CN114951689A - 一种基于电弧增材的船用钛合金梯度复合材料制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于电弧增材的船用钛合金梯度复合材料制备方法，包括如下步骤：步骤1：将待加工金属零件基板预处理后固定；步骤2：建立待加工金属零件的三维模型，获得增材制造路径并设定对应的工艺参数；步骤3：通过TIG电弧作用在基材的工作面上形成较长的熔池，将钛合金丝材和增强相颗粒进入电弧熔池中，并在熔池的冷却过程中实现增强相颗粒的植入；步骤4：将增强相颗粒在复合材料中呈现梯度分布；步骤5：所述复合材料分布为非强化层、过渡层、强化层三部分。本发明充分利用TIG电弧稳定、熔池长的优势，通过丝/粉同步的方法实现增强相颗粒在基体的梯度分布，既能够显著提高基体的硬度，又能够细化晶粒实现钛合金综合性能的提升。
Description
技术领域
本发明涉及复合材料技术领域，特别涉及一种基于电弧增材的船用钛合金梯度复合材料制备方法。
背景技术
钛合金具有比强度高、耐蚀性好等优点，但是其表面硬度较低、耐磨性差的特点导致其不能满足钛合金复杂工况下的使用要求。
目前，主要是采用超音速喷涂法在钛合金制备的陶瓷基耐磨涂层实现提高其耐磨性的目的。但是，热喷涂涂层与钛合金基体是机械结合力，很容易在机械冲击下损坏。与此同时，耐磨涂层与钛合金基体变形协调性较差，容易在大温差冷热冲击过程中开裂和剥落，从而导致材料功能明显降低或过早失效。
如何有效降低钛合金表面涂层开裂、脱落而导致的过早失效问题，成为了当前明确而紧迫的需求。
钛基复合材料成为了理想的选择，尤其以高硬度陶瓷颗粒作为强化相的钛基复合材料，不仅能够延续钛合金高强度和耐腐蚀优点，同时显著增加其抵抗摩擦磨损的性能。普渡大学Liu等人在利用激光熔化沉积方法制备TiC/Ti6Al4V复合材料时，提到TiC在激光作用下会发生熔化大多数小于45 μm的TiC颗粒很大程度上得到熔化，在基体中生成原位增强体。
约翰内斯堡大学的M.Mahamood等人利用激光熔化沉积法制备了TiC强化Ti6Al4V复合材料，由于TiC粉末的大量熔化，显微组织中的未熔TiC颗粒较少，导致其抗磨损性能较差。
激光熔化沉积方法制备钛基复合材料的过程中会将绝大多数的陶瓷颗粒熔化，形成原位复合材料，析出的陶瓷相分布均匀但尺度过小，细小的陶瓷相容易在滑动摩擦的过程中整体剥离，固难以显著提高颗粒增材钛基复合材料沉积层的抗摩擦磨损性能。
发明内容
有鉴于此，本发明旨在提出一种基于电弧增材的船用钛合金梯度复合材料制备方法，以解决现有技术中钛合金工序复杂、硬度以及耐磨性较低的技术问题。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种基于电弧增材的船用钛合金梯度复合材料制备方法，包括如下步骤：
步骤1：将待加工金属零件基板预处理后固定；
步骤2：建立待加工金属零件的三维模型，获得增材制造路径并设定对应的工艺参数；
步骤3：通过GTA焊柜的TIG电弧作用在基材的工作面上形成较长的熔池，将钛合金丝材和增强相颗粒进入电弧熔池中，并在熔池的冷却过程中实现增强相颗粒的植入，其中，增强相颗粒通过送粉嘴喷入熔池内1000℃～2000℃温度区间；
步骤4：将增强相颗粒在复合材料中呈现梯度分布；
步骤5：通过增强相颗粒的梯度分布，所述复合材料分布为非强化层、过渡层、强化层三部分，所述非强化层、过渡层、强化层中的增强相颗粒逐渐增多。
进一步的，钛合金丝材从熔池前沿送进，增强相颗粒从熔池后半部分送入。
进一步的，所述GTA焊柜通过设置的钨极作为引弧热源，所述钨极与基体垂直布置，在钨极的前侧设置送丝机构，在送丝机构上设置倾斜移动的钛合金丝材，在钨极电弧热源的后侧设置送粉嘴，所述送粉嘴能够相对所述GTA焊柜进行移动或者转动。
进一步的，在步骤4中，通过同时调整钛合金丝材的送丝速度和增强相颗粒的送粉速度控制增强相颗粒植入量，通过逐层调整，使得增强相颗粒在基体中呈逐渐增多的阶梯状布置。
进一步的，在步骤1中，基板的预处理包括打磨、清洗、干燥工序，然后将预处理后的基板固定至工作台。
进一步的，所述打磨工序采用机械表面打磨，所述清洗工序包括分别采用丙酮、酒精溶剂进行的超声波清洗。
进一步的，在步骤2中，根据切片处理获取的增材制造路径设定送丝速度、电流、电压、送粉角度、送粉速度的工艺参数，逐层调整控制。
进一步的，所述增强相颗粒为陶瓷颗粒。
进一步的，所述待加工金属零件为钛、钢、铝、铜金属中的任一种或组合。
进一步的，采用上述基于电弧增材的船用钛合金梯度复合材料制备方法，用于制备钛合金阀门，所述钛合金阀门中的密封副一体化制造。
相对于现有技术，本发明所述的基于电弧增材的船用钛合金梯度复合材料制备方法具有以下优势：
(1)本发明所述的基于电弧增材的船用钛合金梯度复合材料制备方法，充分利用TIG电弧稳定、熔池长的优势，通过丝/粉同步的方法实现增强相颗粒在基体的梯度分布，既能够显著提高基体的硬度，又能够细化晶粒实现钛合金综合性能的提升。
(2)本发明所述的基于电弧增材的船用钛合金梯度复合材料制备方法，通过增强颗粒的梯度分布，使得复合材料分布非强化层、过渡层、强化层是三部分，过渡层的引入能够有效降低应力集中，强化层能够显著提高钛基复合材料耐磨性。
(3)本发明所述的基于电弧增材的船用钛合金梯度复合材料制备方法，通过同时调整钛合金丝材的送丝速度和增强相颗粒的送粉速度控制增强相颗粒植入量，通过逐层调整，使得增强相颗粒的植入在提高硬度的同时，能够有效的细化晶粒，起到细晶强化的作用，两者共同作用提高材料的综合性能，进而制备出内部组织致密、晶粒细化、硬度显著提高的钛基复合材料。
(4)本发明所述的基于电弧增材的船用钛合金梯度复合材料制备方法，创新性的将送粉、送丝两种增材方法结合起来制备梯度复合材料，通过该梯度复合材料材料制备方法制备的金属构件，在不同金属基复合材料的制造过程中选择合理的增强颗粒和增材工艺参数，均能够实现梯度复合材料的优质高效制备。
附图说明
构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明实施例所述丝/粉同步电弧沉积制备颗粒增强梯度复合材料的设备原理图；
图2为本发明实施例所述颗粒增强钛基复合材料梯度结构示意图；
图3为本发明实施例所述增强相在基体的分布情况；
图4为本发明实施例未植入增强相时颗粒增强钛基复合材料的晶粒细化示意图；
图5为本发明实施例植入增强相后的颗粒增强钛基复合材料的晶粒细化示意图；
附图标记说明：
基板1，GTA焊柜2，电弧201，送粉嘴3，陶瓷粉末流301，送丝机构4，丝材401，钛合金沉积层5，钛基梯度复合材料沉积层6，熔池7。
具体实施方式
为了使本发明的技术手段及达到目的与功效易于理解，下面结合具体图示对本发明的实施例进行详细说明。
需要说明，本发明中所有进行方向性和位置性指示的术语，诸如：“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”、“顶”、“低”、“横向”、“纵向”、“中心”等，仅用于解释在某一特定状态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、连接情况等，仅为了便于描述本发明，而不是要求本发明必须以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。另外，在本发明中涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。
在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
实施例1
如图1～5所示，本发明公开了一种基于电弧增材的船用钛合金梯度复合材料制备方法，包括如下步骤：
步骤1：将待加工金属零件基板预处理后固定；
步骤2：建立待加工金属零件的三维模型，获得三维模型文件，对该文件进行切片处理，获得增材制造路径并设定对应的工艺参数；
步骤3：通过GTA焊柜2的TIG电弧201作用在基材1的工作面上形成较长的熔池7，将钛合金丝材和增强相颗粒进入电弧熔池7中，并在熔池7的冷却过程中实现增强相颗粒的植入，其中，增强相颗粒通过送粉嘴3喷入熔池7内1000℃～2000℃温度区间；
步骤4：将增强相颗粒在复合材料中呈现梯度分布布置；
步骤5：通过增强相颗粒的梯度分布，所述复合材料分布为非强化层、过渡层、强化层三部分，所述非强化层、过渡层、强化层中的增强相颗粒逐渐增多。
由于激光熔化沉积法制备了TiC强化复合材料中TiC粉末被大量熔化，导致形成原位复合材料，使得钛基复合材料沉积层的抗摩擦磨损性能较差。本申请公开的基于电弧增材的船用钛合金梯度复合材料制备方法，通过采用TIG为热源，TIG电弧201作用在基材1的工作面上形成较长的熔池7，随着TIG电弧201与基体1材料的相对运动，熔池7快速凝固，增强相颗粒将随着基体1的移动和熔池7的凝固分散于基体1内部，而通过送粉嘴3将增强相颗粒喷入熔池7内1000℃～2000℃温度区间，既避免增强相颗粒被电弧的高温融化导致失效，又保证增强相颗粒能够顺利进入熔池内部，从而实现增强相颗粒在基体中保有量，从而形成增强相颗粒增强钛基复合材料沉积层，进而通过调整钛合金丝材的送丝速度和增强相颗粒的送粉速度，将增强相颗粒在复合材料中呈现梯度分布布置，最终形成非强化层、过渡层、强化层三部分的复合材料，通过在非强化层和强化层之间引入的过渡层，能够有效降低应力集中，复合材料形成的强化层能够显著提高钛基复合材料耐磨性。
本发明所述的基于电弧增材的船用钛合金梯度复合材料制备方法，充分利用TIG电弧稳定、熔池长的优势，通过丝/粉同步的方法实现增强相颗粒在基体的梯度分布，既能够显著提高基体的硬度，又能够细化晶粒实现钛合金综合性能的提升。
作为本发明的较佳示例，钛合金丝材从熔池7前沿送进，增强相颗粒从熔池7后半部分送入。作为本申请的示例，如图1所示，所述GTA焊柜2通过设置的钨极作为引弧热源，所述钨极与基体1垂直布置，在钨极的前侧设置送丝机构4，在送丝机构4上设置倾斜移动的钛合金丝材401，进而在钨极电弧热源下方的基体1上形成稳定、较长的熔池7，在钨极电弧热源的后侧设置送粉嘴3，所述送粉嘴3具有较高的自由度，能够根据熔池的长度调控送粉嘴3与焊枪钨极之间的相对位置，从而保证增强相颗粒植入的有效性。作为优选，所述送粉嘴3为高压喷射嘴，能够在送粉嘴3的出口处形成陶瓷粉末流301送入熔池7内。
作为本发明的较佳示例，在步骤4中，通过同时调整钛合金丝材的送丝速度和增强相颗粒的送粉速度控制增强相颗粒植入量，通过逐层调整，使得增强相颗粒在基体中呈逐渐增多的阶梯状布置。
该设置便于增强相颗粒在复合材料中的梯度分布调整的可靠性，使得增强相颗粒的植入在提高硬度的同时，能够有效的细化晶粒，起到细晶强化的作用，两者共同作用提高材料的综合性能，进而制备出内部组织致密、晶粒细化、硬度显著提高的钛基复合材料。
作为本发明的较佳示例，在步骤1中，基板的预处理包括打磨、清洗、干燥工序，然后将预处理后的基板固定至工作台。具体为将待加工金属零件基板的表面进行机械打磨，分别用丙酮、酒精溶剂超声波清洗去除油污，干燥待用，然后将清洗过的待加工金属零件测量好尺寸后置于工作台上，用夹具固定好，备用。
该设置便于提高梯度材料增材制造过程，增强相颗粒植入的可靠性和制备复合材料性能的稳定性。
作为本发明的较佳示例，在步骤2中，根据切片处理获取的增材制造路径设定合适的送丝速度、电流、电压、送粉角度、送粉速度的工艺参数，逐层调整控制，将钛合金丝材和增强相颗粒进入电弧熔池中，并在熔池的冷却过程中实现增强相颗粒的植入，形成包括非强化层、过渡层、强化层三部分的复合材料。
该设置进一步提高了制备的钛合金综合性能，通过逐层调整控制，在基材1上形成钛合金沉积层5和钛基梯度复合材料沉积层6，通过增强相颗粒的梯度分布，既能够延续基体的冲击韧性、强度，又能够显著提高其硬度和耐磨性。
作为本发明的较佳示例，所述增强相颗粒为陶瓷颗粒。
作为本发明的较佳示例，所述待加工金属零件为钛、钢、铝、铜金属中的任一种或组合。
本发明还公开了一种金属构件，所述金属构件采用上述实施例中记载的基于电弧增材的船用钛合金梯度复合材料制备方法制备。其中，在不同金属基复合材料的制造过程中选择合理的增强相颗粒和增材工艺参数，该增强相颗粒和增材工艺参数为本领域技术人员根据经验选择设定，应用本发明记载的复合材料制备方法的原理，均能够实现梯度复合材料的优质高效制备。
实施例2
作为本发明的具体示例，本发明提出一种基于电弧增材的船用钛合金梯度复合材料制备方法，以TIG为热源，钛合金丝材从熔池前沿送进，陶瓷颗粒从熔池后半部分送入。随着电弧与基体材料的相对运动，熔池快速凝固，陶瓷颗粒相将随着熔池的移动和凝固分散于基体内部，从而形成陶瓷颗粒增强钛基复合材料沉积层。
包括以下步骤：
(1)清洗：将待加工金属零件基板的表面进行机械打磨，分别用丙酮、酒精溶剂超声波清洗去除油污，干燥待用，然后将清洗过的待加工金属零件测量好尺寸后置于工作台上，用夹具固定好，备用；
(2)建立待加工金属零件的三维模型，获得三维模型文件，对该文件进行切片处理，获得增材制造路径，并设定合适的送丝速度、电流、电压、送粉角度、送粉速度等工艺参数；
(3)送分嘴具有较高的自由度，能够根据熔池的长度调控送粉嘴与焊枪之间的相对位置，从而保证陶瓷颗粒植入的有效性；
(4)陶瓷颗粒作用区域必须位于熔池内部，既要避免陶瓷颗粒被电弧的高温融化导致失效，又要保证能顺利进入熔池内部，从而实现陶瓷颗粒在基体中保有量；
(5)通过调整送丝速度和送粉速度来调节基体中陶瓷颗粒的比例，然后逐层调整，进而实现颗粒的梯度分布。
本发明公开的钛合金梯度复合材料材料制备方法，创新性的将送粉、送丝两种增材方法结合起来制备梯度复合材料，充分利用TIG电弧稳定、熔池长的优势，通过丝/粉同步的方法实现增强颗粒在基体的梯度分布，既能够显著提高基体的硬度，又能够细化晶粒实现钛合金综合性能的提升。
通过该梯度复合材料材料制备方法制备的金属构件，在不同金属基复合材料的制造过程中选择合理的增强颗粒和增材工艺参数，均能够实现梯度复合材料的优质高效制备。
实施例3
本申请公开的基于电弧增材的船用钛合金梯度复合材料制备方法，主要应用于制备钛合金阀门，随着海洋工程构件及舰船装备的不断更新，钛合金阀门对密封副的制造提出了更高的要求。
作为阀门密封的核心，密封副需要承受高温、冲击、海水长期腐蚀，工况条件非常恶劣。钛合金具有良好的耐蚀性，但由于钛合金的硬度低，耐磨性差，目前主要通过密封副表面的陶瓷喷涂提高耐磨性，这导致密封副的制作流程复杂、过程稳定性差、材料利用率低。
但钛合金喷涂的准备工序复杂，其喷涂涂层与基体属于机械结合，强度较低，且与基体的协调变形能力较差，在整个制造及安装过程中易开裂及剥落，钛基复合材料在耐磨、耐冲击、与基体结合力等方面均优于传统的热喷涂技术。
因此，本发明提出一种基于电弧的船用钛合金梯度复合材料材料制备方法，实现钛合金密封副的一体化制造，实现钛合金密封副耐磨性、耐蚀性和耐冲击性能的良好匹配，满足恶劣工况的使用要求。
本实施采用钛合金作为增材制造目标，采用Ti80钛合金基板，增材所用丝材规格为φ1.2mm，按质量分数，Ti80钛合金基板中包括以下化学成分：5.5～6.5％的Al、2.5～3.5％的Nb、1.5～2.5％的Zr、0.6～1.5％的Mo、0.25％的Fe、0.15％的Si、0.10％的C、0.05％的N、0.015％的H、0.15％的O，余量为Ti。
将Ti80钛合金基板表面进行机械打磨，分别用丙酮、酒精溶剂超声波清洗去除油污，干燥待用，然后将清洗过的待加工金属零件测量好尺寸后置于工作台上，用夹具固定好，备用；
建立待加工金属零件的三维模型，获得三维模型文件，对该文件进行切片处理，获得电弧增材的加工路径，并设定增材的工艺参数，在惰性气体环境下对待加工零件采用电弧熔丝进行逐层沉积，保证成形件不发生氧化，成形构件表面为银白色；送丝速度1.0-5.0m/min、成形速度8-20cm/min、保护气流量15-20L/min；送粉速度：0.3-1.2cm3/min。
利用金相显微镜对接头组织进行分析，对照结果如图1、图2、图3、图4、图5所示。图1为丝/粉同步电弧沉积制备颗粒增强梯度复合材料的设备原理图，该设备能够实现陶瓷颗粒在钛合金基体的梯度植入，为梯度增强复合材料的制备提供设备基础；图2为颗粒增强钛基复合材料梯度结构示意图，通过增强颗粒的梯度分布，既能够延续基体的冲击韧性、强度，又能够显著提高其硬度和耐磨性；图3为增强颗粒在基体中分布特征示意图；图4和图5为增强颗粒植入前后基体材料的晶粒显著细化示意图。
由本方法制备的增材制造钛基复合材料能够获得良好的强度、冲击韧性、耐磨性、耐热震性能，在船舶和海洋工程等钛合金阀门、耐磨结构等特殊工况结构件的制造方面具有良好的技术应用与市场前景。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于电弧增材的船用钛合金梯度复合材料制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：将待加工金属零件基板预处理后固定；
步骤2：建立待加工金属零件的三维模型，获得增材制造路径并设定对应的工艺参数；
步骤3：通过GTA焊柜的TIG电弧作用在基材的工作面上形成较长的熔池，将钛合金丝材和增强相颗粒进入电弧熔池中，并在熔池的冷却过程中实现增强相颗粒的植入，其中，增强相颗粒通过送粉嘴喷入熔池内1000℃～2000℃温度区间；
步骤4：将增强相颗粒在复合材料中呈现梯度分布；
步骤5：通过增强相颗粒的梯度分布，所述复合材料分布为非强化层、过渡层、强化层三部分，所述非强化层、过渡层、强化层中的增强相颗粒逐渐增多。
2.根据权利要求1所述的基于电弧增材的船用钛合金梯度复合材料制备方法，其特征在于，钛合金丝材从熔池前沿送进，增强相颗粒从熔池后半部分送入。
3.根据权利要求2所述的基于电弧增材的船用钛合金梯度复合材料制备方法，其特征在于，所述GTA焊柜通过设置的钨极作为引弧热源，所述钨极与基体垂直布置，在钨极的前侧设置送丝机构，在送丝机构上设置倾斜移动的钛合金丝材，在钨极电弧热源的后侧设置送粉嘴，所述送粉嘴能够相对所述GTA焊柜进行移动或者转动。
4.根据权利要求3所述的基于电弧增材的船用钛合金梯度复合材料制备方法，其特征在于，在步骤4中，通过同时调整钛合金丝材的送丝速度和增强相颗粒的送粉速度控制增强相颗粒植入量，通过逐层调整，使得增强相颗粒在基体中呈逐渐增多的阶梯状布置。
5.根据权利要求1～4任一项所述的基于电弧增材的船用钛合金梯度复合材料制备方法，其特征在于，在步骤1中，基板的预处理包括打磨、清洗、干燥工序，然后将预处理后的基板固定至工作台。
6.根据权利要求5所述的基于电弧增材的船用钛合金梯度复合材料制备方法，其特征在于，所述打磨工序采用机械表面打磨，所述清洗工序包括分别采用丙酮、酒精溶剂进行的超声波清洗。
7.根据权利要求1所述的基于电弧增材的船用钛合金梯度复合材料制备方法，其特征在于，在步骤2中，根据切片处理获取的增材制造路径设定送丝速度、电流、电压、送粉角度、送粉速度的工艺参数，逐层调整控制。
8.根据权利要求1所述的基于电弧增材的船用钛合金梯度复合材料制备方法，其特征在于，所述增强相颗粒为陶瓷颗粒。
9.根据权利要求1所述的基于电弧增材的船用钛合金梯度复合材料制备方法，其特征在于，所述待加工金属零件为钛、钢、铝、铜金属中的任一种或组合。
10.根据权利要求1或2或3或4或6或7或8或9所述的基于电弧增材的船用钛合金梯度复合材料制备方法，其特征在于，用于制备钛合金阀门，所述钛合金阀门中的密封副一体化制造。
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