[发明专利]一种通过激光加工制备碳纳米管增强梯度复合材料的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种通过激光加工制备碳纳米管增强梯度复合材料的方法，属于材料增材制造技术领域。特别涉及一种在钛合金表面用单臂碳纳米管与纳米颗粒强化Ni基激光熔覆成形复合材料耐磨性的方法。

背景技术

增材制造（3D打印）技术正强劲地驱动新兴产业技术群快速崛起，顺应了新技术革命大趋势，即由传统大规模、批量生产模式向个性化、订制化、小批量生产模式转型。梯度复合材料制造是增材制造领域的重点技术之一，是将两种成分不同的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、互溶度及在俩组分之间形成的脆性金属间化合物。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单体材料。激光熔覆成形技术是增材制造领域的一个重要分枝，是将激光技术与热处理相结合的激光表面改性技术，可利用高能密度激光束加热冷却速度快等特点制备纳米晶增强复合材料。激光熔覆成形轻质梯度复合材料技术代表着增材制造领域中先进的生产模式及未来发展趋势，该技术可大幅减少制造工序、缩短生产周期、降低成本及节约能源。

Ni60A属高硬度的镍铬硼硅铁合金粉末，具有自熔性与润湿性优良且熔点较低等特性，其激光熔覆层具有硬度高、高耐蚀、耐磨及耐热等特点。由于Ni60A中包含的Ni与γ-Fe同为面心立方晶格结构，可无限互溶，Ni优先与γ-Fe形成固溶体晶核，晶核不断从处于熔融状态的熔池中吸收大量Ni原子而长大，并使大量Ni元素发生聚集，在熔合区形成富Ni网状γ-(Fe, Ni)奥氏体，利于材料的韧性提升。Cu对Ni60A基激光梯度复合材料的纳米化过程，即利用Cu在激光熔覆层中催生诸如AlCu₂Ti纳米晶，来增强熔覆层。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。

碳纳米管（CNTs）作为一维纳米材料，重量轻、六边形结构连接完美，且具有许多优异的力学、电学和化学性能。近些年，随着对CNTs及纳米材料的深入研究，其广阔的应用前景也充分展现出来。CNTs在激光熔覆层中的加入可改善其耐磨性，主要体现在以下两个方面：1）在激光熔覆层中未熔CNTs可极大增加熔覆层的致密性，具有弥散强化作用，可有效改善熔覆层的韧性和延展性，并在磨损过程中起自润滑作用；2）在激光熔池中已熔化的CNTs可与金属基材稀释的元素产生化学反应形成碳化物，作为增强相弥散分布于熔覆层中，从而提高了熔覆层中增强相比例，增强了晶格抗畸变能力，提升耐磨性。

发明内容

基于上述科学原理，并依据激光辐射所形成高温熔池快速冷凝特性，结合激光梯度、

复合材料的功能梯度特性，本发明提出了一种能够降低生产成本、通过激光熔覆成形技术制备纳米化梯度复合材料的方法。现有TC17钛合金表面激光熔覆使用的粉末为Ni60A-TiB₂-CNTs-Cu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；预置涂层完全干后，将Ni60A-TiB₂-Cu混合粉末也直接用水玻璃溶液均匀搅拌成糊状涂覆于Ni60A-TiB₂-CNTs-Cu预置粉末之上，形成预置叠层。采用氩气充满激光熔覆所用箱体作为保护气，而后进行激光熔覆处理，可生成具有极强耐磨性的激光轻质纳米化梯度复合材料。

扫描电镜照片表明，该纳米化梯度复合材料组织结构出现明显分层现象，上层与下层的组织均较为均匀，无明显裂纹及气孔产生（见图1a）。如图1b所示，大量未熔化成线状的CNTs存留于梯度复合材料下层，该类未熔化的CNTs在下层被大量纳米晶颗粒包覆，纳米晶颗粒SEM形貌见图1c。

采用MM200磨损试验机测定梯度复合材料的抗磨性能。选用尺寸Φ40×12的YG6硬质合金磨轮，转速400 r/min，载荷为5 kg。图2 显示了氩气环境中产生的Ni60A基纳米化梯度复合材料与TC17基材的磨损量。该图表明在试样磨损时段的约前40分钟，为梯度复合材料上层接受磨损测试；约40分钟后，上层材料被磨损掉，由包含大量CNTs的下层接受磨损测试。又进行了约60分钟，下层也被磨损掉，其余时间由基材接受磨损测试。磨损测试结果表明，该复合材料上层的磨损量约为TC17钛合金基材1/10；该复合材料下层的磨损量约为TC17钛合金基材1/17。