金属-陶瓷多维度功能梯度结构件的激光近净成形方法

摘要

本发明公布了金属-陶瓷多维度功能梯度结构件的激光近净成形方法，利用激光快速成形系统以组分配比变化的金属、陶瓷粉末为原料直接成形多维度功能梯度结构件，具体步骤是：将两种或两种以上的金属粉末与陶瓷粉末烘干后分别放入送粉器不同的粉筒中，以惰性气体作为送粉和保护气体，通过数控程序控制激光加工头的移动轨迹、移动速度以及送粉器各粉筒的实时送粉量，可以在基板水平面内及垂直面内实现梯度变化，从而在整个空间内达到复杂多维的梯度变化。本发明一方面提供了一种金属-陶瓷多维度功能梯度结构件的直接成形方法，另一方面该方法适用于各种高熔点材料的熔化凝固成形，扩大了功能梯度材料设计的选择范围。

说明书

技术领域

本发明涉及一种金属-陶瓷多维度功能梯度结构件的激光近净成形方法 。

背景技术

随着空间科技及能源技术的快速发展，某些特殊的极端工况条件要求 结构件不同的工作部位具备不同的性能，如航天飞机发动机燃烧室器 壁，一侧接触数千度高温气体，要求材料具备优良的耐热性能，而另 一侧承受低温液氢冷却，则要求材料具备良好的导热性和机械性能。 传统的耐热金属、陶瓷或金属陶瓷等均质材料都难以承受此种极端工 况，若采用涂层技术，由于基体与涂层的热膨胀系数及弹性模量的失 配，很容易产生热应力导致涂层开裂或脱落。金属-陶瓷功能梯度材料 采用先进的材料复合技术，通过控制金属与陶瓷材料的相对组成和组 织结构，使其无界面地连续过渡，从而使整个材料具有耐热性好且机 械强度高的综合性能。自20世纪80年代后期日本学者首先提出功能梯 度材料的概念以来，金属-陶瓷功能梯度材料已在航空航天、能源工程 、生物医学、核工程等诸多领域得到了实际应用。

目前，金属-陶瓷功能梯度结构件的制备方法主要有粉末冶金法、等离 子喷涂法、自蔓延燃烧高温合成法、气相沉积法、电沉积法、激光熔 覆法和离心铸造法等。其中激光熔覆法由于具有梯度控制精确简单、 适应材料广、加工柔性大且效率高等一系列优点，而成为材料制备、 成形的重要方法之一，引起了国内外的重点关注，以下文献均有报道 ：

美国学者W.P.Liu，J.N.Dupont：“激光近净成形法制备TiC/Ti功能梯 度材料（Fabrication of functionally graded TiC/Ti compo sites by Laser Engineered Net Shaping）”，《材料杂志（ Scripta Materialia）》，2003年48卷。

英国学者F.Wang，J.Mei，X.H.Wu：“利用粉末及金属丝激光快速制造 Ti6Al4V/TiC功能梯度材料（Compositionally graded Ti6Al4V＋T iC made by direct laser fabrication using powder and  wire）”，《材料与设计（Materials and Design）》，2007年 28卷。

以色列学者M.Riabkina-Fishman，E.Rabkin，P.Levin等：“M₂高速工 具钢表面激光制备碳化钨功能梯度涂层（Laser produced functio nally graded tungsten carbide coating on M₂ high-spee d tool steel）”，《材料科学与工程（Materials Science an d Engineering）》，2001年A302卷。

新西兰学者Y.T.Pei，V.Ocelik，J.Th.M.De Hosson：“激光熔融注 射制备SiC_p/Ti6Al4V功能梯度材料（SiC_p/Ti6Al4V functionally  graded material produced by laser melt injection）”， 《材料动态（Acta Materialia）》，2002年50卷。

中国学者Y.M.Wang，J.D.Hu，X.L.He：“激光直接制备原位自生Ni/T iC功能梯度材料（In-situ reactive processing of Ni/TiC f unctionally gradient materials by direct laser fabrica tion）”，《工程激光（Laser in Engineering）》，2007年17卷 。

中国学者王存山、夏元良、李刚等：“宽带激光熔覆Ni一WC梯度复合 涂层组织与性能”，《应用激光》，2001年3卷。

通过文献调研了解到，目前采用激光熔覆法制备金属-陶瓷功能梯度材 料的研究还只是集中在功能梯度涂层及简单块体的制备上，不能直接 成形结构件，搭配材料设计种类少，而且其功能梯度的变化仅保持在 一个维度内。而随着科技的发展，更加复杂的服役环境对于功能梯度 材料制备的零件的功能要求越来越苛刻，不再仅限于一个零件具有两 种适应性，而希望同一个零件的不同部位能够具有多种功能，满足多 重环境的适应。因此寻找一种可以实现多维度功能梯度变化、可直接 成形多成分大尺寸复杂结构件的成形方法具有重要的意义。

发明内容

为解决金属-陶瓷多维度功能梯度结构件传统制备方法中存在的功能梯 度变化维度单一、无法直接成形复杂结构件等问题，本发明提供一种 高效优质且加工柔性强的金属-陶瓷多维度功能梯度结构件的直接成形 方法，不但可以实现结构件多维度功能梯度变化，而且能够适应多种 高熔点材料及复杂结构件的直接成形。

为实现上述目的，金属-陶瓷功能梯度结构件激光近净成形方法具体的 技术方案包括以下步骤：

A、根据设计方案选择直径为20~90μm的近球形金属及陶瓷粉末，选用 粉末必须满足一定的搭配原则：陶瓷粉末的熔点不高于金属粉末的沸 点，金属粉末与陶瓷粉末不发生化学反应，且金属粉末与陶瓷粉末的 热膨胀系数相差不能超过5×10^-6/℃，如PSZ/Ti、TiC/Ti及WC/W等组系 功能梯度材料，粉末用烘干箱进行100℃干燥处理后分别放入送粉器不 同的送粉筒内；

B、调整激光加工头使粉末流焦点处于基板加工表面；同时保证粉末流 焦点与激光焦点重合，以提高粉末利用率。

C、成形过程中为保证金属粉末及陶瓷粉末均能处于熔化状态，调整成 形参数：激光功率密度调整范围为10⁴ ~10⁶ W/cm²，扫描速度调整 范围为200~800mm/min，送粉量调整范围为1.0~3.5g/min；

D、打开惰性气体，为成形加工提供送粉动力和气体保护，调整送粉气 压及保护气压均为0.1~0.35MPa，先后启动送粉器和激光器对金属-陶 瓷复合粉末进行成形加工，实时控制不同粉筒的送粉量，实现空间多 维度功能梯度的变化。

E、成形过程中保持各种材料总的送粉体积不变，以保证每道及每层的 成形厚度一致。

本发明步骤D所述的惰性气体的纯度不小于99.9%，可以为送粉提供足 够的动力也可为成形制造提供气体保护氛围，防止氧化。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、本发明中所采用的制备方法与以往报道的方法相比，可以更便捷精 确地控制不同材料组分的配比，实现复杂维度材料组分的连续变化， 到达更优异的机械及热力学性能；

2、本发明中所采用的制备方法与以往报道的方法相比，加工柔性更强 且成形件不受形状及大小的限制，可实现多组分大尺寸复杂结构件的 快速成形；

3、本发明中所采用的制备方法与以往报道的方法相比，成形过程中冷 却速度更快，易于得到更加细密均匀的微观组织，有利于结构件力学 及热学性能的提高；

4、本发明中所采用的制备方法与以往报道的方法相比，可以成形各种 高熔点材料的功能梯度结构件，丰富了功能梯度结构件的材料设计选 择，拓宽了功能梯度材料的应用范围；

5、本发明中所采用的制备方法与以往报道的方法相比，逐道搭接及逐 层叠加成形时更容易保证每层每道的成形体积，保证结构件的尺寸精 度。

附图说明

图1是金属-陶瓷功能梯度结构件的激光近净成形装置示意图。

图2是多维度梯度变化的金属-陶瓷功能梯度刀具示意图。

图中：1固体连续激光器；2传输光纤；3激光加工头；4激光束；5成形 件；6基板；7-1送粉器的粉筒A；7-2送粉器的粉筒B；7-3送粉器的粉 筒C；8惰性气体；9刃口。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行进一步说明。图1所示为金属-陶 瓷多维度功能梯度结构件的激光近净成形系统示意图，本发明的实施 例要求：成形如图2所示的某金属-陶瓷功能梯度刀具，金属材料粉末 设计用Ti，陶瓷粉末采用TiC，要求该刀具刃口部位（图中粗实线区域 ）为纯TiC材料，从刃口到两侧均实现TiC材料的100%—0%的梯度过渡 ，材料配比设计如表1所示。

表1 金属陶瓷组分梯度变化设计示意图表，其中数值代表TiC体积分 数百分比。

采用JK1002型Nd:YAG固体连续激光器对金属与陶瓷粉末进行激光近净 成形，具体成形步骤如下：

A、按照要求选择直径为20 ~90 μm的近球形Ti金属粉末及TiC陶瓷 粉末，将粉末在电热式鼓风干燥箱中100 ℃下干燥4h，然后将两种粉 末分别放入7-1送粉器的粉筒A及7-2送粉器的粉筒B中；

B、为保证成形效果，选择纯Ti基板，加工前将成形基板6用砂纸打磨 ，并用酒精清洗；

C、调整激光加工头3最底端相对基板6表面的工作距离调整为9mm，使 粉末流焦点处于基板6表面，并使激光焦点与粉末流焦点重合以提高粉 末利用率；

D、在数控程序中分别给7-1送粉器的粉筒A及7-2送粉器的粉筒B的送粉 变量进行赋值，两个变量值的总和为400保持不变。成形过程中同时开 启7-1送粉器的粉筒A及7-2送粉器的粉筒B，根据表1材料梯度设计方案 ，通过赋值的改变实现不同方向功能梯度的变化。在具体的成形方式 上，水平方向通过逐道搭接成形，高度方向上通过逐层叠加成形；

E、根据每道轨迹成形时的材料组分配比，选用的工艺参数范围为：激 光功率300~500W，光斑直径0.6mm，扫描速度300~500mm/min，；

F、打开惰性气体8，调整送粉气压为0.2 MPa，流量为5 L/min，保 护气压为0.1 MPa，流量为15 L/min。先后启动送粉器和激光器1对 金属及陶瓷粉末进行成形加工，激光加工头3按照预先编程的路径自动 移动，利用数控程序中粉筒参变量的赋值实时改变材料组分配比，水 平方向逐道搭接成形，高度方向逐层叠加成形，最终在基板6上制造出 满足尺寸要求的金属-陶瓷多维度功能梯度刀具，完成加工。