CN108568523A - 一种密度梯度材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种钛‑铝合金密度梯度材料及其制备方法，所设计的钛‑铝合金密度梯度材料各层之间成分变化小，呈梯度变化，优选为呈准连续梯度变化。其制备方法是以Ti6Al4V粉末和AlSi10Mg粉末为原料，采用同轴实时变比例送粉方法，逐渐改变钛合金和铝合金粉末成分，以高功率激光束熔化金属粉末，通过逐层叠加制造而成。本发明所制备的钛‑铝合金密度梯度材料各层之间成分变化小，呈梯度变化，沿厚度方向材料性能(如硬度)呈梯度变化，且可制备形状复杂的梯度材料。本发明所设计和制备的钛‑铝合金密度梯度材料为低密度材料，能满足航空航天、汽车制造等领域对材料的轻质高强要求，具有重要的理论意义和实际应用价值。

Description

一种密度梯度材料及其制备方法
技术领域
本发明属于梯度材料制备技术领域，具体而言，属于一种利用激光直接制造技术制备密度梯度材料的方法，尤其涉及一种钛-铝合金密度梯度材料及其制备方法。
背景技术
钛合金、铝合金以其比强度高、密度小、耐蚀性好、塑性好、热力学性能优良等特点，成为航空航天重点发展的材料。针对航空材料特殊性能的要求，将钛合金、铝合金两者性能综合，制备成轻质高强连续密度梯度材料，能大大提高航空航天领域对结构件轻量化和性能的要求，并且在超高速撞击领域，密度梯度可导致冲击波压力传播规律的变化，从而提高防护结构的防护性能，密度梯度材料在未来航空航天、汽车制造等领域有广阔的应用前景。
密度梯度材料是一类密度沿厚度方向呈梯度变化的功能梯度材料，制造密度梯度零件的主要方法有粉末冶金法、等离子喷涂法、气相沉积法、离心铸造法、自蔓延合成法等，但这些技术在制造密度梯度材料、控制密度分布等方面均存在一定的局限性。如粉末冶金法难以实现材料组分连续/均匀变化；等离子喷涂法各涂层间存在成分突变的界面和各涂层的结合强度不高等问题；气相沉积法只能制备薄层，难以得到具有一定厚度的大尺寸材料；离心铸造法要求组分间必须有较大的密度差，一般仅适用于圆筒类铸件；自蔓延合成法制备的材料密度低，应用效果差。
目前密度梯度材料主要有W-Mo-Ti、W-Mo-Mg、W-Cu、Mg-Cu、Al-Cu等体系，但上述材料基本采用重金属与轻质金属相结合，相对密度大、且多为层状梯度，即材料的层与层之间的密度差值很大。依据对航天材料的特殊要求，需要尽可能采用低密度金属、减小中间层之间的密度跳跃幅度，并实现密度分布的变化。钛合金、铝合金作为轻质材料的代表，其Ti6Al4V理论密度为4.40g/cm3，AlSi10Mg理论密度为2.67g/cm3。但目前为止还未见采用激光烧结技术制备由Ti6Al4V合金和AlSi10Mg合金构成的密度梯度材料，尤其是未见采用激光烧结技术制备由Ti6Al4V合金和AlSi10Mg合金构成的密度准连续梯度材料。
发明内容
本发明的目的在于针对现有密度梯度材料相对密度大、层状分布而非连续梯度分布等问题，提供一种密度梯度材料及其制备方法，以满足材料的性能、结构和轻量化要求。
解决上述技术问题的技术方案为：
本发明一种密度梯度材料，所述密度梯度材料由Ti6Al4V合金和AlSi10Mg合金构成；其结构为包括以下3种方案：
方案一，沿密度梯度材料厚度方向，其密度呈梯度变化。优选为其密度呈准连续梯度变化。
方案二，所述密度梯度材料的密度以中间密度大、两边密度小的方式分布；且中间到任意一边的密度变化呈梯度变化。优选为：所述密度梯度材料的密度以中间密度大、两边密度小的方式分布；且中间到任意一边的密度变化呈准连续梯度变化。
方案三，所述密度梯度材料的密度以中间密度小、两边密度大的方式分布；且中间到任意一边的密度变化呈梯度变化。优选为：所述密度梯度材料的密度以中间密度小、两边密度大的方式分布；且中间到任意一边的密度变化呈准连续梯度变化。
本发明一种密度梯度材料，以方案二所得成品为一个循环节，可循环排布。
本发明一种密度梯度材料，以方案三所得成品为一个循环节，可循环排布。
本发明一种密度梯度材料，所述密度梯度材料中，密度最大区域的密度最大值为4.40g/cm3。
本发明一种密度梯度材料，所述密度梯度材料中，密度最小区域的密度最小值为2.67g/cm3。
本发明一种密度梯度材料，方案一中，Ti6Al4V的体积含量由100％逐渐减少到0％，密度从4.40g/cm3到2.67g/cm3且呈梯度变化。优选为：密度从4.40g/cm3到2.67g/cm3且呈准连续梯度变化
本发明一种密度梯度材料，所述密度梯度材料中，密度最大区域至密度最小区域的密度变化呈梯度变化。优选为：所述密度梯度材料中，密度最大区域至密度最小区域的密度变化呈准连续梯度变化。
本发明一种密度梯度材料的制备方法，包括下述步骤：
步骤一
建立准连密度梯度材料的三维模型图，将模型图切片为多个厚度为d的平面图层，设计各平面图层的密度并在计算机上填充各平面图层的扫描路径；所述d小于等于0.4毫米；
步骤二
以Ti6Al4V粉末和AlSi10Mg粉末为原料，根据各层材料的密度设计，计算Ti6Al4V合金和AlSi10Mg合金组分的比例，确定各层Ti6Al4V粉末和AlSi10Mg粉末的送粉量；
步骤三
设置各平面图层的激光功率P、扫描速度S、Ti6Al4V送粉量、AlSi10Mg送粉量、载气流量Rp、保护气体流量、Z轴单层行程△z，并将各参数输入计算机数控系统；
步骤四
将Ti6Al4V粉末和AlSi10Mg粉末分别倒入各自的送粉缸中，将基板固定在数控装置工作台上；
步骤五
关闭保护气体入口，在保护气体出口接真空泵抽真空，待真空值为0.085MPa后，关闭真空泵，开启保护气体入口将高纯氩气充入激光直接制造工作室中，使工作室处于气氛保护环境；
步骤六
开启激光束电源和计算机数控系统；激光束在基板上形成熔池，Ti6Al4V合金粉和AlSi10Mg合金粉末按设定量通过输粉管进入同轴喷嘴的粉末入口，并最终进入熔池，形成熔覆层；按设定参数操作，得到沿密度梯度材料厚度方向密度呈梯度变化的金属密度梯度梯度材料。
本发明一种密度梯度材料的制备方法，步骤四中所述基板为冷轧纯钛基板。
本发明一种密度梯度材料的制备方法中，激光是固定不运动的，扫描速度就是激光器与工作台的相对速度。
本发明一种密度梯度材料的制备方法，激光功率P为140-180W、扫描速度S为400-600mm/min、Ti6Al4V送粉量为0-0.88g/min、AlSi10Mg送粉量为0-0.53g/min、载气流量Rp为7-9L/min、保护气体流量为160-200L/h、Z轴单层行程△z＝d。
d的优选范围为0.2-0.4mm。
本发明一种密度梯度材料的制备方法，当某一层设定的密度为A时，其表达式为：
其中，AlSi10Mg送粉量的单位为g/min；
Ti6Al4V送粉量的单位为g/min。
本发明一种密度梯度材料的制备方法，Ti6Al4V粉末的粒度为45-75μm，AlSi10Mg粉末的密度为75-150μm。
本发明以Ti6Al4V粉末和AlSi10Mg粉末为原料，采用同轴实时变比例送粉方法，逐渐改变钛合金和铝合金粉末成分，以高功率激光束熔化金属粉末，通过逐层叠加制造而成。
本发明和现有技术相比较，具有如下优点：
1、钛-铝合金密度梯度材料为低密度材料，能满足航空航天、汽车制造等领域对材料的轻质高强要求。
2、采用先抽真空后充惰性气体工艺，提供高纯度惰性气体保护环境，防止活泼金属的氧化。
3、该方法制备的密度梯度材料各层之间成分变化小，呈梯度变化，沿厚度方向材料硬度等性能呈梯度变化。
4、该方法制备的密度梯度材料不受部件形状限制，可制备形状复杂的梯度材料。
附图说明
图1为实施例1所制备钛-铝密度梯度材料示意图。
图2为激光直接制造设备原理图。
图3为实施例3制备的Ti6Al4V-AlSi10Mg连续密度梯度材料硬度的分布曲线图。
从图1可以看出沿密度梯度材料厚度方向，其密度呈梯度变化；图中黑色部分表示密度较大的区域。
图2中：1送粉缸、2激光束、3输粉管、4同轴喷嘴、5粉末入口、6熔覆层、7熔池、8激光直接制造工作室、9保护气体入口、10保护气体出口、11基板、12数控装置工作台。
从图3可以看出，梯度材料硬度随AlSi10Mg合金质量分数的增加而呈线性减小。
具体实施方式
本发明以Ti6Al4V粉末和AlSi10Mg粉末为原料，采用激光直接制造技术制备了成分从100％Ti6Al4V向100％AlSi10Mg逐渐改变、密度从4.40g/cm3到2.67g/cm3变化的密度梯度材料。该材料各层之间成分变化小，呈梯度变化，沿厚度方向材料硬度等性能呈梯度变化，并具有质量轻、强度高的特点。
以下是本发明的具体实施例，对本发明的技术方案作进一步的详细说明，但是本发明的保护范围并不限于这些实施例，在本发明的原则之内，对材料种类、工艺参数的改变等均在本发明的保护范围之内。
实施例1
建立直径φ＝40mm、厚度h＝3mm的圆柱形三维模型图，将模型图切片为0.2mm厚的平面图形，并填充各平面图形的扫描路径。设计的密度梯度材料由11种梯度层组成，Ti6Al4V的体积含量依次为100％、90％、80％、70％、60％、50％、40％、30％、20％、10％、0％，其中100％Ti6Al4V四层，其它成分各一层，每层0.2mm厚。根据前期研究，设置各层的参数：激光功率140-180(W)、扫描速度400-600(mm/min)、Ti6Al4V送粉量0-0.88(g/min)、AlSi10Mg送粉量0-0.53(g/min)、载气流量7-9(L/min)、保护气体流量160-200(L/h)、Z轴单层行程△z＝0.2mm，并将各参数输入计算机数控系统。将Ti6Al4V粉末和AlSi10Mg粉末分别倒入左、右送粉缸1中，将100mm×100mm×8mm规格的冷轧纯钛基板11固定在数控装置工作台12上。关闭保护气体入口9，在保护气体出口10接真空泵抽真空，待真空值为0.085MPa后，关闭真空泵，开启保护气体入口9将高纯氩气充入激光直接制造工作室8中，使工作室8处于气氛保护环境。开启激光束2电源和计算机数控系统。激光束在基板上形成熔池7，钛、铝合金粉末通过输粉管3进入同轴喷嘴4的粉末入口5，并最终进入熔池7，形成熔覆层6。通过计算机数控系统实时控制数控装置X、Y、Z轴的移动和激光功率，逐层叠加制造Ti6Al4V-AlSi10Mg密度梯度梯度材料，如附图1所示。所获Ti6Al4V-AlSi10Mg密度梯度梯度材料，密度从4.40g/cm3到2.67g/cm3呈变化。实施例1所得产品内部还存在一定的裂纹。
实施例2
建立直径φ＝40mm、厚度h＝7.2mm的圆柱形三维模型图，将模型图切片为0.2mm厚的平面图形，并填充各平面图形的扫描路径。设计的密度梯度材料由11种梯度层组成，Ti6Al4V的体积含量依次为100％、90％、80％、70％、60％、50％、40％、30％、20％、10％、0％、10％、15％、20％、25％、30％、35％、40％、45％、50％、55％、60％、65％、70％、75％、80％、85％、90％、95％、100％、其中第一个100％Ti6Al4V分四层(即铺粉厚度为0.8mm)、第二100％Ti6Al4V也分四层(即铺粉厚度为0.8mm)，其它成分各一层，每层0.2mm厚。根据前期研究，设置各层的参数：激光功率140-180(W)、扫描速度400-600(mm/min)、Ti6Al4V送粉量0-0.88(g/min)、AlSi10Mg送粉量0-0.53(g/min)、载气流量7-9(L/min)、保护气体流量160-200(L/h)、Z轴单层行程△z＝0.2mm，并将各参数输入计算机数控系统。将Ti6Al4V粉末和AlSi10Mg粉末分别倒入左、右送粉缸1中，将100mm×100mm×8mm规格的冷轧纯钛基板11固定在数控装置工作台12上。关闭保护气体入口9，在保护气体出口10接真空泵抽真空，待真空值为0.085MPa后，关闭真空泵，开启保护气体入口9将高纯氩气充入激光直接制造工作室8中，使工作室8处于气氛保护环境。开启激光束2电源和计算机数控系统。激光束在基板上形成熔池7，钛、铝合金粉末通过输粉管3进入同轴喷嘴4的粉末入口5，并最终进入熔池7，形成熔覆层6。通过计算机数控系统实时控制数控装置X、Y、Z轴的移动和激光功率，逐层叠加制造Ti6Al4V-AlSi10Mg密度梯度梯度材料。所获Ti6Al4V-AlSi10Mg材料为密度梯度呈准连续梯度分布的材料，密度最大处的密度值为4.40g/cm3、密度最小处的密度值为2.67g/cm3。此时发现所得材料内部的裂纹比较少，性能相对比与实施例1更为优越。
实施例3
建立直径30mm×30mm×4mm的正方体三维模型图，将模型图切片为0.2mm厚的平面图形，并填充各平面图形的扫描路径。设计的密度梯度材料由7种梯度层组成，Ti6Al4V的体积含量依次为100％、80％、60％、40％、20％，各成分四层，每层0.2mm厚。根据前期研究，设置各层的参数：激光功率150-180(W)、扫描速度400-600(mm/min)、Ti6Al4V送粉量0.18-0.88(g/min)、AlSi10Mg送粉量0-0.43(g/min)、载气流量7-9(L/min)、保护气体流量160-200(L/h)、Z轴单层行程△z＝0.2mm，并将各参数输入计算机数控系统。将Ti6Al4V粉末和AlSi10Mg粉末分别倒入左、右送粉缸1中，将100mm×100mm×8mm规格的冷轧纯钛基板11固定在数控装置工作台12上。关闭保护气体入口9，在保护气体出口10接真空泵抽真空，待真空值为0.085MPa后，关闭真空泵，开启保护气体入口9将高纯氩气充入激光直接制造工作室8中，使工作室8处于气氛保护环境。开启激光束2电源和计算机数控系统。激光束在基板上形成熔池7，钛、铝合金粉末通过输粉管3进入同轴喷嘴4的粉末入口5，并最终进入熔池7，形成熔覆层6。通过计算机数控系统实时控制数控装置X、Y、Z轴的移动和激光功率，逐层叠加制造Ti6Al4V-AlSi10Mg密度梯度梯度材料。所获Ti6Al4V-AlSi10Mg密度梯度梯度材料，密度从4.40g/cm3到3.30g/cm3呈变化，显微硬度从Ti6Al4V层到AlSi10Mg层方向随着AlSi10Mg含量增加逐渐减小。实施例1所得产品内部还存在一定的裂纹。

Claims (9)

1.一种密度梯度材料，其特征在于：所述密度梯度材料由Ti6Al4V合金和AlSi10Mg合金构成；其结构为包括以下3种方案：
方案一，沿密度梯度材料厚度方向，其密度呈梯度变化；
方案二，所述密度梯度材料的密度以中间密度大、两边密度小的方式分布；且中间到任意一边的密度变化呈梯度变化；
方案三，所述密度梯度材料的密度以中间密度小、两边密度大的方式分布；且中间到任意一边的密度变化呈梯度变化。
2.根据权利要求1所述的一种密度梯度材料，其特征在于：所述密度梯度材料中，密度最大区域的密度最大值为4.40g/cm3。
3.根据权利要求1所述的一种密度梯度材料，其特征在于：所述密度梯度材料中，密度最小区域的密度最小值为2.67g/cm3。
4.根据权利要求1所述的一种密度梯度材料，其特征在于：方案一中，Ti6Al4V的体积含量由100％逐渐减少到0％，密度从4.40g/cm3到2.67g/cm3且呈准连续梯度变化。
5.根据权利要求1所述的一种密度梯度材料，其特征在于：所述密度梯度材料中，密度最大区域至密度最小区域的密度变化呈准连续梯度变化。
6.一种制备权利要求1所述密度梯度材料的方法，其特征在于，制备方案一所述密度梯度材料包括下述步骤：
步骤一
建立准连密度梯度材料的三维模型图，将模型图切片为多个厚度为d的平面图层，设计各平面图层的密度并在计算机上填充各平面图层的扫描路径；所述d小于等于0.4毫米；
步骤二
以Ti6Al4V粉末和AlSi10Mg粉末为原料，根据各层材料的密度设计，计算Ti6Al4V合金和AlSi10Mg合金组分的比例，确定各层Ti6Al4V粉末和AlSi10Mg粉末的送粉量；
步骤三
设置各平面图层的激光功率P、扫描速度S、Ti6Al4V送粉量、AlSi10Mg送粉量、载气流量Rp、保护气体流量、Z轴单层行程△z，并将各参数输入计算机数控系统；
步骤四
将Ti6Al4V粉末和AlSi10Mg粉末分别倒入各自的送粉缸中，将基板固定在数控装置工作台上；
步骤五
关闭保护气体入口，在保护气体出口接真空泵抽真空，待真空值为0.085MPa后，关闭真空泵，开启保护气体入口将高纯氩气充入激光直接制造工作室中，使工作室处于气氛保护环境；
步骤六
开启激光束电源和计算机数控系统；激光束在基板上形成熔池，Ti6Al4V合金粉和AlSi10Mg合金粉末按设定量通过输粉管进入同轴喷嘴的粉末入口，并最终进入熔池，形成熔覆层；按设定参数操作，得到密度梯度材料。
7.根据权利要求6所述的一种密度梯度材料的制备方法，其特征在于：步骤四中所述基板为冷轧纯钛基板。
8.根据权利要求6所述的一种密度梯度材料的制备方法，其特征在于：激光功率P为140-180W、扫描速度S为400-600mm/min、Ti6Al4V送粉量为0-0.88g/min、AlSi10Mg送粉量为0-0.53g/min、载气流量Rp为7-9L/min、保护气体流量为160-200L/h、Z轴单层行程△z＝d。
9.根据权利要求6所述的一种密度梯度材料的制备方法，其特征在于：当某一层设定的密度为A时，其表达式为：
其中，AlSi10Mg送粉量的单位为g/min；
Ti6Al4V送粉量的单位为g/min。
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