[发明专利]一种激光快速成形制备固溶增韧钨基复合材料的方法

说明书

技术领域

本发明属于激光快速成形技术领域，特别涉及对一种固溶增韧钨基复合材料的制备。

背景技术

W及其合金，由于它们优越的性能，如高熔点、高弹性模量、高抗热冲击性以及低的热膨胀系数和良好的高温强度，使它们成为理想的高温结构材料。然而，它们特有的一些脆性，即低温脆性、回复再结晶脆性以及辐照脆性，极大地限制了W及其合金作为结构材料的应用。研究表明，W及其合金的脆性主要是由于在晶粒边界处裂纹的产生与扩展引起的，而W及其合金的韧性与晶粒尺寸及其分布密切相关，晶粒尺寸越小，分布越均匀，其韧性越好（其韧脆转变温度降低），这是由于晶粒尺寸越小，晶粒边界的弱化作用越差。尤其是，通过在纯钨基体中加入纳米级的陶瓷颗粒，可以很好地改善W的脆性。因为在高温下，纳米颗粒阻碍了晶粒边界的移动、抑制了回复再结晶和晶粒的长大，提高了W基复合材料的韧性和抗蠕变性能。特别的是，在较高的能量作用下，纳米陶瓷颗粒可以固溶到W基体当中，形成间隙/置换固溶相；而间隙/置换固溶相会导致W晶格发生局部畸变，进而产生以间隙/置换位置为中心的应力场，当晶体裂纹尖端与这一个应力相互作用时，会导致裂纹发生偏转、分枝等作用，阻止裂纹的继续扩展，提高了W基复合材料的韧性。

一般情况下，大部分W金属材料采用粉末冶金方法制备，由于其高熔点特性，所以必须在较高的温度下对其进行烧结加工，并随后进行热加工处理。然而，W及其合金在热加工过程中，晶粒将长时间暴露在高温环境中，致使W及其合金的晶粒长大；由于晶粒边界上的弱化作用，将使W及其合金的高温性能明显降低。所以为了提高W及其合金的韧性，减少加工过程中W晶粒的长大，有必要采用一种快速成形的制备方法。

发明内容

本发明的目的是：提供了一种固溶增韧钨基复合材料的制备方法，以改善W材料的脆性问题。

本发明是通过以下技术方案实现的：首先采用高能机械球磨工艺制备TiC/W纳米复合粉末，随后利用选区激光熔化（Selective Laser Melting，SLM）工艺对复合粉末进行快速成形制备。设定合理的激光工艺参数（激光功率、扫描速度、扫描间距、铺粉厚度），利用较高的激光能量使纳米TiC固溶到W当中。其中Ti原子以置换的方式进入W晶格当中，形成Ti_xW_1-x（x=0.1~0.86）固溶相；而C原子以间隙的方式进入W晶格当中，最终形成W₂C陶瓷相。此外，由于激光快速成形工艺的熔化/凝固速率快，W晶粒来不及长大，而最终制备了小尺寸晶粒的固溶增韧W基复合材料，改善了W材料的脆性。

一种激光快速成形制备固溶增韧钨基复合材料的方法，其特征在于按以下步骤进行：

（1）混合粉末由纯度为99.8%以上、平均颗粒尺寸为50~70 nm的TiC粉末和纯度为99.9%以上、平均颗粒尺寸为4.5~5.5 μm的W粉末组成，其中TiC粉末组分占总含量的1~1.5wt.%；       

（2）采用单罐行星式高能球磨机进行球磨，氩气进行保护，添加直径为Ф6~Ф10 mm的不锈钢球作为球磨介质，磨球与粉料的质量比为8：1~10：1，球磨机转速为250~300 rpm，球磨时间为30~45h；

（3）建立待加工试件模型，并利用分层软件在模型高度方向上进行分层切片；

（4）激光成形过程中，将一块成形缸基板水平固定在平台上，氩气充入密封装置中进行保护，铺粉装置将粉末铺在成形缸基板上，铺粉厚度为50~60 μm；随后，激光束按照设计好的模型对粉床表面进行逐层扫描；激光工艺参数如下：激光光斑直径200~210 μm，激光功率120~140 W，激光扫描速率100~300 mm/s，激光扫描间距120~140 μm。

本发明的技术方案中应用了SLM工艺，SLM作为一种新型的快速成形技术，能利用高能激光束有选择地熔化/凝固松散粉末薄层，逐层快速制造出具有复杂形状的三维零件，而不需要后续处理。SLM是基于完全熔化/凝固机制，可以使材料的显微组织和综合性能显著提高；同时，激光工艺参数会对成形试样的质量产生极大地影响：

（1）激光功率

激光功率的大小直接决定粉末单位时间内吸收能量的多少，激光功率过低，粉体吸收的能力偏低，导致熔池中液相量偏少，不利于液相铺展，致使成形试件致密度低；反之，激光功率过大，容易引起“球化效应”，同时由于粉体接收的能量偏高会使熔池过热，凝固组织中产生的热应力较大，致使零件变形和开裂。

（2）激光扫描速率