一种基于还原剂补钛的因瓦合金基原位复合材料制备方法

本发明属于原位复合材料激光沉积制备领域，涉及一种基于还原剂补钛的因瓦合金基原位复合材料制备方法。

背景技术：

1、激光沉积是一种先进的柔性制造技术，具有基材变形小、沉积层稀释率低、界面结合强等优点。但是，由于激光沉积技术属于急热快冷过程，沉积层存在较高的残余应力，易导致沉积层开裂。沉积层的残余应力与其膨胀系数直接关联，膨胀系数越大，残余应力越高；当残余应力大于抗拉强度时，沉积层将会开裂。因此，降低膨胀系数，提高强度，是消除沉积层开裂的有效方法。

2、因瓦合金具有很小甚至接近零的膨胀系数，可满足复合激光沉积层零开裂的要求。然而，因瓦合金的强度和硬度较低，耐磨性较差，限制了其在激光表面强化领域的广泛应用。tic颗粒具有强度硬度高、热膨胀系数低等特点，不仅能够提升因瓦合金基复合沉积层的性能，还能抑制裂纹的产生，可作为因瓦合金基复合沉积层材料的理想增强体。

3、tic增强金属基复合材料包括外加增强复合材料和原位增强复合材料。外加增强复合材料是在原始材料中直接加入tic增强体，从而形成tic增强金属基复合材料，这类复合材料的界面结合一般为机械结合，界面结合较差，降低了增强效果。原位增强复合材料是通过制备过程中原始材料之间的化学反应，原位生成新的tic增强体，形成tic原位增强金属基复合材料，该类复合材料界面清洁，具有良好的增强效果。

4、但是，激光沉积tic原位增强因瓦合金基复合材料时，原始粉末中的钛源一般为纯钛，纯钛在球磨和激光沉积过程中容易氧化，降低了钛源补钛效果，因此本发明提出采用还原性的tih2代替纯钛，避免了材料制备过程中纯钛氧化诱发的补钛不足，提高了复合材料性能。本发明得到了国家自然科学基金(51761012)的支持。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题是提供一种基于还原剂补钛的因瓦合金基原位复合材料制备方法，原位tic增强金属基复合材料的钛源一般是通过纯钛补钛，在激光沉积过程中，纯钛钛源通常会在粉末球磨和同轴送粉激光沉积过程中被氧化，降低了补钛效果。因此，本发明充分利用tih2的还原性，避免复合材料激光沉积制备过程中钛源氧化，其操作工艺简单，能够将fe、ni、ti、tih2和ht200混合粉末通过激光沉积制备原位因瓦合金基复合材料。

2、为了解决上述问题，本发明的技术方案是：

3、一种基于还原剂补钛的因瓦合金基原位复合材料制备方法，利用tih2粉末部分或全部代替纯ti粉形成还原性补钛钛源，补钛钛源中tih2粉末的质量分数为20～100％。

4、所述的基于还原剂补钛的因瓦合金基原位复合材料制备方法，采用同轴送粉法激光沉积，所用激光功率为1000w，光斑直径为2mm，扫描速度为100～700mm/min，送粉速度为5～20g/min，送气量为9l/min，在氩气保护下进行多道多层激光沉积，得到原位因瓦合金基复合材料。

5、所述的基于还原剂补钛的因瓦合金基原位复合材料制备方法，原位因瓦合金基复合材料中，tic增强体呈球形，且原始粉末中补钛钛源质量保持不变时，补钛钛源粉末中随着tih2质量分数增加，tic增强体含量逐渐增多，力学性能也随之提升。

6、所述的基于还原剂补钛的因瓦合金基原位复合材料制备方法，激光沉积用原料取颗粒度为50～200μm的fe、ni、ti、tih2和ht200粉末，按重量百分比计，ni 35～37％，补钛钛源0～10％，ht200 37～39％，fe余量；补钛钛源由ti粉和tih2粉组成，其中tih2粉末的质量分数为20～100％。

7、所述的基于还原剂补钛的因瓦合金基原位复合材料制备方法，优选的，补钛钛源3～8％。

8、所述的基于还原剂补钛的因瓦合金基原位复合材料制备方法，在行星球磨机中以转速150r/min球磨2小时使原料粉末混合均匀，将经过球磨的混合粉末放入真空干燥箱中，在60℃下烘干2小时后放置在送粉器中。

9、所述的基于还原剂补钛的因瓦合金基原位复合材料制备方法，在氩气保护下进行多层多道激光沉积时，每层沉积的厚度范围为0.4～1.5mm。

10、本发明的设计思想及有益效果是：

11、本发明针对激光沉积制备tic增强因瓦合金原位复合材料过程中，活泼的纯钛钛源补钛剂通常会在粉末球磨和同轴送粉激光沉积过程中被氧化，降低了补钛效果。因此，本发明充分利用tih2的还原性，避免了球磨过程中纯钛钛源氧化，同时在激光作用下tih2分解生成单质ti和h2,既避免了激光辐照下纯钛与空气中的氧反应，又提供了含氢的还原性环境，进一步避免ti的氧化，增强了补钛效果，提出了一种基于还原剂补钛的因瓦合金基原位复合材料制备方法。

12、本发明通过扫描电镜分析因瓦合金基原位复合材料激光沉积层组织，tic增强体呈球形，在保证整体钛源质量相同时，随着钛源补钛剂中tih2质量分数的增加(参见图2)，原位tic含量增加，硬度也随之增加(参见图3)，补钛效果增强。

技术特征：

1.一种基于还原剂补钛的因瓦合金基原位复合材料制备方法，其特征在于，利用tih2粉末部分或全部代替纯ti粉形成还原性补钛钛源，补钛钛源中tih2粉末的质量分数为20～100％。

2.如权利要求1所述的基于还原剂补钛的因瓦合金基原位复合材料制备方法，其特征在于，采用同轴送粉法激光沉积，所用激光功率为1000w，光斑直径为2mm，扫描速度为100～700mm/min，送粉速度为5～20g/min，送气量为9l/min，在氩气保护下进行多道多层激光沉积，得到原位因瓦合金基复合材料。

3.如权利要求1所述的基于还原剂补钛的因瓦合金基原位复合材料制备方法，其特征在于，原位因瓦合金基复合材料中，tic增强体呈球形，且原始粉末中补钛钛源质量保持不变时，补钛钛源粉末中随着tih2质量分数增加，tic增强体含量逐渐增多，力学性能也随之提升。

4.如权利要求1至3之一所述的基于还原剂补钛的因瓦合金基原位复合材料制备方法，其特征在于，激光沉积用原料取颗粒度为50～200μm的fe、ni、ti、tih2和ht200粉末，按重量百分比计，ni 35～37％，补钛钛源0～10％，ht200 37～39％，fe余量；补钛钛源由ti粉和tih2粉组成，其中tih2粉末的质量分数为20～100％。

5.如权利要求4所述的基于还原剂补钛的因瓦合金基原位复合材料制备方法，其特征在于，优选的，补钛钛源3～8％。

6.如权利要求5所述的基于还原剂补钛的因瓦合金基原位复合材料制备方法，其特征在于，在行星球磨机中以转速150r/min球磨2小时使原料粉末混合均匀，将经过球磨的混合粉末放入真空干燥箱中，在60℃下烘干2小时后放置在送粉器中。

7.如权利要求2所述的基于还原剂补钛的因瓦合金基原位复合材料制备方法，其特征在于，在氩气保护下进行多层多道激光沉积时，每层沉积的厚度范围为0.4～1.5mm。

技术总结本发明属于原位复合材料激光沉积制备领域，涉及一种基于还原剂补钛的因瓦合金基原位复合材料制备方法。取颗粒度为50～200μm的Fe、Ni、Ti、TiH<subgt;2</subgt;和HT200球形粉末，将复合粉末放入球磨机中球磨使其混合均匀。采用同轴送粉法激光沉积，所用激光功率为1000w，光斑直径为2mm，扫描速度为100～700mm/min，送粉速度为5～20g/min，送气量为9L/min，在氩气保护下进行多道多层激光沉积，得到原位因瓦合金基复合材料。本发明工艺简单，操作方便，还原性补钛效果良好，激光沉积复合材料的宏观形貌良好，增强体呈球形且尺寸细小，力学性能好。技术研发人员：赵龙志,曹紫云,赵明娟,罗芯,于泓冰,胡勇,唐延川,焦海涛,刘德佳受保护的技术使用者：华东交通大学技术研发日：技术公布日：2024/8/20