CN109290572A - 一种陶瓷增强高熵合金复合材料构件的激光熔化沉积方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种陶瓷增强高熵合金复合材料构件的激光熔化沉积方法，包括以下步骤：(1)原材料准备；(2)原材料处理；(3)激光逐层熔化堆积增强相高熵合金的路径规划；(4)增强相高熵合金构件的激光立体成形。本发明创新的将激光熔化沉积技术应用到了陶瓷增强高熵合金复合材料构件的制备中，并摸索出陶瓷增强高熵合金复合材料构件激光熔化沉积的工艺参数，解决陶瓷增强高熵合金复合材料构件激光熔化沉积的制约性技术难题，对其研究与应用具有十分重要的意义。

Description

一种陶瓷增强高熵合金复合材料构件的激光熔化沉积方法

技术领域

本发明涉及材料科学与先进制造领域，具体涉及一种陶瓷增强高熵合金复合材料构件的激光熔化沉积方法。

背景技术

高熵合金材料构件由于具有高强度、良好的耐磨性、高加工硬化、耐高温软化、耐高温氧化、耐腐蚀和抗辐射等多种优良性能，在核电、防腐蚀及军事领域具有重要的应用前景。即便如此，在很多情况下，高熵合金材料构件的原始性能还不足以满足一些特殊环境的需求，此时需要将其性能进行提升。

我们发现，通过陶瓷增强高熵合金复合材料构件方法，能够提升高熵合金材料构件的性能，并能通过改变陶瓷相与高熵金属相的比例来调节陶瓷增强高熵合金复合材料构件的性能。然而，陶瓷粉具有很高的熔点(WC熔点2875℃,TiC熔点3140℃等)，如果采用传统的熔铸法去制备陶瓷增强高熵合金复合材料构件，势必会导致增强相分布不均匀，而且熔铸法制备陶瓷增强高熵合金复合材料构件容易引入成分偏析、空隙以及缩孔等缺陷。此外熔铸法制备陶瓷增强高熵合金复合材料构件步骤繁多、工艺复杂、加工余量大，所以其制备周期长、制造成本高、材料利用率低。这些问题加在一起严重制约了陶瓷增强高熵合金复合材料构件的制备与应用。

发明内容

本发明为了解决上述技术问题，创新的将激光熔化沉积技术应用到了陶瓷增强高熵合金复合材料构件的制备中，并摸索出陶瓷增强高熵合金复合材料构件激光熔化沉积的工艺参数，解决陶瓷增强高熵合金复合材料构件激光熔化沉积的制约性技术难题，对其研究与应用具有十分重要的意义。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种陶瓷增强高熵合金复合材料构件的激光熔化沉积方法，包括以下步骤：

(1)原材料准备：高熵合金粉末、陶瓷粉末、基材；

(2)原材料处理：先将高熵合金粉末和陶瓷粉末混合，在真空条件下烘干，得到混合粉末，并将其装入送粉器所配置的料筒中备用；再将基材的外表面机械打磨光滑后，浸没在丙酮中，进行超声波清洗，清洗完毕后固定装夹在转台上备用；所述转台置于惰性气体保护的成形腔室中；

(3)激光逐层熔化堆积增强相高熵合金的路径规划：将要制备的陶瓷增强高熵合金复合材料构件的三维模型进行分层切片，根据每个切片层的几何形状确定激光扫描的填充方式与转台的转动策略，得到多层模型切片层的激光器、送粉器和转台运行路径；

(4)增强相高熵合金构件的激光立体成形：开启成形腔室中的激光器，同时使转台与送粉器按照步骤(3)设定的运行路径进行运转；激光器的激光将会使放置于转台上的基材表面形成一个激光熔池，当送粉器把料筒中的混合粉末输送到该激光熔池后，高熵合金粉末会熔化包裹陶瓷粉并堆积；当完成一个切片层路径的运转后，在基材上形成与基材表面结合的第一激光熔覆层；随后，将激光头抬升高度，在第一激光熔覆层上重复上述堆积操作，完成下一个切片层的激光熔覆；随之逐层熔覆，即可完成其余模型切片层的激光熔覆层，进而获得三维陶瓷增强高熵合金复合材料构件。

具体的说，所述步骤(1)中，所述高熵合金粉末的粉末粒度为20～200微米，且其包括Fe、Co、Ni、Mn、Cr、Al、Ti、Nb中的至少三种金属元素。

具体的说，所述步骤(1)中，陶瓷粉末的粉末粒度为5～200微米，且其为WC、TiC、NbC、SiC或TiO。

更具体的说，所述步骤(1)中，基材为不锈钢或碳钢。

进一步的，所述步骤(2)中，高熵合金粉末的原子数占混合粉末总原子数的50～99％。

进一步的，所述步骤(3)中，所述三维模型的切片层的厚度为0.3～0.8mm。

进一步的，所述步骤(4)中，激光功率为600～2000W，激光扫描速度为300～1000mm/min，激光扫描搭接率为30％～60％。

更进一步的，所述步骤(4)中，送粉器速率为0.4～3rad/min。

本发明的原理如下：

首先，采用正交实验法，在大量实验的基础上确定了制备陶瓷增强高熵合金复合材料构件基本工艺参数范围，得到了包括激光功率、送气量、扫描速度、送粉速率、扫描间距、分层厚度等工艺参数对陶瓷增强高熵合金复合材料构件的激光熔化沉积单道的形貌及尺寸的影响规律。然后，优化激光扫描策略，通过调整扫描参数，调整陶瓷增强高熵合金复合材料构件的内部组织结构等，实现激光熔化沉积工艺对陶瓷增强高熵合金复合材料构件的性能调控。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

(1)本发明可以在不需要模具的情况下，快速制造出复杂形状、陶瓷增强相均匀分布的陶瓷增强高熵合金复合材料构件，并且该技术同时具有材料利用率高、制造周期短及成型精度高以效率高等优点，解决传统锻造制备陶瓷增强高熵合金复合材料构件加工成本高、制造工序复杂，构件机械加工余量大等问题。

(2)本发明采用的激光熔化沉积设备是以激光器(如12000W的光纤激光器)为核心，辅以送粉装置和数控机床，立体成形设备整体自动化水平高，可全程实现计算机控制。

(3)本发明利用提出的激光熔化沉积内部组织控制方法，基本解决了陶瓷增强高熵合金复合材料构件内部质量差、变形和开裂等问题，通过调控激光熔化沉积技术参数，可以调控合金的力学性能。

(4)本发明提出的工艺方法成形效率高，成本低，内部组织可控，增强相分布均匀，自动化程度高，易操作，能够制备出具备工业应用水平的陶瓷增强高熵合金复合材料构件。其提供了一种陶瓷增强高熵合金复合材料构件制造的新途径和新思路。

附图说明

图1为本发明流程框图。

图2为本发明实例1制备得到的FeCoNiMnCr+at10％WC陶瓷增强高熵合金复合材料构件单壁实物图。

图3为本发明实例2的横盘式扫描路径。

图4为本发明实例2制备得到的FeCoNiMnCr+at 5％WC陶瓷增强高熵合金复合材料构件块体实物图。

图5为本发明实例2制备得到的陶瓷增强高熵合金复合材料构件微观组织光学照片示意图。

图6为本发明实例2制备得到的陶瓷增强高熵合金复合材料构件的与未增强高熵合金复合材料构件拉伸性能对比。

具体实施方式

下面结合附图说明和实施例对本发明作进一步说明，本发明的方式包括但不仅限于以下实施例。

本实施例的目的是为了提供一种陶瓷增强高熵合金复合材料构件的激光熔化沉积方法。采用正交实验法，在大量实验的基础上确定了制备陶瓷增强高熵合金复合材料构件基本工艺参数范围，得到了包括激光功率、送气量、扫描速度、送粉速率、扫描间距、分层厚度等工艺参数对陶瓷增强高熵合金复合材料构件的激光熔化沉积单道的形貌及尺寸的影响规律。然后，优化激光扫描策略，通过调整扫描参数，调整激光熔化沉积构件的内部组织结构等，实现激光熔化沉积工艺对陶瓷增强高熵合金复合材料构件的性能调控。该方法制备得到的陶瓷增强高熵合金复合材料构件具有材料利用率高、制造周期短及成型精度高等特点，并通过对激光成形参数的控制，可调控陶瓷增强高熵合金复合材料构件的力学性能，从而满足制备出性能优良陶瓷增强高熵合金复合材料构件的需求。具体来说，如图1所示，一种陶瓷增强高熵合金复合材料构件的激光熔化沉积方法，包括以下步骤：

(1)原材料准备：高熵合金粉末、陶瓷粉末、基材；

(2)原材料处理：先将高熵合金粉末和陶瓷粉末混合，并在真空条件下烘干，然后放入送粉器的料筒中备用，其中，高熵合金粉末的原子数占混合粉末总原子数的50～99％；采用砂纸对不锈钢、碳钢基材的表面进行机械打磨，并将打磨过的基材浸没于烧杯中的丙酮中，将烧杯放置于超声波清洗仪器中进行清洗，清洗完毕后重复上述打磨、浸没、清洗步骤至少一次后，将清洗后的基材烘干，放置入惰性气体保护的成形腔室中，并固定装夹在转台上待用；

其中，高熵合金粉末粒度为+325～－80目，并且高熵合金粉末可为现有的预合金粉末，也可为不同金属粉末混合得到的具有高熵合金复合材料构件成分的粉末，而这些高熵合金复合材料构件元素包括Fe、Co、Ni、Mn、Cr、Al、Ti、Nb中的任意三种及以上。而所述陶瓷粉末粒度为-80目，陶瓷粉末是由WC、TiC、NbC、SiC、TiO等混合而成。

(3)激光逐层熔化堆积陶瓷增强高熵合金的路径规划：将要制备的陶瓷增强高熵合金复合材料构件的三维模型进行分层切片，并形成若干厚度为0.3～0.8mm的切片层，根据每层的几何形状确定激光扫描的填充方式与转台的转动策略，得到多层模型分层切片的送粉器和转台运行路径；该运行路径可自行编写或采用软件自动生成相应路径的程序代码，并将其输入整个激光熔化沉积设备(该设备包括激光器、送粉器和数控机床，由于此设备及该自动控制方法均为现有技术中常见的设备及方式方法，因此，本申请不再赘述)，使其全程实现计算机控制。

(4)增强相高熵合金构件的激光立体成形：开启成形腔室中的激光，同时使转台和送粉器按照步骤(3)设定的运行路径进行运转；激光将会使放置于转台上的基材表面形成一个激光熔池，当送粉器将高熵合金粉末喷射到该激光熔池后，高熵合金粉末会熔化包裹陶瓷粉并堆积，当完成一个分切层路径的运转后，在基材上形成与基材上表面结合的第一激光熔覆层；随后，将激光头抬升高度，重复上述工作，完成下一个分切层的激光熔覆，并使两层熔覆层结合在一起；随之逐平面熔覆，即可完成其余模型分切层的激光熔覆层，进而获得三维陶瓷增强高熵合金复合材料构件。

其中，激光功率为600～2000W，激光扫描速度为300～1000mm/min，激光扫描搭接率为30％～60％，送粉器速率为0.4～3rad/min。

以下，以制备陶瓷增强高熵合金复合材料构件单壁和制备高熵合金复合材料构件块体这两个具体实例来对本实施例做进一步描述。

实例1

本实例是采用激光熔化沉积方法制备陶瓷增强高熵合金复合材料构件单壁，其工艺包括如下步骤：

(1)原材料准备：

平均粒度为100μm的FeCoNiCrMn类球形合金粉，平均粒度为10μm的WC类球形陶瓷粉，不锈钢基材；

(2)原材料处理：

将FeCoNiMnCr类球形合金粉和WC类球形陶瓷粉按原子比9:1混合，在真空烘箱中采用120℃烘2小时后自然冷却，待冷却后装入送粉器的料筒中；采用800号砂纸对不锈钢基材进行机械打磨，并将打磨过的基材浸没与烧杯中的丙酮内，然后一起置于超声波清洗仪器中进行清洗，然后再重复打磨、浸没、清洗步骤至少一次后，将清洗后的基材烘干，然后放置入惰性气体保护的成形腔室中，并固定装夹在转台上待用。

(3)确定陶瓷增强高熵合金复合材料构件激光熔化沉积的基本工艺参数：

采用正交实验法，获得激光功率、扫描速度、扫描间距、分层厚度等工艺参数对激光熔化沉积形貌及性能的影响规律，从而确定陶瓷增强高熵合金复合材料构件具体的激光熔化沉积参数，由于该方法为常规实验，并且不属于本申请保护的技术方案，因此此处不详细描述。根据实验数据综合分析，本实例采用具体参数范围为：激光功率为600～2000W，激光扫描速度为300～1000mm/min，激光扫描搭接率为30％～60％，送粉器速率为0.4～3rad/min，合金构件的三维模型分层切片厚度为0.4～1mm，以此来实现陶瓷增强高熵合金复合材料构件构件的成形。

(4)规划陶瓷增强高熵合金复合材料构件激光熔化沉积路径：

将单壁的三维模型进行分层切片(切片厚度为0.4～1mm)，每层均可由单道扫描堆积而成。仅采用机床Y轴的直线运动实现每层的扫描堆积，扫完一层后机床Z轴提升一定高度继续扫描堆积，如此循环，编写好相应路径代码后输入立体成形设备的总控系统中。

(5)高熵合金复合材料构件激光熔化沉积：

采用步骤(3)得到的工艺参数对激光熔化沉积设备进行设定后，开启成形腔室中的激光，同时使转台和送粉器按照步骤(4)设定的运行路径进行运转；激光将会使放置于转台上的基材表面形成一个激光熔池，而送粉器将混合粉末喷射到熔池后，高熵合金粉末熔化包裹陶瓷粉后堆积。当完成一个分切层路径的运转后，在基材上形成与基材上表面结合的第一激光熔覆层；随后，将激光头抬升高度，重复步骤(4)的上述工作，完成下一个分切层的激光熔覆，并使两层熔覆层结合在一起；随之逐平面熔覆，即可完成其余模型分切层的激光熔覆层，进而实现陶瓷增强高熵合金复合材料构件单壁的成形。制备得到的单壁样件示意图如图2所示。

实例2

本实例是采用激光熔化沉积制备方法制备陶瓷增强高熵合金复合材料构件块体，其工艺与实例1采用相同的粉体与激光增材制造工艺流程，不同之处在于路径规划与代码生成：将块体的三维模型进行分层切片，每层均可由单道直线扫描搭接而成，每一层的单道搭接率为30％～60％，每完成一个层面之后，机床Z轴提升一定高度继续扫描堆积，但扫描方向与上一层垂直，如此循环堆积成块，即像画棋盘一样进行扫描熔化沉积，如图3所示。最后得到陶瓷增强高熵合金复合材料构件块体样件，实物如图4所示。

采用本实例的方法，选用如下表1所示的3种工艺参数分别制造了陶瓷增强高熵合金复合材料构件块体，并对其中的样件1和样件2工艺条件下制造的陶瓷增强高熵合金复合材料构件块体进行了光学显微镜分析，得到如图5所示的陶瓷增强高熵合金复合材料构件块体内部微观组织图片(a为样件1，b为样件2)；然后，再对上述增强块体进行拉伸试验，同时对未增强的高熵合金复合材料构件也进行拉伸试验，得到如图6所示的拉伸性能对比。可以看出，在本实施例的工艺参数范围内，采用本方法制备的陶瓷增强高熵合金复合材料构件样件的加工质量、内部组织及相关力学性能都可达到工业应用水平。

表1.制备陶瓷增强高熵合金复合材料构件块体工艺数据统计表

本发明通过高熵合金粉末和陶瓷粉末作为制备原料，然后结合激光熔化沉积技术，制造出近净成形的陶瓷增强高熵合金复合材料构件样件。本发明不仅效率高，成本低，而且自动化程度高，易实现。因此，与现有的制备工艺相比，其具有突出的实质性特点和显著的进步。

上述实施例仅为本发明的优选实施方式之一，不应当用于限制本发明的保护范围，但凡在本发明的主体设计思想和精神上作出的毫无实质意义的改动或润色，其所解决的技术问题仍然与本发明一致的，均应当包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种陶瓷增强高熵合金复合材料构件的激光熔化沉积方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)原材料准备：高熵合金粉末、陶瓷粉末、基材；

(2)原材料处理：先将高熵合金粉末和陶瓷粉末混合，在真空条件下烘干，得到混合粉末，并将其装入送粉器所配置的料筒中备用；再将基材的外表面机械打磨光滑后，浸没在丙酮中，进行超声波清洗，清洗完毕后固定装夹在转台上备用；所述转台置于惰性气体保护的成形腔室中；

(3)激光逐层熔化堆积增强相高熵合金的路径规划：将要制备的陶瓷增强高熵合金复合材料构件的三维模型进行分层切片，根据每个切片层的几何形状确定激光扫描的填充方式与转台的转动策略，得到多层模型切片层的激光器、送粉器和转台运行路径；

(4)增强相高熵合金构件的激光立体成形：开启成形腔室中的激光器，同时使转台与送粉器按照步骤(3)设定的运行路径进行运转；激光器的激光将会使放置于转台上的基材表面形成一个激光熔池，当送粉器把料筒中的混合粉末输送到该激光熔池后，高熵合金粉末会熔化包裹陶瓷粉并堆积；当完成一个切片层路径的运转后，在基材上形成与基材表面结合的第一激光熔覆层；随后，将激光头抬升高度，在第一激光熔覆层上重复上述堆积操作，完成下一个切片层的激光熔覆；随之逐层熔覆，即可完成其余模型切片层的激光熔覆层，进而获得三维陶瓷增强高熵合金复合材料构件。

2.根据权利要求1所述的一种陶瓷增强高熵合金复合材料构件的激光熔化沉积方法，其特征在于，所述步骤(1)中，所述高熵合金粉末的粉末粒度为20～200微米，且其包括Fe、Co、Ni、Mn、Cr、Al、Ti、Nb中的至少三种金属元素。

3.根据权利要求2所述的一种陶瓷增强高熵合金复合材料构件的激光熔化沉积方法，其特征在于，所述步骤(1)中，陶瓷粉末的粉末粒度为5～200微米，且其为WC、TiC、NbC、SiC或TiO。

4.根据权利要求1～3任意一项所述的一种总原子数的激光熔化沉积方法，其特征在于，所述步骤(1)中，基材为不锈钢或碳钢。

5.根据权利要求4所述的一种陶瓷增强高熵合金复合材料构件的激光熔化沉积方法，其特征在于，所述步骤(2)中，高熵合金粉末的原子数占混合粉末总原子数的50～99％。

6.根据权利要求5所述的一种陶瓷增强高熵合金复合材料构件的激光熔化沉积方法，其特征在于，所述步骤(3)中，所述三维模型的切片层的厚度为0.3～0.8mm。

7.根据权利要求1或6所述的一种陶瓷增强高熵合金复合材料构件的激光熔化沉积方法，其特征在于，所述步骤(4)中，激光功率为600～2000W，激光扫描速度为300～1000mm/min，激光扫描搭接率为30％～60％。

8.根据权利要求7所述的一种陶瓷增强高熵合金复合材料构件的激光熔化沉积方法，其特征在于，所述步骤(4)中，送粉器速率为0.4～3rad/min。