基于激光熔化沉积与激光空扫的颗粒增强钛基复合材料的制备方法

本发明涉及增材制造，具体而言涉及一种基于激光熔化沉积与激光空扫的颗粒增强钛基复合材料的制备方法。

背景技术：

1、由于新一代航空航天发动机、火箭、导弹、空天飞机等武器装备的快速发展，对轻质化、耐高温材料提出了更高的要求，钛基复合材料在原有钛合金基体耐磨、耐腐蚀的基础上，拥有更加优异的比强度、比刚度以及耐高温性能，已成为材料科学中的前沿领域之一。颗粒增强钛基复合材料合成方式多，基体选择广，对比纤维增强钛基复合材料，具有材料各项同性、密度低、比强度与比模量高、高温强度优异、耐腐蚀性能好等突出特点，能够大大提高材料的使用温度。

2、常用于颗粒增强的钛合金基体可分为α、近α、α+β合金和钛铝金属间化合物系。ti65合金是近α型高温钛合金，该合金由于其优异的综合性能，是制造航空发动机中工作在600-650℃的盘件或叶片的重要材料。最广泛使用的钛合金增强体的陶瓷颗粒主要有wc，sic，al2o3，tin，tib，tic，在这些陶瓷增强体颗粒中，tic由于具有与钛相似的密度、高硬度、高杨氏模量、非常好的化学和热学稳定性、优良的耐磨性、与钛合金拥有良好的相容性，是增强相的理想材料。

3、激光熔化沉积(laser melting deposition，lmd)作为激光增材制造技术的一种，是基于材料层层熔化然后层层沉积的思想来制备致密的复合材料零件的一种新技术，被认为是最具吸引力之一的制备金属及金属基复合材料的一项新技术。这主要得益于它可以实现合金粉末成分的自由配比和几乎近净成型的特点，大大缩短了成型件的加工周期。

4、当前激光熔化沉积制备颗粒增强钛基复合材料仍然存在一些问题，其中面对的一个问题是随着增强体体积分数的增大，合金强度增加的同时，会带来塑性的大大降低，主要原因为增强体在基体中的形貌对合金性能产生的影响。未溶的tic颗粒、链条状共晶tic以及枝晶状初生tic由于会抑制基体的塑性变形，对复合材料的延伸率有很大的影响。具体来说，激光熔化沉积制备tic/ti65合金过程中发现tic粉末体积分数对原位tic形貌的影响规律为:质量分数小于3％时，主要生成颗粒状和短棒状的共晶tic；质量分数大于5％时，颗粒状初生tic减少、短棒状、长条状和枝晶状的初生tic增加；随着tic粉末质量分数的增加，长条状和枝晶状初生tic的数量逐渐增多。枝晶状初生tic的硬度较大，复合材料的显微硬度随着tic粉末质量分数的增加而呈连续增大趋势，但材料的强度与塑性在tic的粉末质量分数大于5％以后呈现下降趋势。复合材料的断裂行为分析表明，当基体中未溶tic粉末颗粒较多时，裂纹更易于在颗粒内部萌生，从而降低强度。因此，如何在tic质量分数增加时tic/ti65合金强度提高的同时保持较好的塑性是有待解决的问题。

5、热处理被认为是改变基体中tic形貌进而提高复合材料综合拉伸性能的有效途径，如wang等人通过激光融化沉积制备了ticp/ti6al4v复合材料，并对沉积态和加入tic体积分数为5％的复合材料进行了热处理，结果表明，相比于沉积态，5vol.％ticp/ti6al4v沉积态复合材料的极限抗拉强度由1091mpa增加至1222.5mpa，伸长率由5.52％降至1.31％，经过热处理，5vol.％ticp/ti6al4v的极限抗拉强度略有降低，但伸长率由1.31％增加至3.95％(microstructure and tensile properties of ticp/ti6al4v titanium matrixcomposites manufactured by laser melting deposition)；罗时轩通过激光熔化沉积制备了(tib+tic)/ti复合材料，相比于沉积态，热处理后室温下抗拉强度由1138.5mpa降至1109.6mpa，断后伸长率由4.0％提升至5.9％(激光熔化沉积原位自生(tib+tic)钛基复合材料组织与性能研究)。合适的热处理可以改变增强体在基体中的形貌进而影响力学性能特别是伸长率，但是后期热处理需要花费更多的时间，往往不低于8个小时，且随着试样尺寸的增加热处理时间还会延长。

技术实现思路

1、本发明目的在于针对现有技术中，激光熔化沉积成型件后期热处理组织不均匀、耗时久等不足，提供一种基于激光熔化沉积与激光空扫的颗粒增强钛基复合材料的制备方法，制备得到的复合材料基体中tic呈颗粒状分布于α晶粒内及β晶界上，无tic的偏析现象和未熔tic，棒状和长条状tic转化为颗粒状tic，使得tic可以承受更高的局部应力，裂纹很难在颗粒状tic中形成，从而提高了复合材料的拉伸性能尤其是延伸率。

2、根据本发明目的的第一方面，提供一种基于激光熔化沉积与激光空扫的颗粒增强钛基复合材料的制备方法，包括以下步骤：

3、s1、按质量百分比称量增强体粉末和钛合金粉末，真空环境下烘干处理后，将增强体粉末和钛合金粉末混合均匀，得到混合粉末；

4、s2、将步骤s1中准备好的混合粉末置于送粉器中，打开工作台上预热装置对基板进行预热处理，设置激光熔化沉积工艺参数，通过激光逐层熔化沉积得到沉积层；

5、s3、送粉器停止送粉，改变激光扫描的方向，对步骤s2获得的沉积层进行激光空扫，直至完成对整个沉积层处理，通过激光空扫改善沉积层中增强体的形貌，减少沉积层中未熔增强体粉末的比例；

6、s4、在激光空扫后的沉积层上依次循环重复步骤s2和s3直至试样成型。

7、作为可选的实施方式，激光空扫的扫描路径遵循如下规律：

8、定义当前沉积层的打印初始位置为第一位点，当前沉积层的空扫初始位置为第二位点，所述第一位点和第二位点重合；

9、定义当前沉积层的打印初始行进方向为第一方向，当前沉积层的空扫初始行进方向为第二方向，第一方向和第二方向相互垂直。

10、作为可选的实施方式，相邻两次沉积层打印之间，打印路径遵循如下规律：

11、定义前一层沉积层的打印起始位置为第一起点，下一层沉积层的打印起始位置为以第二起点，所述第一起点围绕沉积层中心点逆时针旋转90°所到位置为第二起点；

12、定义前一层沉积层的打印初始行进方向为第三方向，下一层沉积层的打印初始行进方向为第四方向，所述第三方向围绕沉积层中心点逆时针旋转90°所到位置为第四方向。

13、作为可选的实施方式，激光熔化沉积和激光空扫的扫描轨迹皆为蛇形往复。

14、作为可选的实施方式，所述增强体粉末为tic粉末，钛合金粉末为ti65粉末。

15、作为可选的实施方式，步骤s2中，激光逐层熔化沉积的堆积层数为3～6层。

16、作为可选的实施方式，所述步骤s2中，激光沉积工艺参数为：激光功率1500～1700w，扫描速度420～480mm/min，送粉量3～4g/min，扫描间距1.6mm。

17、作为可选的实施方式，所述步骤s3中，激光空扫的工艺参数为：700～900w，扫描速度480～600mm/min，送粉量0g/min，扫描间距1.6mm。

18、作为可选的实施方式，所述步骤s2中，激光沉积前对激光熔化设备抽真空处理，真空度降到50ppm以下。

19、作为可选的实施方式，所述制备方法还包括：对步骤s4获得的成型试样进行退火处理。

20、由以上本发明的技术方案可见，本发明提出的基于激光熔化沉积与激光空扫的颗粒增强钛基复合材料的制备方法，通过采用激光熔化沉积和激光空扫相交替的方式，对获得的沉积层进行激光空扫，一方面将棒状和长条状形貌tic转换成颗粒状tic，改善tic的形貌，同时利用激光熔池的动态特征使tic弥散分布于基体中，tic呈颗粒状分布于α晶粒内及β晶界上，颗粒状tic更有利于位错协调基体的塑性变形能力，且在成型过程中将棒状和长条状形貌tic转换成颗粒状tic，避免了后期热处理所花费的大量时间；另一方面通过激光空扫减少未熔tic的比例，避免未熔tic处应力集中造成的该区域裂纹萌生；如此，使基体强度、硬度提高的同时保持较好的塑性。

21、本发明的基于激光熔化沉积与激光空扫的颗粒增强钛基复合材料的制备方法，打印方向与空扫方向垂直，加上下一次沉积扫描方向的改变，宏观上可以改善试样顶层平整度，有利于每层沉积层厚度在一个可控制范围内；而相邻沉积层间打印方向的改变，又可以改善单一沉积方向下某种微观织构的形成，微观上的各向同性使得其沿各个方向上力学性能均匀。