專利名稱：一種激光快速成形制備固溶增韌鎢基復合材料的方法
技術領域：
本發(fā)明屬于激光快速成形技術領域，特別涉及對一種固溶增韌鎢基復合材料的制備。
背景技術：
W及其合金，由于它們優(yōu)越的性能，如高熔點、高彈性模量、高抗熱沖擊性以及低的熱膨脹系數和良好的高溫強度，使它們成為理想的高溫結構材料。然而，它們特有的一些脆性，即低溫脆性、回復再結晶脆性以及輻照脆性，極大地限制了 W及其合金作為結構材料的應用。研究表明，W及其合金的脆性主要是由于在晶粒邊界處裂紋的產生與擴展引起的，而W及其合金的韌性與晶粒尺寸及其分布密切相關，晶粒尺寸越小，分布越均勻，其韌性越好(其韌脆轉變溫度降低)，這是由于晶粒尺寸越小，晶粒邊界的弱化作用越差。尤其是，通過在純鎢基體中加入納米級的陶瓷顆粒，可以很好地改善W的脆性。因為在高溫下，納米顆粒阻礙了晶粒邊界的移動、抑制了回復再結晶和晶粒的長大，提高了 W基復合材料的韌性和抗蠕變性能。特別的是，在較高的能量作用下，納米陶瓷顆?？梢怨倘艿絎基體當中，形成間隙/置換固溶相；而間隙/置換固溶相會導致W晶格發(fā)生局部畸變，進而產生以間隙/置換位置為中心的應力場，當晶體裂紋尖端與這一個應力相互作用時，會導致裂紋發(fā)生偏轉、分枝等作用，阻止裂紋的繼續(xù)擴展，提高了 W基復合材料的韌性。一般情況下，大部分W金屬材料采用粉末冶金方法制備，由于其高熔點特性，所以必須在較高的溫度下對其進行燒結加工，并隨后進行熱加工處理。然而，W及其合金在熱加工過程中，晶粒將長 時間暴露在高溫環(huán)境中，致使W及其合金的晶粒長大；由于晶粒邊界上的弱化作用，將使W及其合金的高溫性能明顯降低。所以為了提高W及其合金的韌性，減少加工過程中W晶粒的長大，有必要采用一種快速成形的制備方法。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是:提供了一種固溶增韌鎢基復合材料的制備方法，以改善W材料的脆性問題。本發(fā)明是通過以下技術方案實現的:首先采用高能機械球磨工藝制備TiC/W納米復合粉末，隨后利用選區(qū)激光熔化(Selective Laser Melting, SLM)工藝對復合粉末進行快速成形制備。設定合理的激光工藝參數(激光功率、掃描速度、掃描間距、鋪粉厚度)，利用較高的激光能量使納米TiC固溶到W當中。其中Ti原子以置換的方式進入W晶格當中，形成TixW^ (x=0.Γ0.86)固溶相；而C原子以間隙的方式進入W晶格當中，最終形成W2C陶瓷相。此外，由于激光快速成形工藝的熔化/凝固速率快，W晶粒來不及長大，而最終制備了小尺寸晶粒的固溶增韌W基復合材料，改善了 W材料的脆性。一種激光快速成形制備固溶增韌鎢基復合材料的方法，其特征在于按以下步驟進行:(I)混合粉末由純度為99.8%以上、平均顆粒尺寸為5(T70 nm的TiC粉末和純度為99.9%以上、平均顆粒尺寸為4.5^5.5 Mm的W粉末組成，其中TiC粉末組分占總含量的Γ1.5wt.% ；(2)采用單罐行星式高能球磨機進行球磨，氬氣進行保護，添加直徑為Φ6 Φ10mm的不銹鋼球作為球磨介質，磨球與粉料的質量比為8 10:1，球磨機轉速為25(Γ300rpm,球磨時間為30 45h ；(3)建立待加工試件模型，并利用分層軟件在模型高度方向上進行分層切片；(4)激光成形過程中，將一塊成形缸基板水平固定在平臺上，氬氣充入密封裝置中進行保護，鋪粉裝置將粉末鋪在成形缸基板上，鋪粉厚度為5(T60 Mffl;隨后，激光束按照設計好的模型對粉床表面進行逐層掃描；激光工藝參數如下:激光光斑直徑20(Γ210 μ m，激光功率120 140 W，激光掃描速率100 300 mm/s，激光掃描間距120 140 μπι。本發(fā)明的技術方案中應用了 SLM工藝，SLM作為一種新型的快速成形技術，能利用高能激光束有選擇地熔化/凝固松散粉末薄層，逐層快速制造出具有復雜形狀的三維零件，而不需要后續(xù)處理。SLM是基于完全熔化/凝固機制，可以使材料的顯微組織和綜合性能顯著提高；同時，激光工藝參數會對成形試樣的質量產生極大地影響:(I)激光功率激光功率的大小直接決定粉末單位時間內吸收能量的多少，激光功率過低，粉體吸收的能力偏低，導致熔池中液相量偏少，不利于液相鋪展，致使成形試件致密度低；反之，激光功率過大，容易引起“球化效應”，同時由于粉體接收的能量偏高會使熔池過熱，凝固組織中產生的熱應力較大，致使零件變形和開裂。(2)激光掃描速率
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掃描速率與激光功率密度相輔相成，若適當的減小激光掃描速率，則液相存在時間相對延長，這對液相流動并鋪展十分有利，同時利于改善固液相的潤濕性，提高成形試樣的致密度。(3)激光掃描間距激光掃描間距對激光成形試樣的表面形貌具有顯著的影響；當掃描間距在一定范圍內減小時，成形試件的表面光潔度可以得到很好的改善。(4)鋪粉厚度一般情況下，成形致密度與粉末厚度的平方成反比關系，即成形致密度隨粉層厚度的減小而增加；但同時，當鋪粉厚度過小時，容易引起成形試樣收縮，且鋪粉滾筒設備容易使已燒結層在預先確定的位置上發(fā)生位移，進而導致試件致密度下降。采用SLM加工工藝制備固溶增韌W基復合材料，由于其在短時間內使原始粉末熔化/凝固，W晶粒來不及長大；此外，較高的能量可以使納米陶瓷顆粒固溶到W基體當中，最終成形制備固溶增韌W基復合材料。本發(fā)明的優(yōu)點是:本發(fā)明采用高能機械球磨和SLM快速成形工藝相結合的方法制備固溶增韌W基復合材料，粉末顆粒與激光的相互作用不同于其他傳統(tǒng)的粉末冶金工藝過程，因其熔化/凝固行為區(qū)別于其他工藝。主要特征在于以下幾個方面:(I)成形過程中的液相熔池存在時間較短，冷卻速率約為105 106 K/s。此快速成形方法的熔化/凝固是一種高度非平衡過程，具有較高的過冷度和冷卻速率，凝固時間極短，晶粒沒有充足的時間長大。
(2)加工過程中的激光輸入的線能量密度很高，約為60(Tl300 J/m。激光輻照提供的高密度能量使陶瓷顆粒熔化，并固溶到W基體當中，形成了 TixWh (χ=0.Γ0.86)固溶相和W2C陶瓷相，從而抑制了裂紋的擴展，改善了 W基復合材料的脆性。


圖1是實施例1中SLM成形試樣的XRD圖譜；圖2是實施例1中SLM成形試樣截面的SEM圖片；圖3是實施例1中SLM成形試樣截面的能譜圖；圖4是實施例2中SLM成形試樣的XRD圖譜；圖5是實施例2中SLM成形試樣截面的SEM圖片；圖6是實施例2中SLM成形試樣截面的能譜圖；圖7是實施例3中SLM成形試樣的XRD圖譜；圖8是實施例3中SLM成形試樣截面的SEM圖片；圖9是實施例3中SLM成形試樣截面的能譜圖。
具體實施例方式以下結合實例對本發(fā)明做進一步闡述。實施例1: 步驟一:混合粉末由純度為99.8%以上、平均顆粒尺寸為5(T70 nm的TiC粉末和純度為99.9%以上、平均顆粒尺寸為4.5^5.5 Mm的W粉末組成，其中TiC粉末組分占總含量的Iwt.%,并將其置于德國Fristsch公司Pulverisette 6單罐行星式高能球磨機加以球磨；采用氬氣進行保護，不銹鋼球作為球磨介質，添加直徑為Φ6 Φ10 mm的不銹鋼球作為球磨介質，磨球與粉料的質量比為8:1，球磨轉速為250 rpm，設定球磨時間為30 h ;球磨結束后，球磨罐溫度會很高，待其完全冷卻后方能開罐；在真空操作箱中打開球磨罐，將粉末樣品裝入試樣袋中。步驟二:使用的SLM成形系統(tǒng)主要包括:高功率Nd =YAG ( λ =1.064 μ m)激光器、用于成形控制的計算機系統(tǒng)、自動鋪粉裝置以及保護氣氛裝置。首先建立待加工試件的計算機輔助設計(CAD)模型，并利用分層軟件在模型高度方向上進行分層切片。激光成形過程中，將一塊成形缸基板水平固定在平臺上，氬氣充入密封裝置中進行保護，鋪粉裝置將粉末鋪在成形缸基板上，鋪粉厚度為60 μ 的薄層；隨后，激光束按照設計好的CAD模型對粉末床表面進行逐層掃描。激光工藝參數如下:光斑直徑210 ym,激光功率120 W,掃描速率100 mm/s，掃描間距140 μπι。圖1所示為實施例1中SLM成形試樣的XRD圖譜，由圖1的XRD圖可以看出，實施例I制備的W基復合材料中存在TixWh (χ=0.Γο.86)和W2C兩種相，表明:球磨粉末中的納米TiC完全熔化，并固溶到W晶粒當中，形成了固溶合金TixWh (χ=0.Γ0.86)和W2C陶瓷相。圖2所示為實施例1中SLM成形試樣橫截面的SEM圖片，由圖可以看出，晶粒表現特殊的柱狀晶結構，這是由于W為面心立方晶格，其擇優(yōu)晶體學取向是三個〈100〉面方向，通常最終選擇的生長方向將是與Vs (界面凝固速度)夾角最小的一個〈100〉面取向。圖3所示為實施例1中SLM成形試樣橫截面的能譜圖，從圖中可以看出，試樣中含有W、Ti和C三種元素，說明了 W晶粒當中存在Ti和C元素，進一步證明了 TiC完全熔化，并固溶到W晶粒當中。表一為實施例1中SLM成形試樣的硬度及其斷裂韌性，由表一可知，實施例1制備的W基復合材料的硬度達到28.3 GPa、斷裂韌性為11.52 MPa m1/2，表明激光熔化快速成形制備的固溶增韌W基復合材料具有較高的韌性。表一實施例1中SLM制備試樣的硬度及斷裂韌性
權利要求
1.一種激光快速成形制備固溶增韌鎢基復合材料的方法，其特征在于按以下步驟進行: (1)混合粉末由純度為99.8%以上、平均顆粒尺寸為5(T70 nm的TiC粉末和純度為99.9%以上、平均顆粒尺寸為4.5^5.5 Mm的W粉末組成，其中TiC粉末組分占總含量的Γ1.5wt.% ； (2)采用單罐行星式高能球磨機進行球磨，氬氣進行保護，添加直徑為Φ6 Φ10mm的不銹鋼球作為球磨介質，磨球與粉料的質量比為8:1" 0:1,球磨機轉速為25(Γ300 rpm,球磨時間為3(T45h ； (3)建立待加工試件模型，并利用分層軟件在模型高度方向上進行分層切片； (4)激光成形過程中，將一塊成形缸基板水平固定在平臺上，氬氣充入密封裝置中進行保護，鋪粉裝置將粉末鋪在成形缸基板上，鋪粉厚度為5(Γ60 μ ;隨后，激光束按照設計好的模型對粉床表面進行逐層掃描；激光工藝參數如下:激光光斑直徑200 210 μ m，激光功率120 140 W，激光掃描速率100 300 mm/s，激光掃描間距120 140 μ m。
2.根據權利要求1所述的激光快速成形固溶增韌鎢基復合材料的方法，其特征在于復合粉體中，TiC粉末組分占總含量的f1.5wt.%。
3.根據權利要求1所述的激光快速成形固溶增韌鎢基復合材料的方法，其特征在于:機械球磨中采用直徑為Φ6 Φ10 mm的不銹鋼球作為球磨介質，磨球與粉料的質量比為8:1，球磨轉速為250 rpm，球磨時間為30 h ;鋪粉厚度為60 Mm，激光光斑直徑210 μπι，激光功率120 W，激光掃描速率100 mm/s，激光掃描間距140 μπι。
4.根據權利要求1所述的激光快速成形固溶增韌鎢基復合材料的方法，其特征在于:機械球磨中采用直徑為Φ6 Φ10 mm的不銹鋼球作為球磨介質，磨球與粉料的質量比為8:1，球磨轉速為300 rpm，球磨時間為35 h ;鋪粉厚度為50 Mm，激光光斑直徑200 μπι，激光功率130 W，激光掃描速率200 mm/s，激光掃描間距130 μπι。
5.根據權利要求1所述的激光快速成形固溶增韌鎢基復合材料的方法，其特征在于:機械球磨中采用直徑為Φ6 Φ10 mm的不銹鋼球作為球磨介質，磨球與粉料的質量比為10:1，球磨轉速為300 rpm，球磨時間為45 h;鋪粉厚度為50 Mm，激光光斑直徑200 μπι，激光功率140 W，激光掃描速率300 mm/s，激光掃描間距120 μm。
全文摘要
本發(fā)明屬于激光快速成形技術領域，特別涉及對一種固溶增韌鎢基復合材料的制備。其制備方法是原始混合粉末為W和TiC粉末，其中TiC粉末組分占總含量的1~1.5wt.%。將混合粉末在高能機械球磨機中球磨30~45h，之后利用選區(qū)激光熔化工藝成形TiC/W復合材料。所采用的激光工藝參數為鋪粉厚度為50~60μm，激光光斑直徑200~210μm，激光功率120～140W，激光掃描速率100～300mm/s，激光掃描間距120~140μm。本發(fā)明利用高能機械球磨和選區(qū)激光熔化工藝相結合的方法，成功制備了固溶增韌W基復合材料，有效地改善了W材料的脆性。
文檔編號B22F3/105GK103074532SQ20131000811
公開日2013年5月1日 申請日期2013年1月10日 優(yōu)先權日2013年1月10日
發(fā)明者顧冬冬, 張國全, 王泓喬 申請人:南京航空航天大學