[发明专利]一种激光增材制造准晶-纳米晶改性梯度复合材料的方法

说明书

本发明公开了一种用激光3D打印技术制备准晶‑纳米晶改性梯度复合材料的方法。用同轴送法将Stellite 12‑B₄C‑Y₂O₃混合粉末激光合金化于TA15合金表面形成组织较为组大的下层；后将Stellite 12‑B₄C‑Cu‑Y₂O₃混合粉末激光沉积于下层表面形成组织较为致密的上层，上层与下层之间呈良好的冶金结合，且都具有较好的耐磨性。实验结果表明，随着Cu的加入产生了许多超细纳米晶及准晶相，改变了激光增材制造梯度复合层的结构并提高了其力学性能。本发明能够获得组织结构致密且具有极高耐磨性的梯度复合材料。

技术领域

本发明涉及一种激光增材制造准晶-纳米晶改性梯度复合材料的方法，属于增材制造技术领域。特别涉及一种在钛合金表面用Stellite 12-B₄C-Cu-Y₂O₃混合粉末通过激光加工技术来制备准晶-纳米晶改性复合材料的方法。

背景技术

增材制造（3D打印）正强劲地驱动新兴产业技术群快速崛起，顺应了新技术革命大趋势，即由传统大规模、批量生产模式向个性化、订制化、小批量生产模式转型。激光合金化技术是增材制造的一个重要分枝，可实现工件微结构纳米化，具有效率高、速度快及绿色环保等特点。梯度复合材料既能较好地克服单一材料性能上的局限，又能充分发挥不同材料的特殊性能，满足现代高科技领域对新型材料的要求。将不同成分金属陶瓷混合粉末分层激光熔化沉积所形成的结构会产生许多界面，这些界面可钉扎缺陷得到比单一结构材料综合力学性能更强的梯度复合材料。利用纳米准晶化技术改变金属材料的组织结构进而提高性能、拓展其使用范围是新材料研究与开发的热点。准晶体的结构与晶体及非晶体有本质区别，准晶具有许多理想特性，如硬度高、摩擦系数低及抗高温氧化性好等，准晶材料在耐磨涂层研究领域有较大的应用潜力。而纳米材料基于其高韧性、高强度、高硬度等特性在增材制造领域具有非常巨大的应用潜力。

基于上述科学原理，并依据激光辐射于金属表面所形成高温熔池的快速冷凝特性，本发明提出了一种能够降低生产成本，通过激光加工技术制备准晶-纳米晶改性梯度复合材料的方法。激光所形成熔池具有急冷特性，利于纳米晶与准晶相产生。采用同轴送粉法在氩气环境中将Stellite 12-B₄C-Y₂O₃混合粉末激光合金化于TA15钛合金表面形成组织较为粗大的下层；后将Stellite 12-B₄C-Cu-Y₂O₃ 混合粉末激光沉积于下层之上形成组织结构较为致密的上层。上层与下层之间呈良好的冶金结合且都具有较好的耐磨性。试验结果表明，Cu的加入可催生出许多AlCu₂Ti超细纳米晶。该类超细纳米晶的生成有利于涂层组织结构细化并提高其力学性能。所制备准晶-纳米晶改性梯度复合材料的组织结构见图1。

所制备梯度复合材料中Stellite 12-B₄C-Cu-Y₂O₃上层中的准晶相形貌见图2，由于激光熔池的急冷作用，许多晶体还未得到充分时间长大就已凝固，所以在准晶中呈纳米结构。

用HV-1000型显微硬度计测试所制备梯度复合材料的硬度，加载时间5 s；用WMM-W1盘式磨损试验机测定梯度复合材料的耐磨性，选用烧结硬度为1800 HV 的Al₂O₃作为磨轮材料，载荷98 N，转速465 rpm。磨损体积测定：磨损试验中每隔15分钟测量一次磨痕宽度或磨损失重；磨痕宽度采用体积显微镜测定，经过多点测定后取平均值作为测量结果。利用如下公式近似计算磨损体积。

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