CN108465814A - 原位合成TiC增强钛基复合材料的激光制备装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及原位合成TiC增强钛基复合材料的激光制备装置及方法，包括数控系统、气氛控制系统、送粉铺粉系统、激光系统和成形室，其中送粉铺粉系统下端设置有铺设钛合金球形粉末的刮刀；该装置结合选区激光熔化与激光化学气相沉积技术，利用激光束的高能高温特性裂解碳源气体，裂解产物碳与基体钛原位反应生成均匀分散的TiC增强相，并与熔化–凝固过程中的基体钛进行复合，通过SLM逐层工作的方式最终制备出TiC增强钛基复合材料。原位生成的TiC增强相和基体钛之间的界面清洁干净，可有效解决现有复合材料界面结合强度差、增强相团聚等问题。通过气态碳源扩散‑反应原位生成的TiC增强钛基复合材料组织可控，力学性能显著提升。

Description

原位合成TiC增强钛基复合材料的激光制备装置及方法
技术领域
本发明属于原位生成TiC增强钛基复合材料的激光制备技术领域，特别涉及一种原位合成TiC增强钛基复合材料的激光制备装置及方法。
背景技术
TiC增强钛基复合材料具有优异的物理性能和力学性能。因此，其制备工艺及理论研究迅速发展，例如：粉末冶金法、搅拌铸造法、喷射沉积法、机械合金化法、自蔓延高温合成法、液态浸渗法。复合材料的制备方法和制备工艺十分重要，它将直接影响着复合材料的组织结构和力学性能。
然而，目前制备复合材料大都采用在原基体材料中加入增强相，或是通过引入反应物与基体原位自生复合材料，主要通过球磨混合、机械搅拌混合，或是通过熔体熔融渗透、蔓延等方法来实现增强相和基体的分散，两者难以均匀分散。本发明将激光气相沉积技术(LCVD)与激光选区熔化成形(SLM)技术相结合，在钛合金的SLM熔化成形过程中加入气态碳源，通过控制其在激光与钛合金作用产生的高温区域的裂解，裂解中间产物不定形碳(C)与基体钛(Ti)原位反应生成均匀分散的TiC增强相(LCVD过程)，并与熔化–凝固过程中的钛合金基体进行复合，通过SLM逐层工作的方式最终制备出TiC增强钛基复合材料。如此的快速成形法，将极大程度地缩短制备周期，提高制备效率，并可直接成形出中空(或形状复杂)轻质零部件。最重要的是，原位生成的TiC增强相和钛合金基体之间的界面清洁干净，可有效解决现有制备方法制备出的复合材料界面结合强度差和增强相团聚等问题。通过气态碳源与固态钛合金反应生成的TiC增强钛基复合材料微观组织可控，力学性能显著提升。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的之一在于提供一种原位合成TiC增强钛基复合材料的激光制备装置；本发明的目的之二在于提供原位合成TiC增强钛基复合材料的方法，采用选区激光熔化(SLM)与激光化学气相沉积(LCVD)并行加工技术，利用激光束的高能高温特性裂解反应气氛中的碳源，生成物不定形碳与基体钛原位反应生成均匀分散的TiC增强相(LCVD过程)，并与熔化–凝固过程中的钛合金基体进行复合，通过SLM逐层工作的方式最终制备出TiC增强钛基复合材料。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
原位合成TiC增强钛基复合材料的激光制备装置，包括数控系统、气氛控制系统、送粉铺粉系统、激光系统和成形室，所述送粉铺粉系统下端设置有用于铺设钛合金球形粉末的刮刀。
优选的，所述激光系统由激光器和激光传输装置组成，激光器通过激光传输装置将激光束聚焦到粉末床以实现对钛合金粉末的选区熔化。
优选的，所述成形室内设置有收粉装置和粉末床，所述成形室内外设置有出口Ⅱ和气体供应系统。
更优选的，所述气体供应系统由碳源气体室、惰性气体室、混气室、气体循环装置以及出口Ⅰ构成。
更优选的，所述形室内还设有真空压力传感器、氧含量传感器、碳源气体含量传感器、氢气含量传感器和循环气体流量计。
2、原位合成TiC增强钛基复合材料的方法，包括如下步骤：
(1)启动气氛控制系统净化成形室，碳源气体和惰性气体按一定浓度比例在混气室内混合后进入成形室，并在气体循环装置作用下在循环和分散；
(2)送粉铺粉系统控制刮刀均匀铺设一层钛合金球形粉末于粉末床上；
(3)按照预设三维图形文件，激光束扫描金属粉末，在钛合金粉末的加工平面上形成聚焦光斑，熔化钛合金粉末形成零件单层截面；
(4)在高温熔池附近的碳源气体裂解后生成不定形碳，并与熔化-凝固过程中的钛合金基体进行复合，以原位制备TiC增强的钛基复合材料；
(5)重复步骤(2)～(4)，通过逐层熔化和复合的方法实现复合材料的三维成形，气体通过出口Ⅰ和出口Ⅱ排放，钛合金粉末通过收粉装置回收。
优选的，步骤(1)中，混气室内碳源气体含量为0～100vol.％。
优选的，步骤(2)中，所述铺设一层钛合金球形粉末的铺粉层厚为0.02～0.25mm。
优选的，所述钛合金球形粉末的尺寸为0.02～0.1mm。
优选的，所述碳源气体种类为CH4、C2H4、C2H2、CO的一种或多种混合，但不局限于以上种类的气体。
更优选的，步骤(3)中，激光束扫描的激光功率为50～400W，扫描速度为50～300mm/s，扫描间距为0.05～0.25mm。
本发明的有益效果在于：
1、本发明通过数控系统对送粉铺粉系统、激光器、气氛控制系统等进行集中控制，具有实时性强、处理速度快等优点，本发明制备TiC增强钛基复合材料周期短、效率高、组织可控、力学性能好。
2、相对于现有设备和技术，本发明采用SLM和LCVD相结合的制备工艺，分散性良好的气态碳源与固态钛合金粉末原位生成均匀分散的TiC增强相和钛合金基体之间的界面清洁干净，有效解决了现有制备方法制备出的复合材料界面结合强度差和增强相团聚等问题。
3、本发明装置可以实时监控成形室内惰性气体、碳源气体和氢气的浓度值。
4、本发明可调节碳源气体种类、碳源浓度、碳源流量和激光工艺参数制备具有不同形貌、尺寸的TiC增强相。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：
图1为本发明的结构示意图。
图2为TiC增强钛基复合材料微观形貌组织图(a：颗粒状晶TiC；b：枝状晶TiC)。
图3为TiC增强钛基复合材料EDS线扫描图谱(A：扫描图图谱；B：Ti、C、Al扫描
图谱；C：Ti、C、Al合并图谱)。
图4为纯钛合金成形试样和TiC增强钛基复合材料X射线衍射图谱(黑色方块代表原
位生成TiC增强相的特征衍射峰)。
图5为纯钛合金成形试样和TiC增强钛基复合材料压缩断裂应力-应变曲线。
具体实施方式
下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。
实施例1、原位合成TiC增强钛基复合材料的激光制备装置
原位合成TiC增强钛基复合材料的激光制备装置，结构如图1所示，包括数控系统、气氛控制系统、送粉铺粉系统(6)、激光系统和成形室(1)；其中数控系统分别与激光器(3)、送粉铺粉系统(6)和气氛控制系统连接，其中送粉铺粉系统(6)下端设置有刮刀(8)，用于铺设钛合金球形粉末；成形室(1)内设置有收粉装置(14)和粉末床(15)，成形室(1)外设置有气体供应系统和出口Ⅱ(2)，气体供应系统由碳源气体室(10)、惰性气体室(11)、混气室(12)、气体循环装置(13)以及出口Ⅰ(16)构成，并且成形室内还设有真空压力传感器、氧含量传感器、碳源气体含量传感器、氢气含量传感器、循环气体流量计，激光系统由激光器(3)和激光传输装置(4)组成，激光器(3)通过激光传输装置(4)将激光束(5)透过激光保护镜(7)聚焦到粉末床(15)以实现对钛合金粉末的选区熔化，通过逐层加工的方式制备出复合材料三维成形件(9)。
本发明中，数控系统控制激光功率、扫描速度、扫描间距、扫描策略、铺粉层厚、碳源含量、碳源流量等重要工艺参数。
作为本发明优选的方案，激光传输装置包括光路传输元件、扫描振镜、聚焦镜片等；调节激光参数使高温熔池附近的碳源气体裂解后生成不定形碳，并与熔化-凝固过程中的钛合金基体进行复合，以原位制备TiC增强的钛基复合材料，通过逐层熔化的方法实现复合材料的三维成形(9)。
实施例2、原位合成TiC增强钛基复合材料的激光制备装置原位合成TiC增强钛基复合材料的方法
原位合成TiC增强钛基复合材料的方法，包括如下步骤：
(1)启动气氛控制系统净化成形室，碳源气体和惰性气体按一定浓度比例在混气室内混合后进入成形室，并在气体循环装置作用下在循环和分散；
(2)送粉铺粉系统控制刮刀均匀铺设一层钛合金球形粉末于粉末床上；
(3)按照预设三维图形文件，激光束扫描金属粉末，在钛合金粉末的加工平面上形成聚焦光斑，熔化钛合金粉末形成零件单层截面；
(4)在高温熔池附近的碳源气体裂解后生成不定形碳，并与熔化-凝固过程中的钛合金基体进行复合，以原位制备TiC增强的钛基复合材料；
(5)重复步骤(2)～(4)，通过逐层熔化和复合的方法实现复合材料的三维成形。
制备过程中气体通过出口Ⅰ和出口Ⅱ排放，钛合金粉末通过收粉装置(14)回收。
本发明中，通过改变钛合金粉末尺寸、铺粉层厚、碳源含量、碳源流量、激光功率、扫描速度、扫描间距、扫描策略等重要工艺参数，优化复合材料的设计与加工条件，获得组织结构可控和力学性能优异的复合材料。优选的，激光功率为50～400W，扫描速度为50～300mm/s，扫描间距为0.05～0.25mm，钛合金粉末尺寸为0.02～0.1mm，铺粉层厚为0.02～0.25mm，碳源含量为0～100vol.％。
TiC增强钛基复合材料微观形貌组织图如图2所示；TiC增强钛基复合材料EDS线扫描图谱结果如图3所示；纯钛合金成形试样和TiC增强钛基复合材料X射线衍射图谱如图4所示；纯钛合金成形试样和TiC增强钛基复合材料试样的压缩断裂应力-应变曲线如图5所示。结果显示，本发明通过采用SLM和LCVD相结合的制备工艺，使气态碳源分散性良好，气态碳源裂解生成的不定形碳能有效分散并与金属基体发生可控反应，制得的TiC增强相和钛合金基体之间的界面清洁干净，有效解决了现有制备方法制备出的复合材料界面结合强度差和增强相团聚等问题。通过本方法制备的TiC增强钛基复合材料微观组织可控，力学性能显著提升(如图5所示,某碳源浓度为23.5vol％氛围下制备的TiC/钛基复合材料强度明显增加，某碳源浓度为13.5vol％氛围下制备的TiC/钛基复合材料强度变化不大，但塑性(韧性)明显增加)。
最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。

Claims (10)

1.原位合成TiC增强钛基复合材料的激光制备装置，包括数控系统、气氛控制系统、送粉铺粉系统、激光系统和成形室，其特征在于：所述送粉铺粉系统下端设置有用于铺设钛合金球形粉末的刮刀。
2.根据权利要求1所述原位合成TiC增强钛基复合材料的激光制备装置，其特征在于：所述激光系统由激光器和激光传输装置组成，激光器通过激光传输装置将激光束聚焦到粉末床以实现对钛合金粉末的选区熔化。
3.根据权利要求1所述原位合成TiC增强钛基复合材料的激光制备装置，其特征在于：所述成形室内设置有收粉装置和粉末床，所述成形室内外设置有出口Ⅱ和气体供应系统。
4.根据权利要求1所述原位合成TiC增强钛基复合材料的激光制备装置，其特征在于：所述气体供应系统由碳源气体室、惰性气体室、混气室、气体循环装置以及出口Ⅰ构成。
5.根据权利要求1所述原位合成TiC增强钛基复合材料的激光制备装置，其特征在于：所述形室内还设有真空压力传感器、氧含量传感器、碳源气体含量传感器、氢气含量传感器和循环气体流量计。
6.原位合成TiC增强钛基复合材料的方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)启动气氛控制系统净化成形室，碳源气体和惰性气体按一定浓度比例在混气室内混合后进入成形室，并在气体循环装置作用下在循环和分散；
(2)送粉铺粉系统控制刮刀均匀铺设一层钛合金球形粉末于粉末床上；
(3)按照预设三维图形文件，激光束扫描金属粉末，在钛合金粉末的加工平面上形成聚焦光斑，熔化钛合金粉末形成零件单层截面；
(4)在高温熔池附近的碳源气体裂解后生成不定形碳，并与熔化-凝固过程中的钛合金基体进行复合，以原位制备TiC增强的钛基复合材料；
(5)重复步骤(2)～(4)，通过逐层熔化和复合的方法实现复合材料的三维成形，气体通过出口Ⅰ和出口Ⅱ排放，钛合金粉末通过收粉装置回收。
7.根据权利要求6所述原位合成TiC增强钛基复合材料的方法，其特征在于：所述碳源气体种类为CH4、C2H4、C2H2、CO的一种或多种混合。
8.根据权利要求6所述原位合成TiC增强钛基复合材料的方法，其特征在于：步骤(1)中，混气室内碳源气体含量为0～100vol.％。
9.根据权利要求6所述原位合成TiC增强钛基复合材料的方法，其特征在于：步骤(2)中，所述铺设一层钛合金球形粉末的铺粉层厚为0.02～0.25mm；所述钛合金球形粉末的尺寸为0.02～0.1mm。
10.根据权利要求6所述原位合成TiC增强钛基复合材料的方法，其特征在于：步骤(3)中，激光束扫描的激光功率为50～400W，扫描速度为50～300mm/s，扫描间距为0.05～0.25mm。
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