[发明专利]一种制备梯度功能材料的方法

说明书

技术领域

本发明涉及梯度功能材料的制备方法，特别是采用磁场复合高能束(离子体束、焊机电弧)热源熔炼制备梯度功能材料的方法。

背景技术

梯度功能材料(Functionally Gradient Materials：FGM)是一种组织、结构、特性参数和物理、化学、生物等单一或复合性能都呈连续变化，以适应不同环境，实现某一特殊功能的一类新型复合材料。由于其性能的独特性而被广泛的应用于航空航天、化学工业、电子、光学、生物医学工程等领域。

目前FGM的制备方法按原料的形态可分为气相法、液相(熔融态)法和固相(粉末)法三种。表1为制备FGM的常用方法。

1、气相沉积法

气相沉积法包括化学气相沉积(CVD)和物理气相沉积(PVD)法，CVD法是通过控制反应气体的浓度或控制CVD条件，在基板上获得连续渐变膜的方法。PVD法是通过物理方法如离子镀，溅射及分子束外延等使源物质蒸发在基体上沉积成膜的一种方法。

2、电沉积法

在含有某种金属离子的电解溶液中将被沉积工件作为阴极，通过一定波形的低压直流电，使金属离子不断在阴极上沉积为金属的过程。主要的工艺方法有电镀、电泳和电铸。

3、等离子喷涂法

等离子喷涂法以气体作载体将喷涂材料(粉末)吹入等离子射流中，使之成熔融态，并以极高的速度喷射至基材表面，形成扁平的层状结构涂层，通过控制喷涂材料的成分可以合成出沿截面具有成分渐变的FGM薄膜材料。

4、自蔓延高温合成法

自蔓延高温合成法也称燃烧合成法，是在点火起燃后利用预先配置好的源物质反应所释放的巨大能量，使合成反应自动进行以制取FGM。

5、粉末冶金法

粉末冶金法是制备FGM最常用的方法。这种方法以各种金属、非金属及化合物粉末为原料，采用一定的工艺成形后，进行烧结后处理，通过控制原料粉末的成分(粒度)、烧结温度、烧结时间等工艺条件，最终可获得沿截面具有连续成分或晶粒度梯度的材料。

发明内容

本发明的目的在于提供一种制备梯度功能材料的方法，该方法避免了上述传统制备工艺过程中间工序过多、工艺参数控制严格、成本昂贵等缺点，制备过程高效，且通过无接触式磁场约束，可更加优化梯度功能材料性能。

本发明制备的梯度功能材料为向基体中加入粉末材料，形成配比连续渐变的梯度分布。其技术方案为：

第一步原料选取

根据待制备的梯度功能材料的成分确定各参与制备的材料种类，主材料因基于分层堆焊制备，使用焊丝材料，梯度成分使用金属粉末材料。

两种材料无需按配比混合，而在制造过程中确定其配比，也是此制造方式的特别之处。

第二步在气体保护焊中制备

在送丝堆焊的同时进行梯度送粉，根据待制备的梯度功能材料中复合材料的含量实时调节送粉量，使单位时间内送丝量与送粉量的质量之比与梯度功能材料中基材与复合材料质量之比相同。

通常而言，单位时间内的送粉量的取值范围为1g/min～15g/min，该步骤使两种材料在堆焊过程中充分熔合以制备梯度功能材料。整个制备过程可在无外加磁场或外加交变磁场的环境下完成。

本发明相对较类似的等离子喷涂法与粉末冶金法，其优势在于：

1.选定原料后，只需更改梯度送粉速度与机床行走速度即可改变梯度功能材料中Al含量的梯度分布，操作高效简单。

2.由于采用梯度送粉与气体保护焊相结合的工艺方法，利用数控设备可规划生成材料的形状，且如发生当期层熔积状况不理想焊层氧化情况，可利于设备进行加工铣削去除不理想层，避免了等离子喷涂法易产生氧化物堆积涂层，影响梯度材料成分性能的缺陷，且克服了传统方法只能制造固定形状结构的缺点，可根据计算机分层切片，规划制造出形状复杂的梯度功能材料零件。

3.克服了传统制备方法制造过程复杂，工序繁多的缺点，制备过程一次完成，适合大批量梯度功能材料零件的制造。

4.使用无接触交变磁场约束影响制备过程，可使复合成份呈连续梯度渐变，改变优化梯度功能材料的组织性能。

附图说明

图1是加入交变磁场装置优化梯度功能材料制备示意图；

图2是实现交变磁场优化同轴送粉装置示意图。

图3是无磁场环境梯度功能材料焊层的金相照片(x400)；

图4是复合电磁场环境梯度功能材料焊层的金相照片(x400)；

图5是交变磁场环境及无磁场环境金属焊层铝含量分布图；

具体实施方式