本發(fā)明涉及鎂基復合材料快速研發(fā)和制備領域，具體涉及一種激光原位冶金耦合高通量送粉制備鎂基復合材料的方法。

背景技術：

1、鎂合金具有低密度、阻尼性能強、生物相容性好等優(yōu)點，在汽車、航天航空和生物醫(yī)療等領域成為了優(yōu)選的替代材料。然而，鎂合金的綜合力學性能(如拉伸性能、斷后延伸率、耐磨性等)較差，不能滿足當前國內(nèi)外生產(chǎn)應用中日益增長的生產(chǎn)應用需求。

2、為了研發(fā)兼顧高強度、高延伸率、高耐磨性等綜合性能的鎂合金，采用顆粒增強鎂基體是一種可行的方法。鎂基復合材料可以采用陶瓷顆粒作為增強顆粒，陶瓷顆粒可以提高鎂基復合材料的強度和耐磨性，但延伸率大大降低。例如通過熱變形制備的tic/mg2zn0.8sr0.2ca復合材料斷后延伸率僅有2.0±0.5％。這是由于陶瓷顆粒變形特性較差、熱膨脹性與金屬基體差異大。與陶瓷顆粒相比，金屬顆粒具有較好的延展性，其中密排六方的ti顆粒與mg基體具有相同的晶體結構，被認為是鎂基復合材料的理想增強顆?！，F(xiàn)有公開文獻中報道了通過粉末冶金法、熱擠壓法、攪拌鑄造法制備ti顆粒增強鎂基復合材料，提高了鎂基復合材料的綜合力學性能。但這些方法仍存在以下不足：在機械攪拌下，坩堝內(nèi)保護氣體會進入熔體，造成鎂基復合材料氣孔、夾雜缺陷的增多；ti顆粒在鎂基體中不能均勻分布，大粒徑顆粒由于重量大容易沉積在熔池底部，且容易產(chǎn)生顆粒團聚現(xiàn)象。

技術實現(xiàn)思路

1、為了解決現(xiàn)有技術中存在的一個或者多個技術問題，本發(fā)明提供一種激光原位冶金耦合高通量送粉制備鎂基復合材料的方法。

2、本發(fā)明目的通過以下技術方案實現(xiàn)：

3、一種激光原位冶金耦合高通量送粉制備鎂基復合材料的方法，包括以下步驟：

4、s1、設置激光加工程序，將激光噴頭調(diào)至鎂基板上表面合適位置，激光噴頭四周對稱設置多個同軸送粉管，送粉管的噴嘴相對設置，每個送粉管連接一個送粉缸；

5、s2、選用兩種以上增強顆粒，將單一組分的增強顆粒填裝進不同的送粉缸，調(diào)控各送粉缸的送粉轉盤速率、載氣流量和送粉管噴嘴的角度，使多種增強顆粒在激光噴頭下形成高通量混合流；待高通量混合流穩(wěn)定形成時打開激光，激光功率采用變功率循環(huán)梯度變化，在高斯激光束的作用下，對增強顆粒進行快速熔融，同時熔化金屬表面基體形成微熔池，增強顆粒與鎂基體中的元素在熱擴散的作用下實現(xiàn)激光原位冶金，制得鎂基復合材料；

6、s3、待鎂基復合材料冷卻后，使用高斯激光束對其進行熱處理，熱處理的溫度低于鎂的熔點，以防止鎂基重熔。

7、優(yōu)選地，s3中熱處理的高斯激光束的激光功率為300-800w，掃描速度為0.3-1.2m/min，熱處理路徑沿用s2中原激光增材制造加工路徑。

8、優(yōu)選地，s2中所述的控制各送粉缸的送粉轉盤速率及載氣流量的具體步驟如下：高通量送粉裝置工作時，保持送粉缸a中顆粒送粉率不變，調(diào)控送粉缸b中顆粒的送粉轉盤轉速或載氣流量。送粉缸a/b中的顆粒是單一組分，由此改變進入熔池的多種增強顆粒配比，實現(xiàn)成分梯度變化和高通量送粉。

9、優(yōu)選地，s2中激光功率采用變功率2000w-1500w循環(huán)梯度變化，從2000w開始，每道次按100w梯度遞減，直到1500w后再回到2000w實現(xiàn)循環(huán)。如第一道加工設置2000w，第二道設置1900w，……第六道1500w，第七道2000w，依次類推。這樣1900w加工的時候會受到前一道次加工的余溫的影響，會相當于2000w時的加工的溫度。通過周期性地變功率的加工方式不僅能避免長時間高功率加工帶來的能量浪費，而且有效避免了材料內(nèi)部過度加熱的問題。高功率激光會導致材料迅速升溫，增加內(nèi)部溫度梯度，可能導致材料燒結或產(chǎn)生裂紋。而通過逐步遞減功率，前一道次加工的余溫會傳遞到后一道次的加工，從而實現(xiàn)溫度平衡，減少內(nèi)部應力。

10、優(yōu)選地，激光的掃描速度為0.3-1.2m/min，載氣流量5-20l/min，轉盤速度5-30r/min。

11、優(yōu)選地，所述增強粉末顆粒形狀包括但不限于球形增強顆粒、不規(guī)則形增強顆粒等。同時，所述增強顆粒類型包括金屬顆粒、陶瓷顆粒中的一種或多種。

12、優(yōu)選地，所述增強顆粒包括球形ti、al顆粒原料粉末，所述ti、al顆粒的質量分數(shù)分別為80-95wt.％和5-20wt.％；更優(yōu)選85-95wt.％和5-15wt.％。

13、優(yōu)選地，調(diào)控ti顆粒所在送粉缸的送粉轉盤速率及載氣流量分別為10-20r/min和8-20l/min，調(diào)控al顆粒所在送粉缸的送粉轉盤速率及載氣流量分別為8-15r/min和6-10l/min。

14、優(yōu)選地，所述激光加工包括但不限于激光熔覆法、激光熔注法、激光粉末床熔融法等激光加工方法。激光加工設備包括激光噴頭等，所述激光噴頭與所述高通量送粉裝置輸出端同軸連接。

15、優(yōu)選地，所述激光噴頭至鎂基板上表面的距離為15.0-18.0mm，送粉管噴嘴的角度為40°-60°，送粉管噴嘴出口與鎂基板上表面的距離為1.0-3.0mm。

16、優(yōu)選地，所述增強顆粒的粒徑為15-53μm，并干燥處理。

17、優(yōu)選地，s2中設置程序使送粉缸先出粉5-15s，待顆粒粉末穩(wěn)定射出，然后再打開激光；s2中激光加工程序，設定基板x方向行程為60mm和y方向偏移量為2mm，采用的激光加工光斑直徑為2-3mm。

18、優(yōu)選地，在高通量送粉時還同步送金屬絲。

19、優(yōu)選地，所述金屬絲為鎂絲，送絲速率是10±5mm/s。

20、與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點及有益效果：

21、(1)本發(fā)明通過激光加工實現(xiàn)激光原位冶金，成形空間靈活，設備簡單，每個送粉管采用獨立的送粉缸控制，通過高通量送粉可實現(xiàn)多粉末顆粒混合實時調(diào)控并送至熔池內(nèi)，粉末顆粒調(diào)控方便，且用量少，可快速篩選出最佳工藝參數(shù)，制得性能優(yōu)異的鎂基復合材料。

22、(2)本發(fā)明激光功率采用變功率循環(huán)梯度變化，結合工藝參數(shù)的精準調(diào)控，受快速凝固影響較大的熔池底部，凝固時所釋放的熱量全部向熔合線散去，形成生長方向與結合面垂直的樹枝晶，這種晶體結構可以有效提高熔注層與基體的結合強度。同時，制得的鎂基復合材料無團聚現(xiàn)象，且顆粒能在鎂基體中均勻分布，避免了傳統(tǒng)加工制備過程中產(chǎn)生的氣孔、夾雜缺陷、顆粒團聚、裂紋等問題，有利于提高綜合力學性能。

23、(3)本發(fā)明結合激光再處理，高效結合如熱處理工藝，制備得到高性能強韌化金屬間復合材料。

技術特征：

1.一種激光原位冶金耦合高通量送粉制備鎂基復合材料的方法，其特征在于，包括以下步驟：

2.根據(jù)權利要求2所述的方法，其特征在于，s3中熱處理的高斯激光束的激光功率為300-800w，掃描速度為0.3-1.2m/min，熱處理路徑沿用s2中原激光增材制造加工路徑。

3.根據(jù)權利要求3所述的方法，其特征在于，s2中的激光功率采用變功率2000w-1500w循環(huán)梯度變化，從2000w開始，每道次按100w梯度遞減，直到1500w后再回到2000w實現(xiàn)循環(huán)，掃描速度為0.3-1.2m/min，載氣流量5-20l/min，轉盤速度5-30r/min。

4.根據(jù)權利要求3所述的方法，其特征在于，所述增強顆粒包括球形ti、al顆粒原料粉末，所述ti、al顆粒的質量分數(shù)分別為80-95wt.％和5-20wt.％。

5.根據(jù)權利要求4所述的方法，其特征在于，調(diào)控ti顆粒所在送粉缸的送粉轉盤速率及載氣流量分別為10-20r/min和8-20l/min，調(diào)控al顆粒所在送粉缸的送粉轉盤速率及載氣流量分別為8-15r/min和6-10l/min。

6.根據(jù)權利要求5所述的方法，其特征在于，所述激光噴頭至鎂基板上表面的距離為15.0-18.0mm，送粉管噴嘴的角度為40°-60°，送粉管噴嘴出口與鎂基板上表面的距離為1.0-3.0mm。

7.根據(jù)權利要求1～6任一項所述的方法，其特征在于，所述增強顆粒的粒徑為15-53μm，并干燥處理。

8.根據(jù)權利要求7所述的方法，其特征在于，s2中設置程序使送粉缸先出粉5-15s，待顆粒粉末穩(wěn)定射出，然后再打開激光；s2中激光加工程序，設定基板x方向行程為60mm和y方向偏移量為2mm，采用的激光加工光斑直徑為2-3mm。

9.根據(jù)權利要求7所述的方法，其特征在于，在高通量送粉時還同步送金屬絲。

10.根據(jù)權利要求9所述的方法，其特征在于，所述金屬絲為鎂絲，送絲速率是10±5mm/s。

技術總結
本發(fā)明公開了一種激光原位冶金耦合高通量送粉制備鎂基復合材料的方法，包括以下步驟：S1、設置激光加工程序，將激光噴頭調(diào)至鎂基板上表面合適位置，激光噴頭四周對稱設置多個同軸送粉管，送粉管的噴嘴相對設置，每個送粉管連接一個送粉缸；S2、選用兩種以上增強顆粒，將不同類的增強顆粒填裝進不同的送粉缸，使多種增強顆粒在激光噴頭下形成高通量混合流；待高通量混合流穩(wěn)定形成時打開激光，激光功率采用變功率循環(huán)梯度變化，在高斯激光束的作用下，對增強顆粒進行快速熔融，制得鎂基復合材料；S3、待鎂基復合材料冷卻后，使用高斯激光束對其進行熱處理。本發(fā)明方法能避免產(chǎn)生氣孔、夾雜缺陷、顆粒團聚、裂紋問題，從而提高綜合力學性能。

技術研發(fā)人員：桂珍珍,郭超文,朱科穎,劉鵬禧,張帆,張濤,鄒濤
受保護的技術使用者：廣州大學
技術研發(fā)日：
技術公布日：2024/12/19