一种激光近净成形增材制造均质复合材料的方法
技术领域
本发明涉及一种激光近净成形增材制造均质复合材料的方法，属于复合材料制备技术领域。
背景技术
传统制备与成形复合材料的熔铸法、粉末冶金等方法，要么存在因宏观偏析和微观偏析导致的复合材料中增强相分布不均匀，要么存在因需开模而导致的成形周期长等问题，很大程度上限制了复合材料的生产应用。
金属增材制造技术的出现和快速发展，为成形复合材料提供了新的途径。然而，现有增材制造复合材料技术均以选区激光熔化为主，这种方法存在零件尺寸增大引起原材料单次用量指数级增大的体积效应问题，大大增加了粉末成本。
发明内容
本发明针对现有技术中均质复合材料制备的问题，提供一种激光近净成形增材制造均质复合材料的方法，本发明采用激光近净成形增材制造技术制备与成形复合材料，即微小激光熔池在三维空间的无限堆积，混合粉末在激光束作用下发生原位化学反应从而生成复合材料中所需的增强相，由于微小激光熔池快速熔化和快速凝固过程，基本不会出现明显的宏观偏析和微观偏析现象，有利于均质复合材料的制备与成形。
一种激光近净成形增材制造均质复合材料的方法，具体步骤如下：
(1)建立均质复合材料三维数据模型，对三维数据模型进行切片分层，并规划激光扫描路径；
(2)将钛材粉、氮化物陶瓷粉末进行球磨混匀得到混合粉，将混合粉置于激光近净成形设备的送粉器中，混合粉通过分粉器并经环形激光同轴送粉喷头送出，同时激光近净成形设备根据激光扫描路径进行扫描混合粉，混合粉经快速熔化和快速凝固过程形成均质复合材料；或将钛材粉、氮化物陶瓷粉末分别置于激光近净成形设备的两个送粉器中，两个送粉器同步输送钛材粉、氮化物陶瓷粉末至混粉器内混合均匀得到混合粉，混合粉通过分粉器并经环形激光同轴送粉喷头送出，同时激光近净成形设备根据激光扫描路径进行扫描混合粉，混合粉经快速熔化和快速凝固过程形成均质复合材料；
所述步骤(2)钛材粉粒径为50-200μm，陶瓷粉末粒径为20～100μm；
所述步骤(2)钛材粉为Ti或Ti6Al4V，陶瓷粉末为AlN粉、BN粉或Si3N4粉；
优选的，所述钛材粉的纯度≥99.9％，陶瓷粉末的纯度≥99.9％；
进一步的，所述钛材粉与AlN粉的摩尔比值不小于2，钛材粉与BN粉的摩尔比值不小于4，钛材粉与Si3N4粉的摩尔比值不小于9；
所述步骤(2)激光波长为10.6μm，激光功率为2.0～10.0kW，激光扫描速度为200～1500mm/min，光斑尺寸为0.5-6mm；搭接率5-30％，保护气氛为氮气、氩气和氦气中的一种或两种；
进一步的，所述保护气氛的流量为16～20L/h；
所述步骤(2)送粉器为载气式送粉器。
本发明涉及到的反应式包括
2Ti+BN→TiB+TiN
4Ti+AlN→Ti3Al+TiN
9Ti+Si3N4→Ti5Si3+4TiN
如果原材料是钛粉，则钛粉中的Ti元素直接与BN、AlN和Si3N4发生上述原位化学反应，如果原材料是Ti6Al4V粉末，则Ti6Al4V粉末中仅有Ti元素分别与BN、AlN和Si3N4发生上述相同的三种原位化学反应。
激光近净成形增材制造均质复合材料的原理：在成形过程中，利用钛与陶瓷混合粉末在激光作用下发生燃烧化学反应时放出的大量热，能够提高成形过程中的热输入，实现粉末在激光成形过程中的有效熔化，减少粉末未熔合、孔隙等缺陷的产生，从而使复合材料不仅具有优异的力学性能，又具有良好的表面质量。同时，激光燃烧化学反应在微小熔池内的有限空间内进行，在快速凝固条件下，最大限度地避免了熔池凝固过程中的元素偏析现象，成形出均质复合材料。
本发明的有益效果是：
(1)本发明激光近净成形增材的方法，利用钛与陶瓷混合粉末在激光作用下发生燃烧化学反应，提高了激光制备与成形过程中熔池的热输入，使熔池内的温度场分布更为均匀，减少复合材料缺陷的产生；
(2)本发明克服了传统的复合材料制备与成形过程中出现的宏观偏析和微观偏析问题，使成形的复合材料综合性能得到显著提升；
(3)本发明激光燃烧化学反应在微小熔池内的有限空间内进行，在快速凝固条件下，最大限度地避免了熔池凝固过程中的元素偏析现象，成形出均质复合材料。
附图说明
图1为实施例1激光近净成形增材制造均质复合材料的送粉段工艺流程图；
图2为实施例1钛基均质复合材料不同区域的显微组织形貌图，图中(a)复合材料第一层，(b)复合材料第四层；
图3为实施例2和3激光近净成形增材制造均质复合材料的送粉段工艺流程图；
图4为实施例2钛基均质复合材料不同区域的显微组织形貌图，图中(a)复合材料第一层，(b)复合材料第五层；
图5为实施例3钛基均质复合材料不同区域的显微组织形貌图，图中(a)复合材料第一层，(b)复合材料第三层。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步详细说明，但本发明的保护范围并不限于所述内容。
实施例1：一种激光近净成形增材制造TiN和TiB增强钛基均质复合材料的方法(见图1)，具体步骤如下：
(1)建立TiN和TiB增强钛基均质复合材料的三维数据模型，使用切片软件对三维数据模型进行切片分层，并规划激光扫描路径，生成激光扫描程序；
(2)将钛材粉(Ti)、氮化物陶瓷粉末(BN陶瓷粉末)进行球磨混匀得到混合粉；其中钛材粉(Ti)的纯度≥99.9％，陶瓷粉末(BN陶瓷粉末)的纯度≥99.9％，钛材粉(Ti)与BN粉的摩尔比为5:1；
(3)将混合粉置于激光近净成形设备的载气式送粉器中，启动送粉器和激光器，混合粉通过分粉器并经环形激光同轴送粉喷头送出，同时激光近净成形设备根据激光扫描路径的激光扫描程序进行扫描混合粉，钛材粉(Ti)和氮化物陶瓷粉末(BN陶瓷粉末)在激光作用下的微小熔池内的有限空间内快速熔化并发生燃烧化学反应，放出的大量热，快速凝固避了熔池凝固过程中的元素偏析现象，形成含有TiN和TiB增强相的钛基均质复合材料；其中激光波长为10.6μm，激光功率为3.0kW，激光扫描速度为500mm/min，光斑尺寸为4mm，搭接率20％，保护气氛为氮气和氩气的混合保护气，混合保护气流量为20L/h；
本实施例钛基均质复合材料不同区域的显微组织形貌图见图2，从图2可知，对复合材料不同区域进行随机取样，第一层和第四层所得显微组织形貌一致，增强相均为细小的TiN颗粒和针状TiB增强相。
实施例2：一种激光近净成形增材制造TiN和Ti3Al增强钛基均质复合材料的方法(见图3)，具体步骤如下：
(1)建立TiN和Ti3Al增强钛基均质复合材料的三维数据模型，使用切片软件对三维数据模型进行切片分层，并规划激光扫描路径，生成激光扫描程序；
(2)将钛材粉(Ti)、氮化物陶瓷粉末(AlN陶瓷粉末)分别置于激光近净成形设备的两个载气式送粉器中；其中钛材粉(Ti)的纯度≥99.9％，陶瓷粉末(AlN陶瓷粉末)的纯度≥99.9％，钛材粉(Ti)与AlN粉的摩尔比为3:1；
(3)启动送粉器和激光器，两个送粉器同步输送钛材粉(Ti)、氮化物陶瓷粉末(AlN陶瓷粉末)至混粉器内混合均匀得到混合粉，混合粉通过分粉器并经环形激光同轴送粉喷头送出，同时激光近净成形设备根据激光扫描路径的激光扫描程序进行扫描混合粉，钛材粉(Ti)和氮化物陶瓷粉末(AlN陶瓷粉末)在激光作用下的微小熔池内的有限空间内快速熔化并发生燃烧化学反应，放出的大量热，快速凝固避了熔池凝固过程中的元素偏析现象，形成含有TiN和Ti3Al增强相的钛基均质复合材料；其中激光波长为10.6μm，激光功率为4.0kW，激光扫描速度为400mm/min，光斑尺寸为5mm，搭接率10％，保护气氛为氮气和氩气的混合保护气，混合保护气流量为16L/h；
本实施例钛基均质复合材料不同区域的显微组织形貌图见图4，从图4可知，对复合材料不同区域进行随机取样，第一层和第五层所得显微组织形貌一致，增强相含有大量的类球形TiN。
实施例3：一种激光近净成形增材制造TiN和Ti5Si3增强钛基均质复合材料的方法(见图3)，具体步骤如下：
(1)建立TiN和Ti5Si3增强钛基均质复合材料的三维数据模型，使用切片软件对三维数据模型进行切片分层，并规划激光扫描路径，生成激光扫描程序；
(2)将钛材粉(Ti)、氮化物陶瓷粉末(Si3N4陶瓷粉末)分别置于激光近净成形设备的两个载气式送粉器中；其中钛材粉(Ti)的纯度≥99.9％，陶瓷粉末(Si3N4陶瓷粉末)的纯度≥99.9％，钛材粉(Ti)与Si3N4粉的摩尔比为9:1；
(3)启动送粉器和激光器，两个送粉器同步输送钛材粉(Ti)、氮化物陶瓷粉末(Si3N4陶瓷粉末)至混粉器内混合均匀得到混合粉，混合粉通过分粉器并经环形激光同轴送粉喷头送出，同时激光近净成形设备根据激光扫描路径的激光扫描程序进行扫描混合粉，钛材粉(Ti)和氮化物陶瓷粉末(Si3N4陶瓷粉末)在激光作用下的微小熔池内的有限空间内快速熔化并发生燃烧化学反应，放出的大量热，快速凝固避了熔池凝固过程中的元素偏析现象，形成含有TiN和Ti5Si3增强相的钛基均质复合材料；其中激光波长为10.6μm，激光功率为5.0kW，激光扫描速度为600mm/min，光斑尺寸为3mm，搭接率30％，保护气氛为氮气和氩气的混合保护气，混合保护气流量为20L/h；
本实施例钛基均质复合材料不同区域的显微组织形貌图见图5，从图5可知，对复合材料不同区域进行随机取样，第一层和第三层所得显微组织形貌一致，增强相均为球形或类球形TiN和不规则形状Ti5Si3增强相。
