[发明专利]一种激光增材制造非晶-纳米晶增强叠层复合材料的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种激光加工技术制备钛合金表面非晶-纳米晶增强叠层复合材料的方法，属于增材制造技术领域。特别涉及一种在钛合金表面用Sn-Stellite 4-TiB₂-TiN混合粉末通过激光合金化技术来制备非晶-纳米晶增强叠层复合材料。Sn对Stellite 4基TiB₂-TiN强化激光合金层的表面形貌及耐磨性有显著改善作用。

背景技术

增材制造俗称3D打印，是制造技术原理的一次革命性突破，它形成了最能代表信息化时代特征的制造技术，即以信息技术为支撑，以柔性产品制造方式最大限度满足个性化需要。叠层材料制造技术是增材制造领域的重点技术之一，是将两种成分不同材料按一定的层间距及厚度比交互重叠形成的多层材料，一般是由基体及增强材料制备而成。该材料性质取决于每一组分的结构和特性、各自体积含量、层间距、互溶度以及在俩组分之间形成的脆性金属间化合物。由于更能满足现代及将来高性能产品的结构需求，该种材料目前在各个领域得到了广泛的重视，有着非常广阔的应用发展前景。间距较小及多界面效应使得该种材料在性能上会有优于相应的单体材料。国外著名科研机构中有学者证实将不同成分及结构的材料分层沉积所成形的结构件会产生许多界面，这些界面可钉扎缺陷，得到比单一结构涂层更强的保护层材料。

纳米晶因其特殊的结构与尺寸效应，具有一般材料难以获得的优异性能，如高耐磨性与耐高温氧化性等。且近年来，随着纳米材料的飞速发展，纳米技术开始应用于激光增材制造及表面工程等诸多领域；非晶态合金作为一种新型材料，具有高屈服强度、大弹性应变极限及高耐磨性等优异性能；Stellite合金，即通常所说的CoCrW(Mo)合金或钴基合金，是一种耐磨损和抗高温氧化的硬质合金。将适量Stellite加入到激光合金化涂层中，涂层将具有高硬度、高塑韧性、耐腐蚀、耐磨及耐热等特点。Sn对Stellite基激光合金化涂层的纳米化过程，是利用Sn在激光熔池中原位生成的诸如Al-Sn及Co-Sn金属间化合物纳米颗粒来极大抑制其它晶化相长大的过程，也是大量纳米晶生成的过程；而激光合金化是一个极快速的动态熔化与凝固的过程，该工艺制备非晶合金是以快速冷却来最大程度上抑制晶化相形核及长大，形成接近氧化物玻璃的高黏度过冷熔体来抑制原子的长程扩散，从而将熔体“冻结”而形成非晶态；同时钴基等非晶合金具有极强的玻璃形成能力，因此该类元素进入熔池有利于非晶相产生。基于上述原因，本发明将一定比例混合粉末分层激光合金化于钛合金表面，从而制备非晶-纳米晶增强叠层复合材料。

现有TA2钛合金表面激光合金化使用的粉末为Stellite 4 -TiN-TiB₂混合粉末，直接用水玻璃溶液均匀搅拌成糊状涂覆于钛合金表面，而后进行激光合金化，可生成具有极强耐磨性的激光合金化涂层。扫描电镜照片表明，Stellite 4-TiN-TiB₂激光合金化涂层组织结构较为均匀，无明显裂纹及气孔产生。后将Sn-Stellite 4-TiN-TiB₂混合粉末用水玻璃粘结于已形成的Stellite 4-TiN-TiB₂激光合金化层之上，经激光合金化工艺后，可形成非晶-纳米晶增强叠层复合材料。Stellite-TiN-TiB₂合金化层与Sn-Stellite 4-TiB₂-TiN合金化层的界面区域见图1。

用HV-1000型显微硬度计测试叠层材料的硬度，载荷200 g，加载时间5 s。采用MM200磨损试验机测定合金化层的抗磨性能。选用尺寸Φ40×12的YG6硬质合金磨轮，转速400 r/min，载荷2～8 kg。

磨损体积：磨损试验中每隔10分钟测量一次磨痕宽度或磨损失重；磨痕宽度采用体积显微镜测定，经过多点测定后取平均值作为测量结果。利用如下公式近似计算磨损体积。

V=l{r²arcsin                                                -}                 

式中：  V是磨损体积，单位是mm³；

l是磨痕长度（即试样宽度），单位mm；

b是磨痕宽度，mm；

r是磨轮半径，mm。