CN112643050A - 一种颗粒增强金属基复合材料零件的激光增材制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种颗粒增强金属基复合材料零件的激光增材制造方法，包括材料的准备；增材制造成形，使用通过送粉器进行原材料送进的激光增材制造技术进行颗粒增强金属基复合材料零件的制备；零件后处理。本发明中激光增材制造方法精选增强相颗粒的粒度范围并进行表面处理，采用分别送进后在末端通过基于变密度点阵结构的静态混合器混合的方式进行材料供给，让流体按照预设路径，完成增强相流体和基体相流体“分割‑位置移动‑重新混合”，同时对各物质送进位置及功能单元作用区域进行限定，提高两相间混合均匀性、比例可调性及润湿性，降低界面反应能，另外引入高能超声作用于熔池，进一步改善了复合材料零件性能。

Description

一种颗粒增强金属基复合材料零件的激光增材制造方法
技术领域
本发明属于增材制造技术领域，特别涉及一种颗粒增强金属基复合材料零件的激光增材制造方法。
背景技术
颗粒增强金属基复合材料是一类以金属或合金作基体，碳化物、氧化物、氮化物、石墨甚至金属等颗粒作为增强体的复合材料的统称。由于该类材料具有高的比刚度、比强度、耐磨性、耐高温及低比重等特性，在航空航天、能源重工、汽车、微电子及体育器械等领域均占有不小市场份额。
传统颗粒增强金属基复合材料零件的制备方法主要有粉末冶金、喷射沉积、搅拌复合、原位复合等，但它们均存在制备周期长、制件形状复杂程度有限及不适宜定制化生产等问题；新兴增材制造技术虽然可以解决上述传统制备方法的不足，但由于要将两相材料提前混合、送进，而两相间存在粒度、密度及相容性等方面的差异，因此引发了送进效果不佳、两相分布不均、相间不润湿、存在严重界面反应及两相的含量比例受限等新的问题。
发明内容
为了克服现有技术中的不足，本发明人进行了锐意研究，提供了一种颗粒增强金属基复合材料零件的激光增材制造方法，该方法精选增强相颗粒的粒度范围并进行表面处理，采用分别送进后在末端通过基于变密度点阵结构的静态混合器混合的方式进行材料供给，让流体按照预设路径，完成增强相流体和基体相流体“分割-位置移动-重新混合”，同时对各物质送进位置及功能单元(激光聚焦系统、送粉头与高能超声聚焦模块)作用区域进行限定，提高两相间混合均匀性、比例可调性及润湿性，降低界面反应能，另外引入高能超声作用于熔池，进一步改善复合材料零件性能，从而完成本发明。
本发明提供的技术方案如下：
一种颗粒增强金属基复合材料零件的激光增材制造方法，包括：
原材料的准备；
步骤1-1，增强相的准备：选取中值粒径D50在1～10μm范围内的第二相颗粒作为增强相，在有机介质中搅拌后干燥，然后通过物理或化学的方法在干燥后增强相颗粒表面获得一层能够改善增强相与基体界面性能的镀层；
步骤1-2，基体相的准备：选取金属粉末作为基体相，在100～150℃的真空环境下干燥1～3h；
增材制造成形：使用通过送粉器进行原材料送进的激光熔化沉积成形技术进行颗粒增强金属基复合材料零件的制备，增材制造装置的成型室内安装有激光聚焦系统和送粉头，具体过程包括：
步骤2-1，工艺文件的准备；
步骤2-2，成形设备的准备：将处理好的增强相颗粒与基体粉末分别装入各自的送粉器内，通过计算得出满足所需颗粒增强金属基复合材料两相配比的增强相颗粒与基体粉末的送进速率，然后调节送粉器气流使二者的实际送进量与计算值一致，两种材料在进入熔池前先经过静态混合器，在静态混合器内混合均匀后经送粉头送进，调节激光光斑与送进位置之间的关系，使送进位置位于熔池的中后部；
步骤2-3，零件成形。
根据本发明提供的一种颗粒增强金属基复合材料零件的激光增材制造方法，具有以下有益效果：
(1)本发明中一种颗粒增强金属基复合材料零件的激光增材制造方法，精选增强相颗粒的粒度范围并使用有机介质如乙醇分散处理，使其既能够避免剧烈的团聚，又能够最大限度的发挥增强相的增强作用；对增强相颗粒进行表面处理，不但能够改善增强相与基体间的润湿性，而且可以缓解两相间界面间的反应；利用送粉器分别进行两种材料的送进，一方面能够提高两种材料比例的可调性，另一方面能够解决由于二者粒度差异造成提前混合后难以均匀送进的问题；在两种粉末进入熔池前使用基于变密度点阵结构的静态混合器，利用变密度点阵结构内部联通性，实现两种粉末的主动对流混合，保证了增强相与基体材料的均匀性；使用高能超声作用于熔池，利用高能超声对熔池的搅拌作用，在改善增强相分布均匀性的同时，又改善了基体金属自身的性能。
(2)现有的增材制造中粉末混合普遍采用预先物理混合方法，本发明中粉末混合在送粉过程中实施，通过变密度点阵结构的静态混合器实现了微观混合，较当前的宏观混合解决了粉末团聚的问题，混合均匀性明显提升。
附图说明
图1示出本发明一种优选实施方式中静态混合器的结构示意图；
图2示出本发明一种优选实施方式中静态混合器的混合单元的结构示意图。
附图标号说明
1-流体管道；2-混合单元；3-单元片。
具体实施方式
下面通过对本发明进行详细说明，本发明的特点和优点将随着这些说明而变得更为清楚、明确。
本发明提供了一种颗粒增强金属基复合材料零件的激光增材制造方法，包括以下步骤：
原材料的准备；
步骤1-1，增强相的准备：选取中值粒径D50在1～10μm范围内的第二相颗粒作为增强相，在有机介质如无水乙醇中搅拌后干燥，然后通过物理或化学的方法在干燥后增强相颗粒表面获得一层能够改善增强相与基体界面性能的镀层；
步骤1-2，基体相的准备：选取金属粉末作为基体相，在100～150℃的真空环境下干燥1～3h；
增材制造成形：使用通过送粉器进行原材料送进的激光熔化沉积成形技术进行颗粒增强金属基复合材料零件的制备，增材制造装置的成型室内安装有激光聚焦系统和送粉头，具体过程包括：
步骤2-1，工艺文件的准备：将待成形零件的三维模型导入数据处理软件，根据零件及工艺特点进行零件位置摆放的选择、余量的添加、支撑的设置等操作，然后输出成形所需的工艺控制文件；
步骤2-2，成形设备的准备：将处理好的增强相颗粒与基体粉末分别装入各自的送粉器内，通过计算得出满足所需颗粒增强金属基复合材料两相配比的增强相颗粒与基体粉末的送进速率，然后调节送粉器气流使二者的实际送进量与计算值一致，两种材料在进入熔池前先经过静态混合器，在静态混合器内混合均匀后经送粉头送进，调节激光光斑与送进位置之间的关系，使送进位置位于熔池的中后部；
步骤2-3，零件成形：根据基体材料特点设定好相关的成形参数，待设备的氧含量满足成形要求后，开动设备按照输入的零件数据成形零件。
零件后处理；
成形完成后根据需求，对成形后的零件进行热处理、基材分离、打磨、机加等后续操作，随后得到所需颗粒增强金属基复合材料零件。
在本发明中，所述步骤1-2，基体相的准备中，基体相所选用的金属粉末的中值粒径D50为65～100μm。
在本发明中，所述步骤2-2，成形设备的准备中，如图1和2所示，所述静态混合器包括流体管道1和混合单元2，流体管道1通过自身的刚性束缚限定流体只能沿管道方向运动，所述混合单元2设置在流体管道1中，通过多层单元片3冶金结合而成，相邻层单元片3交叉错位固定，使混合单元中形成多孔隙的点阵结构，混合单元通过对流体的分割、调速、变向及交换等作用实现流体内部物质的充分接触与混合。
进一步地，所述单元片3的边缘与流体管道接触，且与流体管道1的内壁随型。
进一步地，所述单元片3的分布密度可变，在靠近流体管道进口端，单元片3的分布密度低，在靠近流体管道出口端，单元片3的分布密度高，使静态混合器完成变密度混合。该变密度设计，能够综合送粉速度(混合效率)和混合质量，进而保证成型质量的前提下，提高生产效率。
本发明中设计的静态混合器让流体按照预设路径，完成增强相流体和基体相流体“分割-位置移动-重新混合”，其单元片形成多面体点阵结构，通过单元片的密度调整实现混合单元密度的变化，增强混合单元对流体的搅拌，进而强化静态混合器对流体的混合效果。
在本发明中，所述步骤2-2，成形设备的准备中，增材制造装置的成型室内还安装有高能超声聚焦模块，所述高能超声聚焦模块的高能超声作用点与激光光斑位置重合。通过创造性的引入高能超声聚焦模块，利用高能超声对熔池的搅拌作用，在改善增强相分布均匀性的同时，又改善了基体金属自身的性能。
进一步地，所述激光聚焦系统和高能超声聚焦模块集成到一个送粉头上，该设置利于实现在成形前调整好光斑、粉末汇聚点及超声作用点三者位置关系后，一直保持这种关系到成形结束的功能。
实施例
实施例1 SiC增强2024铝复合材料零件的制备
1.原材料的准备；
①选取D50为5μm的SiC颗粒作为增强相，以乙醇为介质进行搅拌后干燥，然后通过化学镀的方法在干燥后的SiC颗粒表面获得一层能够改善增强相与基体界面性能的金属铜；
②选取D50为80μm的2024铝合金粉末作为基体相，在120℃的真空环境下干燥2h。
2.增材制造成形；
使用通过送粉器进行原材料送进的激光熔化沉积成形技术进行SiC颗粒增强铝合金基复合材料零件的制备，其过程如下：
①工艺文件的准备；将待成形零件的三维模型导入数据处理软件，根据零件及工艺特点进行零件位置摆放的选择、余量的添加、支撑的设置等操作，然后输出成形所需的工艺控制文件。
②成形设备的准备；将处理好的SiC颗粒与2024铝合金粉末分别装入各自的送粉器内，通过计算满足所需SiC与2024铝合金复合材料的两相比，得出成形过程中SiC颗粒与2024铝合金粉末的送进速率，然后调节送粉器气流使二者的实际送进量与计算值一致，两种粉末在进入熔池前先经过一段基于变密度点阵结构的静态混合器(如图1和图2所示)，在静态混合器内混合均匀后再送进熔池。调节激光光斑与静态混合器送进位置之间的关系，使送进位置位于熔池的中后部。调节高能超声作用点与激光光斑位置之间的关系，使二者重合。
③零件成形。待设备的氧含量满足成形要求后，开动设备按照输入的零件数据成形零件。
3.零件后处理；
成形完成后根据需求，对成形后的零件进行热处理、基材分离、打磨、机加等后续操作，即可获得SiC与2024铝成分比符合设计要求，两相分布均匀、相间结合良好、致密度大于99.9％的SiC增强2024铝复合材料零件。
实施例2 WC增强Q235复合材料零件的制备
1.原材料的准备；
①选取D50为1μm的WC颗粒作为增强相，以乙醇为介质进行搅拌后干燥，然后通过电化学的方法在干燥后的WC颗粒表面获得一层能够改善增强相与基体界面性能的金属Co；
②选取D50为65μm的Q235钢粉末作为基体相，在120℃的真空环境下干燥2h。
2.增材制造成形；
使用通过送粉器进行原材料送进的激光熔化沉积成形技术进行WC增强Q235复合材料零件的制备零件的制备，其过程如下：
①工艺文件的准备；将待成形零件的三维模型导入数据处理软件，根据零件及工艺特点进行零件位置摆放的选择、余量的添加、支撑的设置等操作，然后输出成形所需的工艺控制文件。
②成形设备的准备；将处理好的WC颗粒与Q235粉末分别装入各自的送粉器内，通过计算WC与Q235在复合材料中占比例，得出成形过程中WC颗粒与Q235粉末的送进速率，然后调节送粉器气流使二者的实际送进量与计算值一致，两种粉末在进入熔池前先经过一段基于变密度点阵结构的静态混合器(如图1和图2所示)，在静态混合器内混合均匀后再送进熔池。调节激光光斑与静态混合器送进位置之间的关系，使送进位置位于熔池的中后部。调节高能超声作用点与激光光斑位置之间的关系，使二者重合。
③零件成形。待设备的氧含量满足成形要求后，开动设备按照输入的零件数据成形零件。
3.零件后处理；
成形完成后根据需求，对成形后的零件进行热处理、基材分离、打磨、机加等后续操作，即可获得WC与Q235成分比符合设计要求，两相分布均匀、相间结合良好、致密度大于99.9％的WC增强Q235复合材料零件。
实施例3 Al2O3增强316L复合材料零件的制备
1.原材料的准备；
①选取D50为10μm的Al2O3颗粒作为增强相，以乙醇为介质进行搅拌后干燥，然后通过高能球磨的方法在干燥后的颗粒表面获得一层能够改善增强相与基体界面性能的镍；
②选取D50为100μm的316L不锈钢粉末作为基体相，在120℃的真空环境下干燥2h。
2.增材制造成形；
使用通过送粉器进行原材料送进的激光熔化沉积成形技术进行Al2O3增强316L基复合材料零件的制备，其过程如下：
①工艺文件的准备；将待成形零件的三维模型导入数据处理软件，根据零件及工艺特点进行零件位置摆放的选择、余量的添加、支撑的设置等操作，然后输出成形所需的工艺控制文件。
②成形设备的准备；将处理好的Al2O3颗粒与316L粉末分别装入各自的送粉器内，通过计算得出满足所需复合材料Al2O3与316L的两相配比，获得二者的送进速率，然后调节送粉器气流使二者的实际送进量与计算值一致，两种粉末在进入熔池前先经过一段基于变密度点阵结构的静态混合器(如图1和图2所示)，在静态混合器内混合均匀后再送进熔池。调节激光光斑与静态混合器送进位置之间的关系，使送进位置位于熔池的中后部。调节高能超声作用点与激光光斑位置之间的关系，使二者重合。
③零件成形。待设备的氧含量满足成形要求后，开动设备按照输入的零件数据成形零件。
3.零件后处理；
成形完成后根据需求，对成形后的零件进行热处理、基材分离、打磨、机加等后续操作，即可获得Al2O3颗粒与316L成分比符合设计要求，两相分布均匀、相间结合良好、致密度大于99.9％的Al2O3增强316L复合材料零件。
以上结合具体实施方式和范例性实例对本发明进行了详细说明，不过这些说明并不能理解为对本发明的限制。本领域技术人员理解，在不偏离本发明精神和范围的情况下，可以对本发明技术方案及其实施方式进行多种等价替换、修饰或改进，这些均落入本发明的范围内。本发明的保护范围以所附权利要求为准。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (8)

1.一种颗粒增强金属基复合材料零件的激光增材制造方法，其特征在于，包括：
原材料的准备；
步骤1-1，增强相的准备：选取中值粒径D50在1～10μm范围内的第二相颗粒作为增强相，在有机介质中搅拌后干燥，然后通过物理或化学的方法在干燥后增强相颗粒表面获得一层能够改善增强相与基体界面性能的镀层；
步骤1-2，基体相的准备：选取金属粉末作为基体相，在100～150℃的真空环境下干燥1～3h；
增材制造成形：使用通过送粉器进行原材料送进的激光熔化沉积成形技术进行颗粒增强金属基复合材料零件的制备，增材制造装置的成型室内安装有激光聚焦系统和送粉头，具体过程包括：
步骤2-1，工艺文件的准备；
步骤2-2，成形设备的准备：将处理好的增强相颗粒与基体粉末分别装入各自的送粉器内，通过计算得出满足所需颗粒增强金属基复合材料两相配比的增强相颗粒与基体粉末的送进速率，然后调节送粉器气流使二者的实际送进量与计算值一致，两种材料在进入熔池前先经过静态混合器，在静态混合器内混合均匀后经送粉头送进，调节激光光斑与送进位置之间的关系，使送进位置位于熔池的中后部；
步骤2-3，零件成形。
2.根据权利要求1所述的激光增材制造方法，其特征在于，所述步骤1-2，基体相的准备中，基体相所选用的金属粉末的中值粒径D50为65～100μm。
3.根据权利要求1所述的激光增材制造方法，其特征在于，所述步骤2-2，成形设备的准备中，所述静态混合器包括流体管道(1)和混合单元(2)，流体管道(1)通过自身的刚性束缚限定流体只能沿管道方向运动，所述混合单元(2)设置在流体管道(1)中，通过多层单元片(3)冶金结合而成，相邻层单元片(3)交叉错位固定，使混合单元中形成多孔隙的点阵结构。
4.根据权利要求3所述的激光增材制造方法，其特征在于，所述单元片(3)的边缘与流体管道接触，且与流体管道(1)的内壁随型。
5.根据权利要求3所述的激光增材制造方法，其特征在于，所述单元片(3的分布密度可变，在靠近流体管道进口端，单元片(3)的分布密度低，在靠近流体管道出口端，单元片(3)的分布密度高，使静态混合器完成变密度混合。
6.根据权利要求1所述的激光增材制造方法，其特征在于，所述步骤2-2，成形设备的准备中，增材制造装置的成型室内还安装有高能超声聚焦模块，所述高能超声聚焦模块的高能超声作用点与激光光斑位置重合。
7.根据权利要求1所述的激光增材制造方法，其特征在于，所述步骤2-2，所述激光聚焦系统和高能超声聚焦模块集成到一个送粉头上。
8.根据权利要求1所述的激光增材制造方法，其特征在于，所述激光增材制造方法还包括零件后处理步骤：根据需求，对成形后的零件进行热处理、基材分离、打磨、机加操作，得到所需颗粒增强金属基复合材料零件。
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