一种碳化硅增强钛基梯度材料的电子束选区熔化制造方法与流程

本发明属于增材制造，具体涉及一种碳化硅增强的钛基梯度材料的电子束选区熔化制造方法。

背景技术：

1、钛基复合材料可显著改善钛合金的强度、刚度及耐高温性等性能，同时具备较好的高温性能，可在600～800℃的高温环境下使用，综合性能优异，发展前景广阔，在先进制造等领域中具备广泛的应用前景。目前碳化硅增强钛基梯度材料的制备工艺方法主要通过激光重熔的方式制备，该方法利用激光重熔工艺，有效地将增强材料和基体材料结合在一起，提高材料的强度和韧性，但其成形精度低，难以满足复杂结构的高精度制备。

2、电子束选区熔化成形技术是一种利用电子束对合金熔液进行选区熔化，形成特定形状的零件或部件的制造技术。其原理是利用电子束的高能量密度，将电子束照射到合金熔液表面，在表面形成极小范围的熔池，通过控制熔池的形状、大小和移动方式，实现对合金的选择性熔化和冷却，从而制成具有复杂形状和高性能的金属零件或部件。通过对电子束流、扫描速度、预热温度等参数的调节，可实现对熔池凝固行为的精确调控，从而实现材料微观组织的控制及成形结构的精度控制，可实现难加工材料复杂构件的精确成形，是一种先进的制造技术，可以为金属基复合梯度材料的制备提供新的技术途径。由于碳化硅陶瓷颗粒的导电性较差等原因，目前电子束选区熔化成形技术应用于碳化硅增强钛基梯度材料的加工存在缺陷控制、碳化硅与钛合金基体的界面反应难抑制等难点。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服上述缺陷，提供一种碳化硅增强钛基梯度材料的电子束选区熔化制造方法，解决了现有技术中采用制备结构受限、构件成形精度低等技术问题。本发明能够满足钛基梯度复合材料的高质量成形需求。

2、为实现上述发明目的，本发明提供如下技术方案：

3、一种碳化硅增强钛基梯度材料的电子束选区熔化制造方法，包括：

4、s1将碳化硅粉末和钛合金粉末分别放入第一粉末仓和第二粉末仓中；将基板置于工作台上；

5、s2按照待加工零件的打印模型，在基板上进行逐层打印；逐层打印过程中，第一粉末仓和第二粉末仓将碳化硅粉末和钛合金粉末实时送入混粉仓，碳化硅粉末和钛合金粉末在混分仓中混合后形成用于打印每一层的混合粉末；按照自下而上的顺序，各层中碳化硅的质量百分比梯度增大；

6、s3打印完毕后，对打印得到的构件进行冷却和清理，得到待加工零件。

7、进一步的，步骤s2中，基板为不锈钢材料、改性的碳化硅材料或钛合金材料。

8、进一步的，步骤s2中，改性的碳化硅材料的制备方法包括：

9、采用钎焊或扩散焊的方式在碳化硅板材的表面沉积一层0.3-1mm的钛箔。

10、进一步的，步骤s2中，扩散焊的扩散温度为400-1000℃，保温时间为10～30min。

11、进一步的，步骤s2中，第一粉末仓和第二粉末仓中分别设置重量检测模块和振动模块；

12、重量检测模块用于对粉末仓中的粉末进行实时称重；

13、振动模块用于通过振动的方式，使碳化硅粉末和钛合金粉末按照预设比例混合。

14、进一步的，振动模块的振动频率为50-60hz，振幅为2-3mm。

15、进一步的，各层中碳化硅的质量百分比的变化范围是可调整的，本领域技术人员应知悉。

16、进一步的，当打印碳化硅质量百分比为1％的层时，工艺参数包括：扫描线长度3-10mm，电子束流3-20ma，电子束扫描速度0.5-4m/s；该打印层的厚度为60-100μm；

17、当打印碳化硅质量百分比为40％的层时，工艺参数包括：扫描线长度3-10mm，电子束流3-20ma，电子束扫描速度0.5-4m/s；该打印层的厚度为60-100μm。

18、进一步的，钛合金粉末为45～105μm的球形粉末，碳化硅粉末为30～60μm的粉末。

19、进一步的，步骤s3中，采用装备内水冷或气冷的方式进行冷却。

20、进一步的，步骤s2中，碳化硅粉末和钛合金粉末在混分仓中混合后形成用于打印每一层的混合粉末，使混合粉末落入成形仓中，利用刮刀将粉末刮平，获得均匀厚度的粉层，利用电子束选区熔化成形增材制造方法，通过真空环境下逐层沉积的方式实现钛合金与碳化硅混合粉末的熔化与凝固。

21、本发明与现有技术相比具有如下至少一种有益效果：

22、(1)本发明提出利用电子束选区熔化增材制造方法打印碳化硅增强的钛基梯度材料，可根据产品设计技术要求，进行不同增强相占比的梯度复合材料的制备，满足不同的导热、力学等功能要求，并可减小不同比分碳化硅颗粒相增强的钛基梯度材料制备过程中的应力，相比传统工艺，可实现梯度复合材料的高精度制备，另一方面该技术属于绿色制造，可显著降低原材料浪费；

23、(2)碳化硅增强的钛基梯度复合材料的制备中，容易出现颗粒相分布不均、不同梯度层之间应力分布不均匀导致的开裂等问题，采用本发明方法可以通过粉体成分的灵活设计，实现梯度材料的均匀过渡，减小因碳化硅增强相的引入导致热膨胀系数不同，导致的材料开裂等问题，改善成形材料的组织及性能，提高内部质量；

24、(3)本发明的方法可以实现电子束流、扫描速度、预热温度等关键工艺参数的实时调节，从而实现对熔池能量的精确控制，进而实现在制备过程中的碳化硅与钛基体的界面反应，实现对界面金属间化合物的实时控制；

25、(4)本发明可通过对粉末材料中碳化硅质量分数的实时调整，实现对梯度材料成形过程中的复合材料热膨胀系数的均匀过渡，满足产品的的技术要求，降低梯度材料制备过程中的不均匀应力等现象，实现钛基梯度复合材料的高质量制备；

26、(5)本发明基于增材制造原理制备结构，采用粉末等原材料实现选区熔化沉积成形，相比传统减材加工，可显著提高原材料利用率，实现绿色制造，节约原材料；

27、(6)本发明的增材制造技术方法选择电子束选区熔化成形，成形过程为真空环境，可避免制备过程中气体中o、n等杂质元素污染制备材料，提高材料性能；

28、(7)本发明的方法结合增材制造，方法过程涉及设备自动化程度高、易操作，整个系统自动化水平高，可实现全程计算机控制，操作步骤简单，易于实现。

技术特征：

1.一种碳化硅增强钛基梯度材料的电子束选区熔化制造方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的一种碳化硅增强钛基梯度材料的电子束选区熔化制造方法，其特征在于，步骤s2中，基板为不锈钢材料、改性的碳化硅材料或钛合金材料。

3.根据权利要求2所述的一种碳化硅增强钛基梯度材料的电子束选区熔化制造方法，其特征在于，步骤s2中，改性的碳化硅材料的制备方法包括：

4.根据权利要求3所述的一种碳化硅增强钛基梯度材料的电子束选区熔化制造方法，其特征在于，步骤s2中，扩散焊的扩散温度为400-1000℃，保温时间为10～30min。

5.根据权利要求1所述的一种碳化硅增强钛基梯度材料的电子束选区熔化制造方法，其特征在于，步骤s2中，第一粉末仓和第二粉末仓中分别设置重量检测模块和振动模块；

6.根据权利要求5所述的一种碳化硅增强钛基梯度材料的电子束选区熔化制造方法，其特征在于，振动模块的振动频率为50-60hz，振幅为2-3mm。

7.根据权利要求1所述的一种碳化硅增强钛基梯度材料的电子束选区熔化制造方法，其特征在于，步骤s2中，碳化硅粉末和钛合金粉末在混分仓中混合后形成用于打印每一层的混合粉末，使混合粉末落入成形仓中，利用刮刀将粉末刮平，获得均匀厚度的粉层，利用电子束选区熔化成形增材制造方法，通过真空环境下逐层沉积的方式实现钛合金与碳化硅混合粉末的熔化与凝固。

8.根据权利要求1所述的一种碳化硅增强钛基梯度材料的电子束选区熔化制造方法，其特征在于，当打印碳化硅质量百分比为20％的层时，工艺参数包括：扫描线长度3-10mm，电子束流3-20ma，电子束扫描速度0.5-4m/s；该打印层的厚度为60-100μm；

9.根据权利要求1所述的一种碳化硅增强钛基梯度材料的电子束选区熔化制造方法，其特征在于，钛合金粉末为45～105μm的球形粉末，碳化硅粉末为30～60μm的粉末。

10.根据权利要求1所述的一种碳化硅增强钛基梯度材料的电子束选区熔化制造方法，其特征在于，步骤s3中，采用装备内水冷或气冷的方式进行冷却。

技术总结本发明公开了一种碳化硅增强钛基梯度材料的电子束选区熔化制造方法，包括将碳化硅粉末和钛合金粉末分别放入第一粉末仓和第二粉末仓中；将基板置于工作台上；按照待加工零件的打印模型，在基板上进行逐层打印；逐层打印过程中，第一粉末仓和第二粉末仓将碳化硅粉末和钛合金粉末实时送入混粉仓，碳化硅粉末和钛合金粉末在混分仓中混合后形成用于打印每一层的混合粉末；按照自下而上的顺序，各层中碳化硅的质量百分比梯度增大；打印完毕后，对打印得到的构件进行冷却和清理，得到待加工零件。本发明能够满足钛基梯度复合材料的高质量成形需求。技术研发人员：李鹏,王志敏,张钰琪,车磊,王翼猛,刘海龙,何智,杨铖,杨瑞受保护的技术使用者：北京航星机器制造有限公司技术研发日：技术公布日：2024/6/2