-CoCr復合材料構件的激光成形方法
【技術領域】
[0001 ]本發明屬于激光成形領域，涉及一種Cr3C2-CoCr復合材料構件的激光成形方法。
【背景技術】
[0002]CoCr基合金及其復合材料高溫力學性能良好，耐磨性能、耐腐蝕和耐高溫氧化性能倶佳，廣泛應用于航空航天、冶金、能源等行業。Cr的碳化物類型主要有M3C2，M3C, M7C3和M23C6等類型，熱力學穩定性較好的是Cr3C2、Cr7C3和Cr23C6，Cr3C2和Cr7C3常用做金屬基復合材料(MMC)的增強相。其中Cr3C2在高溫條件下依然能保持相當高的硬度，還具有很強的耐蝕性和耐磨性。
[0003]MMC的制備技術依據增強顆粒的加入方式的不同，可分為原位自生和強制加入兩種。外加Cr3C2顆粒的激光加工復合材料，會導致材料中Cr3C2分解，并重新生成Cr7C3等碳化物，成為&3(:2復合材料激光加工的難點之一。原位自生技術借助合金設計，在基體金屬內原位反應成核，生成一種或幾種熱力學穩定的增強相，這種方法避免了外加增強體的分解、節約能源、資源并能夠減少排放，材料的增強體表面無污染，制品性能優良。但其工藝過程要求嚴格、較難掌握、且增強相的成分和體積分數不易控制。
[0004]激光成形工藝利用小體積累積成形的方法，可以在宏觀控制增強相的均勻分布，為送粉激光原位成形顆粒增強MMC提供可能。金屬粉與石墨粉的堆積密度相差較大，在激光成形過程中，容易因為粉體密度相差較大而造成分層，在成形部件中造成增強相的分布不均，而且會改變增強相的設計成分，大幅降低Cr3C2-C0Cr復合材料部件的性能。因此本發明采用在線連續送粉激光原位復合成形的方法，制備Cr3C2-C0Cr復合材料部件，使成形部件的增強相分布連續可控。
【發明內容】
[0005]本發明所要解決的技術問題是提供一種增強相分布可控的Cr3C2-C0Cr復合材料構件的激光成形方法。本發明方法從原位合成路線和激光成形工藝著手，使增強相在復合材料中均勻分布，實現性能優良的Cr3C2-CoCr復合材料部件的激光成形。
本發明方法主要包括以下步驟:
(1)原料配方與預處理
原料配方為:石墨 4.21-5.69wt.%，Cr 29.88?47.05wt.%，稀土氧化物0.54-0.96wt.%，Co余量;原料采用粉體形式，金屬粉和石墨粉的顆粒尺寸50?200微米;將金屬Cr粉和稀土氧化物粉末球磨0.5?5小時；
(2)送粉與混料
采用多料斗螺旋送粉混合系統送粉和及時混合，所述多料斗螺旋送粉混合系統由三個送粉器分別通過送粉管與一個共同的激光頭連接組成，將Cr和稀土氧化物的混合粉末放入第1個料斗中，Co粉置于第2料斗中，石墨粉置于第3個料斗中；3個送粉器同時送粉，并通過調整螺桿轉速控制粉體的比例； (3)激光成形
激光成形的激光頭采用3管同軸不連續噴嘴，對熔池環抱送粉，使熔池各成分均勻分布;設計部件的數字圖形分層切片，并建立激光掃描路徑，在數控機床上進行激光成形;成形過程中，控制螺桿轉速，使得局部生成的增強相Cr3C2在構件中的比例成梯度連續變化，SP構件外層為Cr3C2-CoCr復合材料，內層為金屬基體材料，并最終使用的原料符合步驟(1)的比例要求。
[0006]步驟(3)中采用光纖/半導體/C02激光器，輸出功率200?3000W，光斑直徑0.15?4mm，搭接率10?80%，激光噴嘴Ar氣流量0.15?7L/min，送粉器Ar氣流量0.1?10L/min，激光噴嘴掃描速度2?60mm/s。
[0007]本發明所用的多料斗螺旋送粉混合系統由三個送粉器分別通過送粉管與一個共同的激光頭連接組成，如圖1所示。所述送粉器由料斗、螺桿和流化器組成，所述螺桿由直流步進電機推動。
[0008]Cr3C2-CoCr復合材料的性能取決于Cr3C2的含量、尺寸和均勻分布。本發明以多料斗螺旋送粉混料系統即時送粉，并利用同軸不連續激光噴嘴成形出Cr3C2-C0Cr復合材料部件，實現了增強相的分布控制，消除復合材料中Cr3C2不均勻分布的情況，實現Cr3C2含量可調的Cr3C2-CoCr復合材料構件的激光成形。
[0009]本發明方法同時將部件表層和內層進行分別成形，控制送粉成分和激光掃描路線，實現內外分層結構的金屬基復合材料部件的激光制造，使部件內部具有金屬材料的韌性，表層具有耐磨、抗高溫氧化的功能，且部件整體斷裂韌度為同類金屬部件的80%以上。
【附圖說明】
[0010]圖1多料斗螺旋送粉混合系統結構示意圖。
【具體實施方式】
[0011]結合實施例對本發明做進一步描述。
[0012]實施例一
一種Cr3C2-C0Cr復合材軸承座激光成形方法，包括以下流程:
(1)原料配方與預處理
原料配方為:石墨5.69wt.%，Cr 43.28wt.%，稀土氧化物0.54wt.%，Co余量。原料采用粉體形式，金屬粉和石墨粉的顆粒尺寸50?200微米;將金屬Cr粉和稀土氧化物粉末球磨2小時。
[0013](2)送粉與混料
送粉工藝采用多料斗螺旋送粉混合系統完成，將Cr和稀土氧化物混合粉末放入第1個料斗中，Co粉置于第2料斗中，石墨粉置于第3個料斗中；3個送粉器同時送粉，并通過螺桿轉速調整Cr3C2在粉體反應產物中的含量，使得局部生成的增強相Cr3C2在構件中的比例在構件表層和內層成梯度連續變化。
[0014](3)激光成形
激光成形的激光頭采用3管同軸不連續噴嘴，對熔池環抱送粉;部件的數字圖形分層切片，并建立激光掃描路徑，然后控制送粉成分和激光掃描路線，在數控機床上進行激光成形。激光加工使用光纖激光器的輸出功率400W，光斑直徑0.20mm，搭接率40%，激光噴嘴Ar氣流量5L/min，送粉器Ar氣流量3L/min，激光噴嘴掃描速度25mm/s。
[0015]成形部件內部具有金屬材料的韌性，表層具有耐磨、抗高溫氧化的功能，且部件整體斷裂韌度為同類金屬部件的80%以上。
[0016]實施例二
一種Cr3C2-C0Cr復合材料加熱爐滑輥激光成形方法，包括以下流程:
(1)原料配方與預處理
原料配方為:石墨4.2lwt.%，Cr 29.88wt.%，稀土氧化物0.96wt.%，Co余量。原料采用粉體形式，金屬粉和石墨粉的顆粒尺寸50?200微米;將金屬Cr粉和稀土氧化物粉末球磨3小時。
[0017](2)送粉與混料
送粉工藝采用多料斗螺旋送粉混合系統完成，將Cr和稀土氧化物混合粉末放入第1個料斗中，Co粉置于第2料斗中，石墨粉置于第3個料斗中；3個送粉器同時送粉，并通過螺桿轉速調整Cr3C2在粉體反應產物中的含量，使得局部生成的增強相Cr3C2在構件中的比例在構件表層和內層成梯度連續變化。
[0018](3)激光成形
激光成形的激光頭采用3管同軸不連續噴嘴，對熔池環抱送粉;部件的數字圖形分層切片，并建立激光掃描路徑，然后控制送粉成分和激光掃描路線，在數控機床上進行激光成形。激光加工使用⑶2激光器的輸出功率2000W，光斑直徑0.45mm，搭接率55%，激光噴嘴Ar氣流量9L/min，送粉器Ar氣流量5L/min，激光噴嘴掃描速度18mm/s。
[0019]成形部件內部具有金屬材料的韌性，表層具有耐磨、抗高溫氧化的功能，且部件整體斷裂韌度為同類金屬部件的80%以上。
[0020]實施例三
一種Cr3C2-C0Cr復合材料耐高溫軸套激光成形方法，包括以下流程:
(1)原料配方與預處理
原料配方為:石墨4.29wt.%，Cr 47.05wt.%，稀土氧化物0.93wt.%，Co余量。原料采用粉體形式，金屬粉和石墨粉的顆粒尺寸50?200微米;將金屬Cr粉和稀土氧化物粉末球磨1.5小時。
[0021](2)送粉與混料
送粉工藝采用多料斗螺旋送粉混合系統完成，將Cr和稀土氧化物混合粉末放入第1個料斗中，Co粉置于第2料斗中，石墨粉置于第3個料斗中；3個送粉器同時送粉，并通過螺桿轉速調整Cr3C2在混料器中粉體的含量，使得局部生成的增強相Cr3C2在構件中的比例在構件表層和內層成梯度連續變化。
[0022](3)激光成形
粉體經3個送粉器輸出后用3根管道輸送至激光頭進行激光成形，激光成形的激光頭采用3管同軸不連續噴嘴，對熔池環抱送粉;部件的數字圖形分層切片，并建立激光掃描路徑，然后控制送粉成分和激光掃描路線，在數控機床上進行激光成形。激光加工使用半導體直接輸出激光器的輸出功率700W，光斑直徑0.15mm,搭接率65%，激光噴嘴Ar氣流量4.51/min，送粉器Ar氣流量6L/min，激光噴嘴掃描速度34mm/s。
【主權項】
1.一種Cr3C2-CoCr復合材料構件的激光成形方法，其特征在于包括如下步驟: (1)原料配方與預處理 原料配方為:石墨 4.21-5.69wt.%，Cr 29.88?47.05wt.%，稀土氧化物Ο.54-0.96wt.%，Co余量;原料采用粉體形式，金屬粉和石墨粉的顆粒尺寸50?200微米;將金屬Cr粉和稀土氧化物粉末球磨0.5?5小時； (2)送粉與混料 采用多料斗螺旋送粉混合系統送粉和及時混合，所述多料斗螺旋送粉混合系統由三個送粉器分別通過送粉管與一個共同的激光頭連接組成，將Cr和稀土氧化物的混合粉末放入第1個料斗中，Co粉置于第2料斗中，石墨粉置于第3個料斗中；3個送粉器同時送粉，并通過調整螺桿轉速控制粉體的比例； (3)激光成形 激光成形的激光頭采用3管同軸不連續噴嘴，對熔池環抱送粉，使熔池各成分均勻分布;設計部件的數字圖形分層切片，并建立激光掃描路徑，在數控機床上進行激光成形;成形過程中，控制螺桿轉速，使得局部生成的增強相Cr3C2在構件中的比例成梯度連續變化，SP構件外層為Cr3C2-CoCr復合材料，內層為金屬基體材料，并最終使用的原料符合步驟(1)的比例要求。2.根據權利要求1所述的激光成形方法，其特征在于，步驟(3)中，采用光纖/半導體/C02激光器，輸出功率200~3000W，光斑直徑0.15?4mm，搭接率10?80%，激光噴嘴Ar氣流量0.15?7L/min，送粉器Ar氣流量0.1?10L/min，激光噴嘴掃描速度2?60mm/s。3.根據權利要求1所述的激光成形方法，其特征在于，所述送粉器由料斗、螺桿和流化器組成，所述螺桿由直流步進電機推動。
【專利摘要】本發明涉及一種Cr3C2-CoCr金屬復合材料結構件的激光成形方法，其所選用的原料粉體配方為：石墨4.21~5.69wt.%，Cr？29.88~47.05wt.%，稀土氧化物0.54~0.96wt.%，Co余量。采用多料斗螺旋送粉混合系統送粉和及時混合，所述多料斗螺旋送粉混合系統由三個送粉器分別通過送粉管與一個共同的激光頭連接組成。利用系統對送粉和激光的控制，實現復合部件的成形，復合材料的斷裂韌度可達到基體金屬材料的80%以上。
【IPC分類】B22F1/00, B22F3/105
【公開號】CN105478761
【申請號】CN201510895449
【發明人】婁德元, 劉頓, 朱思雄, 王君蘭, 鄧波, 關來慶, 翟中生, 胡勇濤
【申請人】湖北工業大學
【公開日】2016年4月13日
【申請日】2015年12月8日