CN111112619B - 一种超声辅助激光增材制造二维钛基功能梯度材料的方法 - Google Patents
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Abstract
一种超声辅助激光增材制造二维钛基功能梯度材料的方法，属于激光增材制造技术领域。二维钛基功能梯度材料在XY与YZ面内为一维梯度过渡，而空间上为二维梯度过渡。预设的每一沉积层的梯度过渡形式为从左下角的a区呈“7”形过渡到右上角的k区，以确保底部超声，对高比例陶瓷颗粒添加时熔池的流动和凝固过程充分干预。在XY面与YZ面内不同梯度区域，采用优化的直接激光沉积工艺参数与超声作用参数，减少热积累、未熔化陶瓷颗粒的尺寸与含量、粗大树枝状初生相的尺寸，以改善钛基功能梯度材料的整体性能。激光头按照“7”形路径扫描，减少了相邻道与道间梯度结合界面的数量，利于钛基功能梯度材料的整体性能提高。本发明能促进陶瓷颗粒的均匀分布，碎化粗大的枝晶，细化微观组织，以改善二维钛基功能梯度材料整体性能。
Description
技术领域
本发明属于激光增材制造技术领域，主要针对同轴送粉式激光增材制造功能梯度材料领域，具体涉及一种超声辅助激光增材制造二维钛基功能梯度材料的方法。
背景技术
钛合金具有优良的比强度、耐腐蚀性等性能，广泛应用于航空航天、汽车、能源、海洋等领域。但钛合金的硬度低，耐磨性差，且导热性较低，这限制了钛合金在高精尖领域的应用。另外，随着航空航天领域的快速发展，需要零部件功能多样化，以适应复杂的工作环境。因此，陶瓷颗粒增强钛基复合材料和陶瓷颗粒增强钛基功能梯度材料成为研究的热点。钛基复合材料具有改善的强度、耐磨性和高温性能，但高含量陶瓷颗粒添加时，复合材料样件易开裂。另外，陶瓷颗粒的分布与形态，及其与钛基体的结合界面，对钛基复合材料的力学和热学性能具有重要的影响。为了缓和陶瓷颗粒与钛基体的物理性能差异及界面应力，通过改变陶瓷颗粒与钛基体的成分比例，采用梯度过渡的形式，钛基功能梯度材料应运而生，解决了高比例陶瓷颗粒添加时，复合材料样件易开裂等问题。
目前，基于同轴送粉式的直接激光沉积技术，能成形各种成分组成的复合材料，也能制备材料成分连续变化的功能梯度材料。相对于粉末冶金法、等离子体燃烧合成法、自蔓延高温燃烧合成法等，直接激光沉积技术具有柔性度高、成形效率高、微观组织细密等优点。但是，目前直接激光沉积陶瓷颗粒增强的钛基功能梯度材料，其微观组织中，仍存在未熔陶瓷颗粒分布不均匀，初生增强相中树枝状粗大，钛基体组织较粗大等问题，这些问题限制了钛基功能梯度材料的综合力学性能，进一步地限制了其工程应用。另外，为了满足航空航天等领域对结构件的功能多样化要求，二维钛基功能梯度材料具有重要的应用前景。
专利CN201611160407.6报道了一种功能梯度材料的成形方法及装置，利用下料机构、铺粉机构、激光输出机构等组成的装置，对预先混合并铺设的粉末，在激光作用下能3D打印出一维功能梯度材料。由于其是采用铺粉原理，且同一个梯度区域每个沉积层的混合粉末一样，其不能3D打印二维功能梯度材料。且梯度过渡层数较多时，换粉工作量大，使功能梯度材料样件成形效率降低。
专利CN201310065996.X报道了一种金属-陶瓷多维度功能梯度结构件的激光近净成形方法，通过数控程序控制激光头的移动轨迹，及送粉器各筒的实时送粉量，在基板水平面和垂直面内调节材料组分比例，实现空间内多维度的变化。直接用激光成形金属-陶瓷功能梯度材料，其显微组织中容易存在陶瓷颗粒分布不均匀、粗大的初生树枝状增强相等问题。另外，激光头的扫描轨迹与激光成形工艺参数对成形的功能梯度结构件有重要的影响。因此，需要规划每个梯度区域的扫描轨迹与激光成形工艺参数。
发明内容
针对现有方法存在的问题，本发明提出一种超声辅助激光增材制造二维钛基功能梯度材料的方法，在基板底部施加超声，将超声的振动、空化和声流效应引入熔池，对熔池的流动和凝固过程干预，促进陶瓷颗粒的均匀分布，以及碎化粗大的枝晶，细化二维钛基功能梯度材料的微观组织；针对不同的梯度层区域，规划激光头扫描轨迹与优化激光成形工艺参数，减小残余热应力并充分发挥底部超声的干预作用。
为了达到上述目的，本发明采取的技术方案为：
一种超声辅助激光增材制造二维钛基功能梯度材料的方法，基于下述装置实现，所述装置包括超声发生器1、激光器2、激光头3、送粉筒4、送粉筒5、高纯氩气6、钛合金基板7、超声振动平台8、机床运动平台9。所述的钛合金基板7水平固定在超声振动平台8上，且距离激光头3正下方5～12mm；超声振动平台8水平固定在机床运动平台9上；高纯氩气6用于输送粉筒4和送粉筒5的混合粉末，并提供保护气作用。超声发生器1与超声振动平台8连接，激光器2与激光头3连接。打开高纯氩气6、送粉筒4、送粉筒5和超声发生器1，激光器2产生激光通过光纤传输到激光头3，并作用与钛合金基板7上，按照预定的运动路径，直接激光沉积二维钛基功能梯度材料。该方法包括以下步骤：
S1：将打磨干净的钛合金基板7水平固定在超声振动平台8上，并且钛合金基板7上表面距离激光头3正下方5～12mm，超声振动平台8水平固定在机床运动平台9上。
S2：将干燥的陶瓷颗粒粉末和钛合金粉末分别置于送粉筒4和送粉筒5中，按照预定的两种材料成分比的梯度过渡形式，编写调节送粉筒4和送粉筒5转速的数控程序，以实时调节两种材料的成分比例。
S3：针对a区～k区每一个梯度区域，设置直接激光沉积工艺参数，a区～g区的扫描速度V为300～400mm/min，h区～k区的扫描速度V为250～350mm/min；激光功率P为400～800W，a区～k区激光功率P依次递增25～50W；相邻道与道之间的搭接率为40％～60％，相邻层与层间激光头3提升量为0.2～0.8mm，送粉量为0.1～0.5g/min。
S4：打开超声发生器1，在超声频率15～40KHz内，调节与钛合金基板7谐振的超声输出频率；打开高纯氩气6、送粉筒5，并调节超声输出功率Q，使钛合金基板7上的粉末明显微振动。
S5：打开激光器2、送粉筒4，按照c～f区中任意一个梯度区域的成分比例，调节送粉筒4和送粉筒5转速，以及该区对应的直接激光沉积工艺参数；先在钛合金基板7上沉积2～5mm厚预热层，以减小成形样件10与钛合金基板7的温度梯度，以及缓和b～k区与钛合金基板7物理性能失配而产生的残余应力。
S6：按照a～k区的直接激光沉积工艺参数，从a区开始沉积，激光头3扫描路径为“7”形，且奇数层按照顺时针方向扫描；沉积完第一层后，第二层仍从a区开始扫扫描沉积，激光头3扫描路径仍为“7”形，但偶数层按照逆时针方向扫描；每一层都均从a区开始扫描沉积，但奇数层和偶数层交叉扫描，以均匀温度场，缓和热应力。
S7：每沉积50～100层，超声输出功率Q增加200～400W，激光线能量密度E＝P/V减少0.1～0.5W/(mm/min)，以减少热积累，减少微观组织粗大生长倾向，最终得到成形样件10二维钛基功能梯度材料。
所述S2中的陶瓷颗粒为10～90μm的近球形TiC、SiC、WC、B4C粉末，所述S2中的钛合金粉末为10～90μm的球形Ti6Al4V粉末。
所述S2中的预设的两种材料成分比的梯度过渡形式是指每一个沉积层都从左下角的a区呈“7”形过渡到右上角的k区。
所述S3中的a区～k区为每一个沉积层的预设计的梯度过渡区域，a区～k区的陶瓷颗粒从0％(质量分数)开始，按照陶瓷颗粒5％(质量分数)梯度递增过渡。
所述S3中的超声输出功率Q为600～3000W。
所述成形样件10为二维钛基功能梯度材料，在XY与YZ面内为一维梯度过渡，在空间上为二维梯度过渡。
本发明与现有技术相比，具有以下有益效果：
(1)本发明利用超声对熔池的流动和凝固过程干预，促进陶瓷颗粒的均匀分布，以及碎化粗大的枝晶。
(2)施加超声后，碎化的初生陶瓷相可以提高钛基体的异质形核速率，并且超声振动，使熔池冷却速率变快，减小晶粒的生长时间，以细化二维钛基功能梯度材料的微观组织。
(3)在XY水平面内，每一个沉积层都从左下角的a区呈“7”形过渡到右上角的k区，使高比例陶瓷颗粒添加时，熔池也充分在底部超声的干预作用下流动和凝固，更利于钛基功能梯度材料微观组织均匀细化。
(4)激光头3按照“7”形路径扫描，相对比于直接沿着X方向扫描，减少了相邻道与道间梯度结合界面的数量，利于钛基功能梯度材料的整体性能提高。
(5)在XY面与YZ面内不同梯度区域，在优化的直接激光沉积工艺参数与超声作用参数下，减少热积累、未熔化陶瓷颗粒的尺寸与含量、粗大树枝状初生相的尺寸，以改善钛基功能梯度材料的整体性能。
附图说明
图1为本发明的超声辅助直接激光沉积二维钛基功能梯度材料的装置示意图。
图2为本发明的二维钛基功能梯度材料每一层的梯度成分设计图。
图3为本发明的奇数层扫描路径示意图。
图4为本发明的偶数层扫描路径示意图。
图中：1超声发生器；2激光器；3激光头；4送粉筒；5送粉筒；6高纯氩气；7钛合金基板；8超声振动平台；9机床运动平台；10成形样件。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明。以超声辅助直接激光沉积TiC(碳化钛)增强Ti6Al4V(TC4钛合金)二维钛基功能梯度材料为例，给出具体的实施方式：
一种超声辅助激光增材制造二维钛基功能梯度材料的方法，为实现该方法采用的超声辅助激光增材制造二维钛基功能梯度材料的装置包括超声发生器1、激光器2、激光头3、送粉筒4、送粉筒5、高纯氩气6、钛合金基板7、超声振动平台8、机床运动平台9。所述的钛合金基板7水平固定在超声振动平台8上，且距离激光头3正下方；超声振动平台8水平固定在机床运动平台9上；高纯氩气6用于输送粉筒4和送粉筒5的混合粉末，并提供保护气作用。超声发生器1与超声振动平台8连接，激光器2与激光头3连接。打开高纯氩气6、送粉筒4、送粉筒5和超声发生器1，激光器2产生激光通过光纤传输到激光头3，并作用与钛合金基板7上，按照预定的运动路径，直接激光沉积二维钛基功能梯度材料。该方法具体包括以下内容：
准备阶段：
将近球形的TiC陶瓷颗粒(45～90μm)和球形的TC4(45～90μm)粉末，在真空干燥箱中烘干4h，干燥温度120℃；干燥后的陶瓷粉末置于送粉筒4中，TC4粉末置于送粉筒5中。用粗砂纸打磨TC4钛合金基板7，并用酒精清洗并吹干；将TC4钛合金基板7水平固定在超声振动平台8上，其上表面距离激光头3正下方9mm；超声振动平台8水平固定在机床运动平台9上。
按照图2所示的XY水平面内梯度成分，编写调节送粉筒4和送粉筒5的数控程序，以实时调节两种材料的成分比例。
打开高纯氩气6，送粉筒5，并打开超声发生器1，调节超声频率为20KHz，超声输出功率Q为1000W，使TC4钛合金基板7谐振，TC4粉末明显微振动。
编写直接激光沉积棱长60mm块体数控程序，使激光头3奇数层按照图3所示路径顺时针扫描，偶数层按照图4所示路径逆时针扫描，每一层都从a区开始扫描。
实验阶段：
打开激光器2，送粉筒4，数控调节送粉筒4与送粉筒5转速，使混合粉末为c区成分(10％TiC，质量分数)，设置激光功率P为450W，扫描速度V为300mm/min，激光头3单层提升量为0.4mm，相邻道与道间搭接率为50％，送粉量为0.2g/min，激光头3按照“7”形路径扫描，共沉积2mm厚预热层。
开始沉积二维钛基功能梯度材料成形样件10第一层，先沉积a区，再沉积b区，依次沉积c～j区，最后沉积k区；a～k区其激光功率P从400W开始，依次递增25W；a～g区扫描速度V为300mm/min，h～k区扫描速度V为250mm/min。
为了减少热积累及增大超声作用范围，沉积完50层后，超声输出功率Q为1200W，a～k区其激光功率P从400W开始，依次递增25W；a～g区扫描速度V为330mm/min，h～k区扫描速度V为280mm/min。
为了进一步地减少热积累及增大超声作用范围，沉积完100层后，超声输出功率Q为1500W，a～k区其激光功率P从400W开始，依次递增25W；a～g区扫描速度V为360mm/min，h～k区扫描速度V为310mm/min。
沉积完150层后，先关闭激光器2，接着关闭送粉筒4与送粉筒5，高纯氩气6，最后关闭超声发生器1。
成形的约60mm厚TiC增强Ti6Al4V二维钛基功能梯度材料块体件，在XY与YZ面内为一维梯度过渡，在空间上为二维梯度过渡。
以上所述实施例仅表达本发明的实施方式，但并不能因此而理解为对本发明专利的范围的限制，应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些均属于本发明的保护范围。
Claims (4)
1.一种超声辅助激光增材制造二维钛基功能梯度材料的方法，包括以下步骤：
S1：将钛合金基板(7)水平固定在超声振动平台(8)上，并且钛合金基板(7)上表面距离激光头(3)正下方5~12mm，超声振动平台(8)水平固定在机床运动平台(9)上；
S2：将干燥的陶瓷颗粒粉末置于送粉筒A(4)中，将干燥的钛合金粉末置于送粉筒B(5)中，按照预定的两种材料成分比的梯度过渡形式，编写调节送粉筒A(4)和送粉筒B(5)转速的数控程序，以实时调节两种材料的成分比例；所述预定的两种材料成分比的梯度过渡形式是指每一个沉积层都从左下角的a区呈“7”形过渡到右上角的k区；
S3：针对a区~k区每一个梯度区域，设置直接激光沉积工艺参数，a区~g区的扫描速度V为300~400mm/min，h区~k区的扫描速度V为250~350mm/min；激光功率P为400~800W，a区~k区激光功率P依次递增25~50W；相邻道与道之间的搭接率为40%~60%，相邻层与层间激光头(3)提升量为0.2~0.8mm，送粉量为0.1~0.5g/min；a区~k区为每一个沉积层的预设计的梯度过渡区域，a区~k区的陶瓷颗粒的质量分数从0%开始，按照陶瓷颗粒5%梯度递增过渡；
S4：打开超声发生器（1），在超声频率15~40KHz内，调节与钛合金基板(7)谐振的超声输出频率；打开高纯氩气(6)、送粉筒B(5)，并调节超声输出功率Q，使钛合金基板(7)上的粉末明显微振动；
S5：打开激光器(2)、送粉筒A(4)，按照c~f区中任意一个梯度区域的成分比例，调节送粉筒A(4)和送粉筒B(5)转速，以及该区对应的直接激光沉积工艺参数；先在钛合金基板(7)上沉积2~5mm厚预热层；
S6：按照a~k区的直接激光沉积工艺参数，从a区开始沉积，激光头(3)扫描路径为“7”形，且奇数层按照顺时针方向扫描；沉积完第一层后，第二层仍从a区开始扫描沉积，激光头(3)扫描路径仍为“7”形，但偶数层按照逆时针方向扫描；每一层都均从a区开始扫描沉积，但奇数层和偶数层交叉扫描，以均匀温度场，缓和热应力；
S7：每沉积50~100层，超声输出功率Q增加200~400W，激光线能量密度E=P/V减少0.1~0.5W/(mm/min)，用于减少热积累，减少微观组织粗大生长倾向。
2.根据权利要求1所述的一种超声辅助激光增材制造二维钛基功能梯度材料的方法，其特征在于，所述S2中的陶瓷颗粒为10~90μm的近球形TiC、SiC、WC或B4C粉末。
3.根据权利要求1所述的一种超声辅助激光增材制造二维钛基功能梯度材料的方法，其特征在于，所述S2中的钛合金粉末为10~90μm的球形Ti6Al4V粉末。
4.根据权利要求1所述的一种超声辅助激光增材制造二维钛基功能梯度材料的方法，其特征在于，所述的S4中的超声输出功率Q为600~3000W。
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