CN111893336A - 一种钛合金复合材料的制备装置及制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种钛合金复合材料的制备装置及制备方法，其中，制备装置包括枪体，所述枪体的喷嘴上设有激光束通道、第一等离子发生电极、第二等离子发生电极、第一导丝嘴和第二导丝嘴，所述激光束通道传输的激光束位于其中轴线上，所述第一等离子发生电极、所述第二等离子发生电极、所述第一导丝嘴和所述第二导丝嘴依次均匀分布于所述激光束通道的外周并与所述激光束通道的中轴线呈夹角。本发明利用了激光‑等离子复合热源熔融沉积丝材，复合热源的能量集中，沉积过程的热输入小，复合材料晶粒细化，缺陷少，成型精度高，制备装置的结构简单、易于实现，沉积效率高，适用于各种性能和大尺寸复合材料的制备。

Description

一种钛合金复合材料的制备装置及制备方法
技术领域
本发明属于复合材料制备技术领域，具体涉及一种钛合金复合材料的制备装置及制备方法。
背景技术
钛合金复合材料具有密度低、比强度高、耐蚀性好及优异的高温力学性能等突出特点，在先进飞机、高推重比航空发动机、飞船、卫星、运载火箭、船舶及医疗等高技术和尖端科学领域发挥着重要作用，已成为材料科学活跃的研究领域之一。
传统上，钛合金复合材料的制备主要以粉末冶金、压铸、烧结、热等静压、以及搅拌铸造等方法为主。上述传统方法存在生产设备复杂、生产成本高等缺陷。随着激光加工技术的发展，越来越多的学者利用激光沉积方法制备高性能复合材料。激光熔化沉积是一种无需工装模具，利用高能激光直接把金属粉末烧结成形的快速成形技术，能够实现高性能复杂结构零件的快速、近终成形，为钛合金复合材料提供了非常有潜力的制备方法。
现有的激光沉积技术主要有：1、CN201910224136.3公开的“一种钛合金复合材料及其制备方法、激光增材制造成型方法”中采用了球磨法将碳化钛、硼化钛、碳化硼、钛合金粉末制备成高强高硬的复合粉末，然后通过激光增材制造方法成型无裂纹、低空隙的高强、高硬钛合金材料，弥补了传统钛合金抗磨性差、硬度低的缺陷。2、CN201910815546.5公开的“高温钛合金为基体的钛基复合材料构件的激光增材制造方法”中提出了利用激光选区激光熔化方法、钛合金与增强体混合粉末，根据三维模型，分层直接成型零件。3、CN201510252581.2公开的“一种复合涂层、钛合金基复合材料及其制备方法”中使用了激光熔敷的方法在钛合金基底上增材复合粉末，获得抗氧化、耐磨的涂层。4、CN201911247043.9公开的“一种激光制备钛合金氧化石墨烯增强复合材料方法”中将氧化石墨烯粉末粉末溶液涂敷在钛合金基体表面，涂覆厚度为0.7mm，然后使用激光扫描涂覆层形成耐腐蚀性能的复合材料。上述的现有技术均利用了激光将增强粉末制备在钛合金基材上，以此实现多种复合或梯度材料的制备，虽然钛合金的表面性能得到了改善，但是粉末增材的效率低、成本昂贵，无法制造大尺寸坯料，且性能的改造集中在材料的表层。
为此，有人开发了以下改良技术：1、CN201810738804.X公开的“一种通过TIG熔覆制备La2O3改性复合材料的方法”利用了电弧熔敷的方法来提高生产效率，为复合材料的制备提供了一种新途径。2、CN201721427301.8公开的“一种基于电弧沉积金属基复合材料的送丝送粉耦合装置”兼具送丝和送粉功能，既可以避免送粉时颗粒长距离地穿越电弧空间，又可以缩短颗粒与液态金属的固-液接触时间，从而防止金属基复合材料制备过程中的颗粒溶解和有害化学反应现象发生。3、CN201910981099.0公开的“一种金属基层状复合材料及其电弧增材制造方法”中使用了金属-金属、或金属-颗粒增强相逐层堆积制备复合材料，制备系统为丝-粉复合电弧增材制造系统。然而，上述技术应用的电弧丝粉同步虽然可分层堆积，并获得性能改良的复合材料，但是电弧的热输入大，易造成热累积效应，从而影响复合材料的成型精度和组织晶粒。
发明内容
为解决上述现有技术中存在的不足之处，本发明的目的在于提供一种钛合金复合材料的制备装置及制备方法。本发明利用等离子与激光的复合热源交替熔融沉积实心丝材和药芯丝材以形成沉积层，并沿着Z方向依次沉积多个沉积层以制成分层堆积结构的复合材料，使性能改造均匀分布于材料整体上，且激光-等离子复合热源能量集中，沉积过程的热输入小，复合材料的晶粒细化，缺陷少，表面平整。
为达到其目的，本发明所采用的技术方案为：
一种钛合金复合材料的制备装置，其包括枪体，所述枪体的喷嘴上设有激光束通道、第一等离子发生电极、第二等离子发生电极、第一导丝嘴和第二导丝嘴，所述激光束通道传输的激光束位于其中轴线上，所述第一等离子发生电极、所述第二等离子发生电极、所述第一导丝嘴和所述第二导丝嘴依次均匀分布于所述激光束通道的外周并与所述激光束通道的中轴线呈夹角。
由此，本发明的制备装置具有两套呈十字布置的激光-等离子沉积系统，激光束位于十字交叉的中心，其中一套沉积系统由第一等离子发生电极、第一导丝嘴和激光束构成，另一套沉积系统由第二等离子发生电极、第二导丝嘴和激光束构成。
在工作状态下，所述第一等离子发生电极和所述第二等离子发生电极产生的等离子与激光形成复合热源，能量集中在激光束与等离子弧的交汇处。而第一导丝嘴和第二导丝嘴送给的钛合金丝材则作为填充材料，不断地送给到交汇处，被熔化后形成熔滴并过渡到基材表面，以完成沉积过程。沉积过程中，随着枪体的不断运动，沉积层出现在运动路径上。
优选地，所述第一导丝嘴和所述第二导丝嘴分别与所述激光束通道的中轴线呈50°～70°夹角。若该夹角过小，会引起丝材对熔池的扰动；若该夹角过大，会引起丝材熔滴过渡不畅。
优选地，所述第一等离子发生电极和所述第二等离子发生电极分别与所述激光束通道的中轴线呈20°～40°夹角。由此，可使离子发生电极与导丝嘴保持垂直或近垂直状态，从而确保电弧直接作用于丝材，使其熔化充分。
优选地，所述第一等离子发生电极和所述第二等离子发生电极的最大承载电流分别为100A。
优选地，所述第一导丝嘴用于输送实心丝材，所述第二导丝嘴用于输送药芯丝材。优选地，所述实心丝材的直径为1.0mm、1.2mm或1.6mm，所述药芯丝材的直径为1.6mm或2.0mm。药芯丝材的芯部包裹改善钛合金性能的合金粉末，具体可根据产品需求自由选择，而表层的材料与实心丝材一致。
此时，本发明制备装置具有的呈十字布置的两套激光-等离子沉积系统分别为实心丝材沉积系统和药芯丝材沉积系统，其中，实心丝材沉积系统用于沉积形成钛合金基体，而药芯丝材沉积系统则用于对钛合金基体的性能进行改造。沉积时，交替沉积实心丝和药芯丝。当完成整层沉积后，使用激光-等离子复合热源加热沉积层的表面，以减小沉积层表面的高度差，增加其平整性。沉积过程中使用的参数应使实心丝沉积层与药芯丝沉积层的几何尺寸相当。
优选地，所述激光束通道的外形呈圆台形。
进一步地，所述枪体内布置有用于冷却所述第一等离子发生电极和所述第二等离子发生电极的水冷通道、以及用于所述第一等离子发生电极和所述第二等离子发生电极起弧的气体通道。
优选地，所述枪体的喷嘴上设有保护气罩，所述保护气罩设于所述激光束通道、所述第一等离子发生电极、所述第二等离子发生电极、所述第一导丝嘴和所述第二导丝嘴的外周。所述保护气罩形成保护气通道，在沉积过程中，两个等离子发生电极与激光共用一个保护气通道。
本发明还提供了一种钛合金复合材料的制备方法，其包括使用本发明所述的钛合金复合材料的制备装置进行制备，步骤如下：
(1)根据沉积处理要求选择实心丝材和药芯丝材，调节激光功率、等离子电流、第一导丝嘴和第二导丝嘴的送丝速度和沉积速度；
(2)以分层堆积的方式沿着Z方向依次沉积每一层，且每一层以实心丝材与药芯丝材交替的方式进行沉积；
(3)每一层沉积完成后，均使用激光与等离子的复合热源加热沉积层的表面，以减小沉积层表面的高度差；
(4)重复上述步骤，直至在Z方向上完成钛合金复合材料的增材，即得钛合金复合材料。
本发明以分层堆积的方式沿着Z方向依次沉积每一层，且每一层以实心丝材与药芯丝材交替沉积的方式进行沉积，由此，不仅沉积效率高，还能将性能改造分散到材料整体上，使材料的复合性能均匀分布。完成一层沉积后，本发明还利用激光与等离子的复合热源对沉积层的表面进行加热，实现二次重熔，由此，可增加堆积层表面的平整度。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
1、本发明的制备装置利用了激光与等离子的复合热源熔融沉积丝材，复合热源的能量集中，沉积过程的热输入小，制备的复合材料晶粒细化，缺陷少，成型精度高。
2、本发明的制备装置不仅可利用分层堆积的方式制备复合材料，而且，在制备各沉积层时，可交替沉积实心丝材和药心丝材，将性能改造更均匀地分散到材料整体上，提高材料的复合性能的分布均匀度。此外，在每个沉积层沉积完成后，本发明还利用激光与等离子的复合热源对沉积层的表面进行加热，对其进行二次重熔，从而增加堆积层表面的平整度，进一步提高复合材料的成型精度。
3、本发明的沉积效率高，制备装置的结构简单、易于实现，适用于各种性能和大尺寸复合材料的制备。
附图说明
图1为本发明所述钛合金复合材料的制备装置的结构示意图；
图2为本发明所述钛合金复合材料的制备装置在另一视角的结构示意图；
图3为本发明所述钛合金复合材料的制备装置的部件的位置示意图；
图4为实施例2的十字交叉编织沉积示意图；
图5为实施例3的环形编织沉积示意图；
图6为实施例4的螺旋形编织沉积示意图。
图中，激光束通道1、第一等离子发生电极2、第二等离子发生电极3、第一导丝嘴4、第二导丝嘴5、激光束6、保护气罩7。
具体实施方式
下面将结合实施例及附图，对本发明的技术方案作进一步说明。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。实施例中的结构设置，如无特别说明，均为本领域的常规设置。
实施例1
本实施例提供了一种钛合金复合材料的制备装置，如图1～3所示，其包括枪体，枪体的喷嘴上设有激光束通道1、第一等离子发生电极2、第二等离子发生电极3、第一导丝嘴4和第二导丝嘴5。其中，激光束通道1连通激光发生器，激光束通道1传输的激光束6位于其中轴线上，第一等离子发生电极2、第二等离子发生电极3、第一导丝嘴4和第二导丝嘴5依次均匀分布于激光束通道1的外周并与激光束通道1的中轴线呈夹角。具体地，第一导丝嘴4和第二导丝嘴5分别与激光束通道1的中轴线呈50°～70°夹角，第一等离子发生电极2和第二等离子发生电极3分别与激光束通道1的中轴线呈20°～40°夹角。
本实施例中，第一等离子发生电极2和第二等离子发生电极3的最大承载电流分别为100A。第一导丝嘴4和第二导丝嘴5与送丝机构连通，第一导丝嘴4用于输送实心丝材，实心丝材的直径为1.0mm、1.2mm或1.6mm，第二导丝嘴5用于输送药芯丝材，药芯丝材的直径为1.6mm或2.0mm。药芯丝材的芯部包裹改善钛合金性能的合金粉末，具体可根据产品需求自由选择，而表层的材料与实心丝材一致。激光束通道1的外形呈圆台形。枪体内布置有用于冷却第一等离子发生电极2和第二等离子发生电极3的水冷通道、以及用于第一等离子发生电极2和第二等离子发生电极3起弧的气体通道。用于冷却的水冷通道和用于等离子发生装置起弧的气体通道为本领域的常规设置，在此不再赘述。
枪体的喷嘴上设有保护气罩7，保护气罩7设于激光束通道1、第一等离子发生电极2、第二等离子发生电极3、第一导丝嘴4和第二导丝嘴5的外周。保护气罩7形成保护气通道，与保护气气瓶连通。在沉积过程中，两个等离子发生电极与激光共用一个保护气通道。
实施例2
本实施例提供了一种钛合金复合材料的制备方法，使用实施例1的钛合金复合材料的制备装置进行制备，步骤如下：
设置第一导丝嘴4和第二导丝嘴5分别与激光束通道1的中轴线呈60°夹角，第一等离子发生电极2和第二等离子发生电极3分别与激光束通道1的中轴线呈25°夹角，激光功率为1000W，等离子电流为50A，直径为1.2mm的实心丝材的沉积速度为1.2m/min、送丝速度为1.0m/min，直径为1.6mm的药芯丝材的沉积速度为0.8m/min、送丝速度为1.0m/min。以分层堆积的方式沿着Z方向依次沉积每一层，且每一层以十字交叉编织的方式进行沉积，在纵向和横向上交替沉积实心丝材和药芯丝材，即如图4所示，沉积的顺序为：X1→Y1→X2→Y2→X3→Y3→X4→Y4→…Xi→Yj→Xi+1→Yj+1→Xi+2→Yj+2→Xi+3→Yj+3→Xi+4→Yj+4，由此形成编织结构。当每一层沉积完成后，均使用激光-等离子弧热源加热沉积层的表面，以减小沉积层表面的高度差，增加其平整性。沉积过程中使用的参数应使实心丝材沉积层与药芯丝材沉积层的几何尺寸相当。重复上述步骤，直至在Z方向上完成钛合金复合材料的增材，即得钛合金复合材料。
实施例3
本实施例提供了一种钛合金复合材料的制备方法，使用实施例1的钛合金复合材料的制备装置进行制备，步骤如下：
设置第一导丝嘴4和第二导丝嘴5分别与激光束通道1的中轴线呈60°夹角，第一等离子发生电极2和第二等离子发生电极3分别与激光束通道1的中轴线呈30°夹角，激光功率为1000W，等离子电流为50A，直径为1.2mm的实心丝材的沉积速度为1.2m/min、送丝速度为1.0m/min，直径为1.6mm的药芯丝材的沉积速度为0.8m/min、送丝速度为1.0m/min。以分层堆积的方式沿着Z方向依次沉积每一层，且每一层以环形编织的方式进行沉积，在同一结构层上交替环形沉积实心丝材和药芯丝材，即如图5所示，沉积的顺序为：C1→D1→C2→D2→…Ci→D j→Ci+1→Dj+1，由此形成同心圆结构。当每一层沉积完成后，均使用激光-等离子弧热源加热沉积层的表面，以减小沉积层表面的高度差，增加其平整性。沉积过程中使用的参数应使实心丝材沉积层与药芯丝材沉积层的几何尺寸相当。重复上述步骤，直至在Z方向上完成钛合金复合材料的增材，即得钛合金复合材料。
实施例4
本实施例提供了一种钛合金复合材料的制备方法，使用实施例1的钛合金复合材料的制备装置进行制备，步骤如下：
设置第一导丝嘴4和第二导丝嘴5分别与激光束通道1的中轴线呈60°夹角，第一等离子发生电极2和第二等离子发生电极3分别与激光束通道1的中轴线呈30°夹角，激光功率为1000W，等离子电流为50A，直径为1.2mm的实心丝材的沉积速度为1.2m/min、送丝速度为1.0m/min，直径为1.6mm的药芯丝材的沉积速度为0.8m/min、送丝速度为1.0m/min。以分层堆积的方式沿着Z方向依次沉积每一层，且每一层以螺旋形编织的方式进行沉积，在同一结构层上交替沉积实心丝材和药芯丝材，即如图6所示，沉积的顺序为：S→K。当每一层沉积完成后，均使用激光-等离子弧热源加热沉积层的表面，以减小沉积层表面的高度差，增加其平整性。沉积过程中使用的参数应使实心丝材沉积层与药芯丝材沉积层的几何尺寸相当。重复上述步骤，直至在Z方向上完成钛合金复合材料的增材，即得钛合金复合材料。
最后所应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。

Claims (10)

1.一种钛合金复合材料的制备装置，其特征在于，包括枪体，所述枪体的喷嘴上设有激光束通道、第一等离子发生电极、第二等离子发生电极、第一导丝嘴和第二导丝嘴，所述激光束通道传输的激光束位于其中轴线上，所述第一等离子发生电极、所述第二等离子发生电极、所述第一导丝嘴和所述第二导丝嘴依次均匀分布于所述激光束通道的外周并与所述激光束通道的中轴线呈夹角。
2.如权利要求1所述的钛合金复合材料的制备装置，其特征在于，所述第一导丝嘴和所述第二导丝嘴分别与所述激光束通道的中轴线呈50°～70°夹角。
3.如权利要求1所述的钛合金复合材料的制备装置，其特征在于，所述第一等离子发生电极和所述第二等离子发生电极分别与所述激光束通道的中轴线呈20°～40°夹角。
4.如权利要求1所述的钛合金复合材料的制备装置，其特征在于，所述第一等离子发生电极和所述第二等离子发生电极的最大承载电流分别为100A。
5.如权利要求1所述的钛合金复合材料的制备装置，其特征在于，所述第一导丝嘴用于输送实心丝材，所述第二导丝嘴用于输送药芯丝材。
6.如权利要求5所述的钛合金复合材料的制备装置，其特征在于，所述实心丝材的直径为1.0mm、1.2mm或1.6mm，所述药芯丝材的直径为1.6mm或2.0mm。
7.如权利要求1所述的钛合金复合材料的制备装置，其特征在于，所述激光束通道的外形呈圆台形。
8.如权利要求1所述的钛合金复合材料的制备装置，其特征在于，所述枪体内布置有用于冷却所述第一等离子发生电极和所述第二等离子发生电极的水冷通道、以及用于所述第一等离子发生电极和所述第二等离子发生电极起弧的气体通道。
9.如权利要求1所述的钛合金复合材料的制备装置，其特征在于，所述枪体的喷嘴上设有保护气罩，所述保护气罩设于所述激光束通道、所述第一等离子发生电极、所述第二等离子发生电极、所述第一导丝嘴和所述第二导丝嘴的外周。
10.一种钛合金复合材料的制备方法，其特征在于，使用如权利要求1～9任一项所述的钛合金复合材料的制备装置进行制备，步骤如下：
(1)根据沉积处理要求选择实心丝材和药芯丝材，调节激光功率、等离子电流、第一导丝嘴和第二导丝嘴的送丝速度和沉积速度；
(2)以分层堆积的方式沿着Z方向依次沉积每一层，且每一层以实心丝材与药芯丝材交替沉积的方式进行沉积；
(3)每一层沉积完成后，均使用激光与等离子的复合热源加热沉积层的表面，以减小沉积层表面的高度差；
(4)重复上述步骤，直至在Z方向上完成钛合金复合材料的增材。
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