CN114472922B - 超高速激光-感应复合熔覆增材制造铜基偏晶高熵合金的方法 - Google Patents

超高速激光-感应复合熔覆增材制造铜基偏晶高熵合金的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种超高速激光‑感应复合熔覆增材制造铜基偏晶高熵合金的方法，所述方法包括：将铜基偏晶高熵合金粉末作为成形粉末；将激光束与同轴粉末喷嘴定位于感应加热区内，根据铜基偏晶高熵合金零件CAD模型分层切片获得的一系列二维扫描轨迹，逐点、逐线与逐层制备铜基偏晶高熵合金；在超高速激光‑感应复合熔覆增材制造的同时，对形成的每一道熔覆层进行超声滚压处理；当熔覆增材制造一层之后，将加工头沿Z方向上升，并进行下一层熔覆增材制造，直到完成铜基偏晶高熵合金零件制造。采用本发明制备的铜基偏晶高熵合金呈现层状异构特征，具有高强高韧、高热稳定、高抗辐照、耐载流磨损与抗电弧烧蚀性能。

Description

超高速激光-感应复合熔覆增材制造铜基偏晶高熵合金的 方法
技术领域
本发明涉及一种超高速激光-感应复合熔覆增材制造铜基偏晶高熵合金的方法，属于激光增材制造(3D打印)技术领域。
背景技术
偏晶合金又称难混溶合金，是一类具有液-液两相分离的合金，当冷却进入液相分离温度区间时，形成具有弥散、核/壳或层状结构时，具有独特的物理与力学性能，作为电接触材料、轴瓦材料、热沉材料、刹车片材料等，在工业领域具有广阔的应用前景。
但是，常规熔铸技术制备该类合金时极易产生宏观偏析或分层组织，严重制约了该类合金优异性能的发挥，导致该类合金在工业领域中的应用受限。尽管国内外研究者提出了许多解决偏析或分层的方法，但均未从根本上解决偏晶合金易分层的问题。
鉴于层状异构具有高强高韧(异质形变强化)、界面高温结构稳定性(不混溶异质界面之间高温难扩散)，以及高熵合金的四大效应：热力学高熵效应、动力学迟滞效应、晶格畸变效应、鸡尾酒效应，使其具有优异的高强高韧、高耐磨与耐烧蚀以及优异的抗辐照性能等。因此，本发明在设计铜基偏晶合金成分时引入高熵合金思想，采用超高速激光-感应复合熔覆增材制造的方法，利用其超高冷速与液相分离，制备层状异构铜基偏晶高熵合金，使其具有高强高韧、高耐磨、高耐蚀、高导电与高抗辐照等性能，在国防、航空、航天、核电等领域具有广阔的应用前景。迄今为止，未发现国内外有关于采用超高速激光-感应复合熔覆增材制造技术制备铜基偏晶高熵合金的研究报道。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种超高速激光-感应复合熔覆增材制造铜基偏晶高熵合金的方法，该方法在铜基偏晶合金成分设计时引入高熵合金思想，将要制备的铜基偏晶高熵合金零件CAD模型分层切片，生成一系列超高速激光-感应复合熔覆增材制造的二维扫描轨迹；根据生成的扫描轨迹，逐点与逐线的同时进行超声滚压处理，然后逐层堆积成三维实体的铜基偏晶高熵合金；实现了超高速激光、感应加热与超声滚压三种能量场的复合制造。铜基偏晶高熵合金粉末主要由Cu、Mo、Nb、 Si、Al、HfO2与石墨烯组成，其中铜与钼为等或近等原子比。采用该方法制备的铜基偏晶高熵合金呈层状异构特征，具有高强高韧、高热稳定、高抗辐照、耐载流磨损与抗电弧烧蚀性能。
本发明的目的可以通过采取如下技术方案达到：
S1：将铜基偏晶高熵合金粉末作为超高速激光-感应复合熔覆增材制造的成形粉末，其化学成分为：Mo 20～35wt.％，Nb 5-15wt.％，Si 2～5wt.％，Al 2～10wt.％，HfO20.5～5 wt.％，石墨烯0.2～4.5wt.％，余量为Cu；
S2：不锈钢或铜合金表面经过镀镍处理后作为基材，将所述铜基偏晶高熵合金粉末放置于自动送粉器内，调节感应加热功率，使感应加热的温度控制在500-900℃；
S3：将激光束与同轴粉末喷嘴定位于感应加热区内，实现激光热源与感应加热源的耦合，然后根据铜基偏晶高熵合金零件CAD模型分层切片获得的一系列超高速激光 -感应复合熔覆增材制造的二维扫描轨迹，逐点、逐线与逐层制备铜基偏晶高熵合金；
S4：在超高速激光-感应复合熔覆增材制造的同时，对形成的每一道熔覆层进行超声滚压处理，细化显微组织，降低表面粗糙度，在表面获得压应力，提高抗疲劳性能；
S5：当超高速激光-感应复合熔覆增材制造一层之后，将超高速激光-感应复合熔覆增材制造加工头沿Z方向上升一层的高度，重复步骤S3～S5，直到完成铜基偏晶高熵合金零件制造。
进一步的，步骤S1中铜基偏晶高熵合金粉末中的铜与钼为等或近等原子比。
进一步的，所述铜基偏晶高熵合金粉末中铜与钼原子比为1～1.2。
进一步的，步骤S3中工艺参数为：
激光功率为16～20kW，激光扫描速度为260～300m/min，光斑直径为4～6mm，送粉量为500g/min～800g/min，感应加热功率160～200kW，粉末喷射角45～53°，搭接率40～60％，单层厚度为0.01～0.8mm。
进一步的，步骤S3中调控超高速激光-感应复合熔覆增材制造工艺参数，诱导铜与钼或铜与铌在超高速激光-感应复合熔覆增材制造过程中发生液-液两相分离，形成具有层状异构的铜基偏晶高熵合金。
进一步的，所述铜基偏晶高熵合金为富铜层与富钼层交替形成，其中球状富铌或富钼颗粒弥散分布于富铜层内，富铜或富铌颗粒均匀镶嵌于富钼层内。
进一步的，所述铜基偏晶高熵合金内的富铜层固溶有过饱和Mo、Si与Al，富钼层内固溶有过饱和Cu、Si与Al。
进一步的，所述铜基偏晶高熵合金内石墨烯主要分布于富铜基体的晶界处、球状富钼或富铌颗粒与富铜基体的界面处以及球状富铜或富铌颗粒与富钼基体的界面处。
进一步的，步骤S4中调节超声滚压装置的超声波换能器，使变幅杆产生的振动机械能与预设的静压力机械同时施加到滚压头接触的铜基偏晶高熵合金表面。
进一步的，所述每一道熔覆层的变形量控制在2～8％。
本发明相对于现有技术具有如下的有益效果：
1、本发明将超高速激光、感应加热与超声滚压三种能量场复合，加工或成形效率相对单纯激光熔覆技术提高5～10倍。
2、本发明可以制备无裂纹超硬材料(≥65HRC)，克服了单纯激光熔覆技术制备高硬度材料易开裂的难题。
3、本发明在增材制造过程中，每一道都进行了超声滚压处理，获得的铜基偏晶高熵合金组织更细小与更致密，表面呈压应力状态，具有更优异的耐磨损与耐疲劳性能。
4、采用本发明制备的铜基偏晶高熵合金呈现层状异构的结构特征，具有优异的高强高韧、高导热与高导电、高热稳定、高抗辐照、抗载流磨损与耐电弧烧蚀等性能。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例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1：
将经过喷砂处理的304不锈钢板作为基材，采用超高速激光-感应复合熔覆增材制造的方法制备铜基偏晶高熵合金，由于液相分离，在凝固速度超过～108K/s条件下，获得的铜基偏晶高熵合金的显微结构特征为：富铜层与富钼层交替形成；其中，大量5～10 微米球状富铌或富钼颗粒弥散分布于富铜层内，大量2～5微米富铜或富铌颗粒均匀镶嵌于富钼层内。此外，富铜层固溶有过饱和Mo、Si与Al，富钼层内固溶有过饱和Cu、 Si与Al。铜基偏晶高熵合金电导率为70％IACS，抗电弧烧蚀性能是CuCrZr合金的3 倍，抗载流磨损性能是CuCrZr合金5倍，抗拉强度达700MPa，延伸率达15％。具体实施过程如下：
(1)将铜基偏晶高熵合金粉末作为超高速激光-感应复合熔覆增材制造的成形粉末，它的化学成分为：Mo 20wt.％，Nb 5wt.％，Si 2wt.％，Al 2wt.％，HfO2 0.5wt.％，石墨烯0.2wt.％，余量为Cu；其中，铜基偏晶高熵合金粉末中铜与钼为等原子比。
(2)304不锈钢表面经过镀镍处理作为基材，将铜基偏晶高熵合金粉末放置于自动送粉器内，调节感应加热功率，使感应加热的温度控制在500℃；
(3)将激光束与同轴粉末喷嘴定位于感应加热区内，实现激光热源与感应加热源的耦合，然后根据铜基偏晶高熵合金零件CAD模型分层切片获得的一系列超高速激光 -感应复合熔覆增材制造的二维扫描轨迹，逐点、逐线与逐层制备铜基偏晶高熵合金；
其中，激光功率为16kW，激光扫描速度为260m/min，光斑直径为4mm，送粉量为500g/min，感应加热功率160kW，粉末喷射角45°，搭接率40％，单层厚度为 0.01mm；
调控超高速激光-感应复合熔覆增材制造工艺参数，诱导铜与钼或铜与铌在超高速激光-感应复合熔覆增材制造过程中发生液-液两相分离，形成具有层状异构的铜基偏晶高熵合金；
(4)在超高速激光-感应复合熔覆增材制造的同时，对形成的每一道熔覆层进行超声滚压处理，细化显微组织，降低表面粗糙度，在表面获得压应力，提高抗疲劳性能；
调节超声滚压装置的超声波换能器，使变幅杆产生的振动机械能与预设的静压力机械能同时施加到滚压头接触的铜基偏晶高熵合金表面，每一道熔覆层的变形量控制在2％。
(5)当超高速激光-感应复合熔覆增材制造一层之后，将超高速激光-感应复合熔覆增材制造加工头沿Z方向上升一层的高度，然后重复步骤(3)～(5)，直到完成铜基偏晶高熵合金零件制造。
实施例2：
将经过喷砂处理的黄铜板作为基材，采用超高速激光-感应复合熔覆增材制造的方法制备铜基偏晶高熵合金，由于液相分离，在凝固速度超过～108K/s条件下，获得的铜基偏晶高熵合金的显微结构特征为：富铜层与富钼层交替形成；其中，大量10～15微米球状富铌或富钼颗粒弥散分布于富铜层内，大量5～10微米富铜或富铌颗粒均匀镶嵌于富钼层内。此外，富铜层固溶有过饱和Mo、Si与Al，富钼层内固溶有过饱和Cu、 Si与Al。铜基偏晶高熵合金电导率为60％IACS，抗电弧烧蚀性能是CuCrZr合金的5 倍，抗载流磨损性能是CuCrZr合金8倍，抗拉强度达860MPa，延伸率达12％。具体实施过程如下：
(1)将铜基偏晶高熵合金粉末作为超高速激光-感应复合熔覆增材制造的成形粉末，它的化学成分为：Mo 30wt.％，Nb 10wt.％，Si 3wt.％，Al 6wt.％，HfO2 3wt.％，石墨烯2.5wt.％，余量为Cu；其铜基偏晶高熵合金粉末中铜与钼的原子比为1.1；
(2)铜合金表面经过镀镍处理作为基材，将铜基偏晶高熵合金粉末放置于自动送粉器内，调节感应加热功率，使感应加热的温度控制在700℃；
(3)将激光束与同轴粉末喷嘴定位于感应加热区内，实现激光热源与感应加热源的耦合，然后根据铜基偏晶高熵合金零件CAD模型分层切片获得的一系列超高速激光-感应复合熔覆增材制造的二维扫描轨迹，逐点、逐线与逐层制备铜基偏晶高熵合金；
其中，激光功率为18kW，激光扫描速度为280m/min，光斑直径为5mm，送粉量为700g/min，感应加热功率180kW，粉末喷射角53°，搭接率50％，单层厚度为 0.3mm；
(4)在超高速激光-感应复合熔覆增材制造的同时，对形成的每一道熔覆层进行超声滚压处理，细化显微组织，降低表面粗糙度，在表面获得压应力，提高抗疲劳性能；
调节超声滚压装置的超声波换能器，使变幅杆产生的振动机械能与预设的静压力机械能同时施加到滚压头接触的铜基偏晶高熵合金表面，每一道熔覆层的变形量控制在5％。
(5)当超高速激光-感应复合熔覆增材制造一层之后，将超高速激光-感应复合熔覆增材制造加工头沿Z方向上升一层的高度，然后重复步骤(3)～(5)，直到完成铜基偏晶高熵合金零件制造。
实施例3：
将经过喷砂处理的黄铜板作为基材，采用超高速激光-感应复合熔覆增材制造的方法制备铜基偏晶高熵合金，由于液相分离，在凝固速度超过～108K/s条件下，获得的铜基偏晶高熵合金的显微结构特征为：富铜层与富钼层交替形成；其中，大量15～20微米球状富铌或富钼颗粒弥散分布于富铜层内，大量10～15微米富铜或富铌颗粒均匀镶嵌于富钼层内。此外，富铜层固溶有过饱和Mo、Si与Al，富钼层内固溶有过饱和Cu、 Si与Al。铜基偏晶高熵合金电导率为55％IACS，抗电弧烧蚀性能是CuCrZr合金的8 倍，抗载流磨损性能是CuCrZr合金10倍，抗拉强度达1.1GPa，延伸率达8％。具体实施过程如下：
(1)将铜基偏晶高熵合金粉末作为超高速激光-感应复合熔覆增材制造的成形粉末，它的化学成分为：Mo 35wt.％，Nb 15wt.％，Si 5wt.％，Al 10wt.％，HfO2 5wt.％，石墨烯4.5wt.％，余量为Cu；其中，铜基偏晶高熵合金粉末中铜与钼的原子比为1.2。
(2)不锈钢或铜合金表面经过镀镍处理作为基材，将铜基偏晶高熵合金粉末放置于自动送粉器内，调节感应加热功率，使感应加热的温度控制在900℃；
(3)将激光束与同轴粉末喷嘴定位于感应加热区内，实现激光热源与感应加热源的耦合，然后根据铜基偏晶高熵合金零件CAD模型分层切片获得的一系列超高速激光 -感应复合熔覆增材制造的二维扫描轨迹，逐点、逐线与逐层制备铜基偏晶高熵合金；
其中，激光功率为20kW，激光扫描速度为300m/min，光斑直径为6mm，送粉量为800g/min，感应加热功率200kW，粉末喷射角53°，搭接率60％，单层厚度为 0.8mm；
(4)在超高速激光-感应复合熔覆增材制造的同时，对形成的每一道熔覆层进行超声滚压处理，细化显微组织，降低表面粗糙度，在表面获得压应力，提高抗疲劳性能；
调节超声滚压装置的超声波换能器，使变幅杆产生的振动机械能与预设的静压力机械能同时施加到滚压头接触的铜基偏晶高熵合金表面，每一道熔覆层的变形量控制在2～8％。
(5)当超高速激光-感应复合熔覆增材制造一层之后，将超高速激光-感应复合熔覆增材制造加工头沿Z方向上升一层的高度，然后重复步骤(3)～(5)，直到完成铜基偏晶高熵合金零件制造。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种超高速激光-感应复合熔覆增材制造铜基偏晶高熵合金的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
S1：将铜基偏晶高熵合金粉末作为超高速激光-感应复合熔覆增材制造的成形粉末，其化学成分为：Mo 20～35wt.％，Nb 5-15wt.％，Si 2～5wt.％，Al 2～10wt.％，HfO2 0.5～5wt.％，石墨烯0.2～4.5wt.％，余量为Cu；
S2：不锈钢或铜合金表面经过镀镍处理后作为基材，将所述铜基偏晶高熵合金粉末放置于自动送粉器内，调节感应加热功率，使感应加热的温度控制在500-900℃；
S3：将激光束与同轴粉末喷嘴定位于感应加热区内，实现激光热源与感应加热源的耦合，然后根据铜基偏晶高熵合金零件CAD模型分层切片获得的一系列超高速激光-感应复合熔覆增材制造的二维扫描轨迹，逐点、逐线与逐层制备铜基偏晶高熵合金；
S4：在超高速激光-感应复合熔覆增材制造的同时，对形成的每一道熔覆层进行超声滚压处理，细化显微组织，降低表面粗糙度，在表面获得压应力，提高抗疲劳性能；
S5：当超高速激光-感应复合熔覆增材制造一层之后，将超高速激光-感应复合熔覆增材制造加工头沿Z方向上升一层的高度，重复步骤S3～S5，直到完成铜基偏晶高熵合金零件制造。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S1中铜基偏晶高熵合金粉末中的铜与钼为等或近等原子比。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述铜基偏晶高熵合金粉末中铜与钼原子比为1～1.2。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S3中工艺参数为：
激光功率为16～20kW，激光扫描速度为260～300m/min，光斑直径为4～6mm，送粉量为500g/min～800g/min，感应加热功率160～200kW，粉末喷射角45～53°，搭接率40～60％，单层厚度为0.01～0.8mm。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤S3中调控超高速激光-感应复合熔覆增材制造工艺参数，诱导铜与钼或铜与铌在超高速激光-感应复合熔覆增材制造过程中发生液-液两相分离，形成具有层状异构的铜基偏晶高熵合金。
6.根据权利要求1或5所述的方法，其特征在于，所述铜基偏晶高熵合金为富铜层与富钼层交替形成，其中球状富铌或富钼颗粒弥散分布于富铜层内，富铜或富铌颗粒均匀镶嵌于富钼层内。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述铜基偏晶高熵合金内的富铜层固溶有过饱和Mo、Si与Al，富钼层内固溶有过饱和Cu、Si与Al。
8.根据权利要求1或5所述的方法，其特征在于，所述铜基偏晶高熵合金内石墨烯主要分布于富铜基体的晶界处、球状富钼或富铌颗粒与富铜基体的界面处以及球状富铜或富铌颗粒与富钼基体的界面处。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S4中调节超声滚压装置的超声波换能器，使变幅杆产生的振动机械能与预设的静压力机械同时施加到滚压头接触的铜基偏晶高熵合金表面。
10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述每一道熔覆层的变形量控制在2～8％。
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