CN108714695A - 一种成分和组织双重梯度复合材料的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种成分和组织双重梯度复合材料的制备方法。该方法包括以下步骤：①基板预处理；②复合粉末配制；③基板预热处理；④激光多层叠加沉积制备块体梯度复合材料；⑤工件整体在线热处理。利用这种工艺方法，可使复合材料的各梯度层发生不同程度的贝氏体相变，同时实现了基体中贝氏体(Bainite)含量的梯度变化、增强体金属化合物(MxC)含量的梯度变化，达到梯度复合材料中增强体成分和基体组织贝氏体含量的双重梯度变化，获得了成分和组织双重梯度复合材料。本发明具有可设计性强、靶向性高、原材料利用率高、产品致密可靠等优点。

Description

一种成分和组织双重梯度复合材料的制备方法
技术领域
本发明属于增材制造领域，涉及一种具有成分和组织双重梯度复合材料的制备方法。
背景技术
功能梯度材料是上世纪八十年代兴起的新型材料，它通过结构和组分的连续或准连续变化，来获得性能渐变的热应力缓和型非均质复合材料。随着人们对功能梯度材料研究的不断深入，这种材料已推广应用于多项领域，如生物医学、机械工程、信息工程、光电工程、化学工程等。
功能梯度材料能有效降低非均质复合材料的热应力，但实际工程应用环境异常严酷，功能梯度材料仍存在热膨胀匹配问题，进而会出现剥落、龟裂等损伤，致使材料的耐久性、实用性大幅下降。双重梯度复合材料与传统功能梯度材料相比，复合材料中不仅增强体在梯度层之间存在成分梯度，而且复合材料基体的组织含量存在梯度变化，充分发挥了复合材料中增强体和基体各自优势，使复合材料综合性能更加优越。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供了一种成分和组织双重梯度复合材料的制备方法，该方法具有工艺简单、操作方便、成本低、自动化程度高等优点，产品致密可靠、综合性能优良。
本发明解决技术问题所采用的技术方案是：一种成分和组织双重梯度复合材料的制备方法，所述制备方法主要包括以下步骤：
(1)铁基材料即基板预处理：包括对基板的打磨及喷砂处理；
(2)复合粉末配制：选择合适的铁基自溶性合金粉末及碳化物陶瓷粉末，并采用球磨工艺使两者混合均匀；
(3)基板预热处理：为避免加工过程中材料因冷速过快而发生马氏体相变，采用恒温加热对基板进行预热处理；
(4)激光沉积：采用激光多道多层叠加沉积技术，单层搭接沉积路径为“S”型；
(5)工件整体在线热处理：为促使梯度材料发生贝氏体相变，激光沉积完成后，对梯度材料进行在线等温淬火处理。
进一步地，待在线等温淬火完成后，将双梯度复合材料从盐浴炉中取出，空冷至室温。
进一步地，步骤(1)中基板预处理时，采用喷砂机对基板进行喷砂处理，磨料选用金刚砂。
进一步地，所述的铁基自溶性合金粉末，其粒度为50～100μm，化学成分为(wt％)：C：0.35～0.45％，Si：0.60～0.85％，Mn：0.70～0.90％，Cr：0.60～0.90％，Ni：1.60～1.80％，Mo：0.50～0.70％，Al：1.00～1.30％，其余为铁和不可避免的杂质；所述的碳化物陶瓷粉末为Co/WC粉末，粒度为50～100μm，化学成分为12wt％Co+Bal.WC。
进一步地，所述步骤(3)中基板的预热处理，采用恒温加热平台进行，加热温度设置为300～350℃。
进一步地，所述激光沉积时，单层搭接沉积路径为“S”型，单层沉积结束后激光熔覆头上移且坐标回归初始位置，重复单层搭接沉积过程，通过这种叠加的方式制备块体材料。
进一步地，所述激光沉积时，采用高纯氩保护，气流量为10～20L/min，激光功率600～1200W，扫描速度200～400mm/min。
进一步地，所述激光沉积时，采用同轴送粉的原料添加方式，送粉速度为5～25g/min，送粉气为高纯氩，气流量为5～15L/min。
进一步地，所述激光沉积时，搭接率为40％，Z轴抬高量为0.3～1.5mm/层。
进一步地，所述的在线等温淬火采用盐浴等温的方式，盐液成分为NaNO2、KNO3等比例混合，等温温度为300℃，等温时间为2h。
本发明提供的制备方法中，预热处理降低了沉积过程中复合材料与基板的温度梯度，能有效防止复合材料开裂；激光沉积工艺具有能量密度高的特点，结合同轴送粉装置及数控机床，制备过程自动化程度高、靶向性强、生产效率高，且能保证产品致密度；在线等温淬火处理，促进不同成分的各子梯度层发生不同程度的贝氏体相变，从而实现组织的梯度变化。
本发明的有益效果是：与现有技术相比，本发明所提供的一种成分和组织双重梯度复合材料的制备方法，具有工艺简单、操作方便、成本低、自动化程度高等优点，产品致密可靠、综合性能优良，实现复合材料的成分与组织双重梯度化。
附图说明
图1为制备双梯度复合材料的整体装备示意图；
图2为双重梯度复合材料中各梯度层相对应的微观形貌图。
具体实施方式
下面通过具体实施例来进一步说明本发明。但这些实例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。
下述实施例中，采用的激光沉积设备的型号为：LDM-2500-60型半导体激光器；采用的预热装置的型号为：JF-956A型恒温加热平台；采用的在线等温淬火装置的型号为：SG2-5-10型井式电阻炉。
实施例
一种成分和组织双重梯度复合材料的制备方法，主要包括以下步骤：
①基板预处理：
基板材料选用U75V热轧钢轨，采用线切割机将其切割成尺寸为80mm×60mm×8mm的板型件，并采用QF-6050型手动喷砂机对基板进行喷砂处理，磨料选用金刚砂。
②复合粉末配制：
选择合适的铁基自溶性合金粉末及碳化物陶瓷粉末，并采用球磨工艺使两者混合均匀。
其中，铁基自溶性合金粉末粒度为50～100μm，化学成分为(wt％)：C：0.35～0.45％，Si：0.60～0.85％，Mn：0.70～0.90％，Cr：0.60～0.90％，Ni：1.60～1.80％，Mo：0.50～0.70％，Al：1.00～1.30％，其余为铁和不可避免的杂质。碳化物陶瓷粉末选用Co/WC粉末，粒度为50～100μm，化学成分为12wt％Co+Bal.WC。
双梯度复合材料各子梯度层成分如下：第一梯度层100vt％-Fe，第二梯度层2.5vt％Co/WC+97.5vt％Fe，第三梯度层5vt％Co/WC+95vt％Fe，第四梯度层7.5vt％Co/WC+92.5vt％Fe，第五梯度层10vt％Co/WC+90vt％Fe。
③基板预热处理：
为避免加工过程中材料因冷速过快而发生马氏体相变，采用JF-956A型恒温加热平台对基板进行预热处理，温度设置为320℃；
④采用激光多层叠加沉积技术制备块体材料：
单层搭接沉积路径为“S”型，单层沉积结束后激光熔覆头上移且坐标回归初始位置，重复单层搭接沉积过程，通过这种叠加的方式制备块体材料；
激光沉积时，采用高纯氩保护，气流量为15L/min，激光功率800W，扫描速度300mm/min。采用同轴送粉的原料添加方式，送粉速度为15g/min，送粉气为高纯氩，气流量为9L/min。采用6道10层叠加沉积(每种成分的复合粉末沉积2层)，激光扫描路径为“S”型，搭接率为40％，Z轴抬高量为0.5mm/层。
⑤工件整体在线热处理：
为促使功能梯度材料发生贝氏体相变，激光沉积完成后，对功能梯度材料进行在线等温淬火处理。为保证工件受热均匀，采用盐浴等温的方法进行在线热处理，盐液成分为NaNO2、KNO3等比例混合，等温温度为300℃，等温时间为2h。热处理完成后，将工件从盐浴炉中取出，空冷至室温，最终形成结构梯度和成分双重梯度复合材料。
以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。

Claims (10)

1.一种成分和组织双重梯度复合材料的制备方法，其特征在于，所述制备方法主要包括以下步骤：
(1)铁基材料即基板预处理：包括对基板的打磨及喷砂处理；
(2)复合粉末配制：选择合适的铁基自溶性合金粉末及碳化物陶瓷粉末，并采用球磨工艺使两者混合均匀；
(3)基板预热处理：为避免加工过程中材料因冷速过快而发生马氏体相变，采用恒温加热对基板进行预热处理；
(4)激光沉积：采用激光多道多层叠加沉积技术，单层搭接沉积路径为“S”型；
(5)工件整体在线热处理：为促使梯度材料发生贝氏体相变，激光沉积完成后，对梯度材料进行在线等温淬火处理。
2.如权利要求1所述的一种成分和组织双重梯度复合材料的制备方法，其特征在于：待在线等温淬火完成后，将双梯度复合材料从盐浴炉中取出，空冷至室温。
3.如权利要求1或2所述的一种成分和组织双重梯度复合材料的制备方法，其特征在于：步骤(1)中基板预处理时，采用喷砂机对基板进行喷砂处理，磨料选用金刚砂。
4.如权利要求1或2所述的一种成分和组织双重梯度复合材料的制备方法，其特征在于：所述的铁基自溶性合金粉末，其粒度为50～100μm，化学成分为(wt％)：C：0.35～0.45％，Si：0.60～0.85％，Mn：0.70～0.90％，Cr：0.60～0.90％，Ni：1.60～1.80％，Mo：0.50～0.70％，Al：1.00～1.30％，其余为铁和不可避免的杂质；所述的碳化物陶瓷粉末为Co/WC粉末，粒度为50～100μm，化学成分为12wt％Co+Bal.WC。
5.如权利要求1或2所述的一种成分和组织双重梯度复合材料的制备方法，其特征在于：所述步骤(3)中基板的预热处理，采用恒温加热平台进行，加热温度设置为300～350℃。
6.如权利要求1或2所述的一种成分和组织双重梯度复合材料的制备方法，其特征在于：所述激光沉积时，单层搭接沉积路径为“S”型，单层沉积结束后激光熔覆头上移且坐标回归初始位置，重复单层搭接沉积过程，通过这种叠加的方式制备块体材料。
7.如权利要求6所述的一种成分和组织双重梯度复合材料的制备方法，其特征在于：所述激光沉积时，采用高纯氩保护，气流量为10～20L/min，激光功率600～1200W，扫描速度200～400mm/min。
8.如权利要求6所述的一种成分和组织双重梯度复合材料的制备方法，其特征在于：所述激光沉积时，采用同轴送粉的原料添加方式，送粉速度为5～25g/min，送粉气为高纯氩，气流量为5～15L/min。
9.如权利要求6所述的一种成分和组织双重梯度复合材料的制备方法，其特征在于：所述激光沉积时，搭接率为40％，Z轴抬高量为0.3～1.5mm/层。
10.如权利要求1所述的一种成分和组织双重梯度复合材料的制备方法，其特征在于：所述在线等温淬火采用盐浴等温的方式，盐液成分为NaNO2、KNO3等比例混合，等温温度为300℃，等温时间为2h。
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