与水平面呈45度角直接送于激光熔池边缘，送丝速度10 mm/s；经激光熔化沉积工艺后即可形成准晶化复合材料；进行激光同轴送粉时激光束辐射、粉末输送与送丝同步进行，并采用氩气充满激光加工过程所用箱体作为保护气，氩气浓度≥99.5%；

（5）采用激光同轴送粉方式将SiMn粉激光合金化于所制备纳米化复合材料表面，激光功率1 kW，光斑直径4.0 mm，激光束扫描速度11 mm/s，送粉率8 g/min，多道搭接率35%；加工期间也采用氩气充满激光加工过程所用箱体作为保护气，氩气浓度≥99.5%。

Claims

1.一种通过激光加工制备准晶化复合材料的方法，其特征是：

（1）将水玻璃与纯净水按一定体积比例充分混合形成水玻璃溶液；后将La₂O₃粉末倒入该溶液中，用玻璃棒充分搅动该溶液充分混合；后用实验刷将混有La₂O₃的水玻璃溶液均匀涂覆于将要进行合金化的TC11丝材表面，自然风干；

（2）将Stellite SF 12-NB-Mo混合粉末熔覆前用烘干机把粉末烘干并通过机械混粉器充分混合；采用氩气充满激光加工所用箱体作为保护气，氩气浓度≥99.5%；用激光器、同轴送粉器以及同步送丝装置对钛合金试样表面进行激光熔化沉积工艺处理，工艺参数：激光功率1.00～4.80 kW，光斑直径0.3～4.0 mm，激光束扫描速度12～18 mm/s，送粉率6～32g/min，多道搭接率18～55%，经喷嘴直接将之前混合的Stellite SF12-NB-Mo粉末吹向试样待处理表面；同时，将TC11丝材呈30～75度角直接送到激光熔池边缘，送丝速度8～15 mm/s；进行激光同轴送粉时激光束、粉末输送与送丝同步进行，经激光加工工艺后即可形成激光熔化沉积复合材料；

（3）采用激光同轴送粉方式将SiMn粉末激光合金化于该复合材料表面，激光功率0.80～2.80 kW，光斑直径0.3～4.0 mm，激光束扫描速度6～18 mm/s，送粉率4～16 g/min，多道搭接率20～55 %，加工期间也采用氩气充满激光加工过程所用箱体作为保护气，氩气浓度≥99.5%，经此激光合金化工艺后即可形成准晶化复合材料。

2.根据权利要求1所述的一种通过激光加工制备准晶化复合材料的方法，步骤（1）所述将水玻璃与纯净水按照1：2.5体积比例进行充分混合，La₂O₃粉末体积分数占水玻璃溶液12.5%；将La₂O₃水玻璃溶液涂覆于TC11丝材自然风干后表面厚度0.1～0.3 mm。

3.根据权利要求1所述的一种通过激光加工制备准晶化复合材料的方法，步骤（2）所述混合粉末中成分比例wt.%： 3～15NB， 2～8Mo，余量Stellite SF 12；Stellite SF 12中成分比例wt.%：1.00C，19.00Cr，2.80Si，9.00W，3.00Fe，13.00Ni，余量Co。