[发明专利]通过增材制造途径合成原位金属基质纳米复合物

说明书

提出了一种独特且新颖的增材制造途径，通过在选择性激光熔化工艺室中接入反应性等离子体来形成热稳定的原位金属基质纳米复合物。所提出的途径提供非常高的组成自由度，即，具有不同化学计量比的氮化物、碳化物、氧化物、硅化物和其他陶瓷可以在纳米级上掺入任何金属基质中。具有这种纳米复合结构的部件展现出优异的高温结构性能。

技术领域

本发明涉及通过增材制造形成原位金属基质纳米复合物的方法。示例是在原料材料的金属基质中的碳化物、氮化物、氧化物、硼化物或它们的组合。

背景技术

选择性激光熔化(SLM)是用于金属部件的增材制造的主力。该过程被透彻地研究并发表在研究文章中，例如C.Y.Yap等人的文章Review of selective laser melting:Materials and applications,Appl.Phys.Rev.2,041101(2015)041101。此项现有技术的工艺示意性地示出在图1中。简而言之，该工艺包括：铺散粉末(优选原子化的粉末)，然后进行激光光栅扫描以引起选择性熔化(图1a)。重复进行粉末铺散和激光光栅扫描，直到获得所需的形状(图1b)。虽然该现有技术声称在工业规模上大规模生产冶金性优良的复杂几何设计，但现有技术受到有限的组成和微结构自由度的影响，即，打印部件的相组成基本上由原料材料限定。最终的微观结构通常是来自原料的成分的亚稳相混合物和平衡。

与该现有技术相比，在根据本发明的所提出的方法中，在原料材料的金属基质中形成了如例如图2所示的独特设计工艺构造的原位纳米级沉淀物结构。所提出的工艺包括以下步骤：在反应性等离子体环境中在粉末床上进行激光光栅扫描；以及对构建平台施加静电势(偏置)。通过适当地接入激光光栅扫描、反应性等离子体和偏置电压，在金属基质中原位形成纳米复合物，如图2中示意性所示。所提出的方法具有非常高的组成自由度，即，具有各种化学计量比的氮化物、氧化物、碳化物和硅化物的纳米颗粒可以掺入几乎任何金属基质中。更有趣的是，这种纳米复合物是热稳定的，因为通过奥斯特瓦尔德熟化过程的颗粒生长在实验上可忽略不计，因为颗粒和基质之间的相互固体溶解度相对较低。

从现有文献中已知，金属基质中氮化物、碳化物、硼化物或氧化物的纳米颗粒的均匀分布将通过阻碍塑性流动而显著地增强高温结构性质，即使体积部分低至5％，例如参见：

(a)GJ.Zhang等人的文献：Microstructure and strengthening mechanism ofOxide lathanum dispersion strengthened molybdenum alloy,Adv.Eng.Mater.2004,6,No.12；

(b)http://www.ifam.fraunhofer.de/content/dam/ifam/en/documents/dd/lnfobl％C3％A4tter/dispersion-strengthened_materials_fraunhofer_ifam_dresden.pdf)

总之，所提出的构造中的3D打印部件的特征在于均匀分布在原料基质中的纳米级陶瓷颗粒的热稳定非平衡混合。这种纳米级颗粒增强3D打印部件在室温和升高到0.7Tm的温度下展现出显著优异的结构性能(Tm是基质合金的熔融温度)。

目标是提供增材制造合成途径以对几乎任何金属原料原位形成金属基质纳米复合物。所提出的合成途径的示意图随附于图3。

根据本发明的方法包括6个步骤：

步骤1：在腔室中优先地在粉末床上、优选地在Me粉末床上点燃反应性等离子体，其中，Me粉末是包含金属的粉末，同时通过构建平台在熔融区域中施加几个100eV的静电势。

步骤2：粉末床上的激光光栅扫描非常局部地引起熔池形成。

步骤3：以几个100eV的能量静电驱动反应性气体离子(N+)进入熔池。