[发明专利]3D打印制备多元素过渡界面协同增强镍基复合材料的方法

说明书

技术领域

本发明属于镍基复合材料增强制造技术领域，尤其涉及一种3D打印制备多元素过渡界面协同增强镍基复合材料方法。

背景技术

Inconel718合金在高达约700℃以下的服役环境中保持良好的高温综合性能、高温耐蚀性、高温氧化抗力、高温疲劳抗力以及热工艺性能，被广泛应用于航空航天、核工业、石油、化工等领域中，如燃气轮机中的涡轮盘，涡轮叶片，导向叶片，高压压气机盘以及燃烧室等。近些年来，随着科技的迅速发展，航天航空等行业对Inconel718系列合金的服役性能，强度，硬度、塑韧性、抗摩擦磨损等性能的要求逐渐提高。纯Inconel718合金已经逐渐不能满足人类工业生产的需要，研究发现，弥散分布陶瓷颗粒强化的金属基复合材料由于其优异的高温蠕变行为、高温腐蚀抗力、磨损抗力等优异性能在过去的十年里引起了人类广泛的研究兴趣。

WC颗粒具有高熔点、高硬度、与金属的膨胀系数小、高模量、热稳定性好等特点。加入WC颗粒可以提高材料硬度、疲劳强度、耐磨性，降低热膨胀系数，增强热稳定性。从微观力学来看，颗粒增强金属基复合材料的增强机制可能是：奥罗万强化效应即颗粒阻碍位错运动、晶粒与亚结构强化；增强相和基体合金热膨胀失配导致位错增生造成的位错强化；钉扎、绕道、裂缝偏析、分枝等机理的综合作用。同时，W与C元素之间具有不同的化合物的结合形式。WC会根据脱碳的程度进行分解，生成WC_1-x,W₂C甚至W，这为WC在激光的高温作用下得以发生反应奠定了基础。

但在传统工艺中，金属基复合材料由粉末冶金或者由液态金属的方法生产，用这些方法生产时，致密度不够、显微结构不够均匀的问题很容易出现。另一方面，由于陶瓷增强相和金属基之间有限的润湿性，导致增强颗粒与基体之间的匹配度不够，存在应力集中，界面结合强度不够，但可能会引起韧性、塑性下降，产生裂纹缺陷等被看作是实现连续界面结构以及足够的综合机械性能一个很大的技术难题。

综上，采用传统方法制备WC增强Ni基复合材料时，工艺复杂，热加工困难，不能满足一定环境的使用及复杂形状零件的成形要求。

发明内容

本发明的目的是为了克服传统技术中存在的成形工序复杂、对工件的三维形状要求严格、以及成形工件组织性能上问题与不足，提供了一种3D打印制备多元素过渡界面协同增强镍基复合材料的方法，该方法能够制造任意复杂形状工件，获得具有高强度、高硬度、同时塑韧性良好且在激光作用下产生新颖界面结合结构。

为实现上述的技术目的，本发明采用以下技术方案：

一种3D打印制备多元素过渡界面协同增强镍基复合材料的方法，包括以下步骤：

(1)将球状Inconel718粉末与形状不规则的WC颗粒混合均匀后，得到原始混合粉末；

(2)采用激光3D打印成形技术对步骤(1)所得到的原始混合粉末进行叠层制造，且在3D打印过程中，激光能量线密度η处于150-250J/m时，Inconel718粉末基体中的Ni、Cr、Fe发生扩散，而WC颗粒发生碳脱离，在WC颗粒与Inconel718粉末基体的界面处产生碳化物(W,M)C过渡界面，以得到多元素过渡界面协同增强镍基复合材料，其中：碳化物(W，M)C中，M为Ni、Cr、Fe；激光能量线密度η为激光功率P与激光扫描速度V的比值。

作为本发明的进一步改进，步骤(2)中，激光3D打印成形技术的工艺参数为：激光功率P为100W-150W；扫描速度V为600mm/s-1200mm/s；光斑直径D为50～90μm，扫描间距S为40～70μm，铺粉厚度H为30～50μm。

作为本发明的进一步改进，在原始混合粉末中，WC颗粒的平均颗粒尺寸为10μm～30μm。

作为本发明的进一步改进，Inconel718的纯度为99.6％以上、平均颗粒尺寸为30μm～50μm。

作为本发明的进一步改进，Inconel718在与WC颗粒混合前，先经过气体雾化处理。

作为本发明的进一步改进，采用溶液沉积法混合Inconel718粉末与WC颗粒。

作为本发明的进一步改进，原始混合粉末中，WC的重量百分比为20～30％。

作为本发明的进一步改进，原始混合粉末中，WC的重量百分比为25％。

作为本发明的进一步改进，步骤(2)所述激光3D打印成形技术包括以下步骤：

(I)在计算机上利用CAD软件建立所需要工件的三维模型，并且对其进行切片分层，得到由一系列二维切片构成的分层模型；