[发明专利]一种金属基复合材料及其增材制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及复合材料技术领域，尤其涉及一种金属基复合材料及其增材制造方法。

背景技术

以碳化钨为增强相的金属基复合材料具有高强度、高硬度、耐磨、耐腐蚀以及耐冲击等优异性能(如硬质合金)，被广泛应用于各大领域，如被制备成钻头、叶轮或弯管。钻头是钻井工程中用于破碎岩石、形成井筒的破碎工具，旋转钻头常常被安装在钻柱的下端，在其工作时，钻头及镶嵌其中的球齿等部件由于与硬质层或岩屑等撞击摩擦，导致钻头及球齿极易磨损、脱落，因此需要定时更换，而每次更换钻头时，需要从几千英尺的地下，将钻头从钻孔中取出，然后更换新的钻头之后再重新插入地下，需要花费大量的人力、物力，因此期望钻头具有更好的耐磨及耐腐蚀性能。

潜油泵是石油开采过程中的主要设备之一，是一种多级离心泵，由多级叶轮、导壳、泵轴、泵壳体和上下接头组成。潜油泵在工作过程中由于叶轮长期受到井液的冲击，导致叶轮磨损的较为严重，而且钻井液中可能含有固体杂质会加剧对叶轮的冲击磨损，从而改变叶轮和底壳的主要尺寸，导致潜油泵的使用寿命缩短或者无法工作。因此，需要提高叶轮的耐磨性、耐腐蚀性及冲击韧性。

弯管是管道安装中常用的一种连接用管件，用于管道拐弯处的连接，改变管道的方向。在石油、天然气、选矿或化工等行业的实际作业中需要大量的管道作为输送载体，因而就需要大量的弯管来改变流体的方向，弯管的磨损最为严重，因此，需要弯管具有良好的耐磨性、耐腐蚀性以及冲击韧性。

因此，如何提高碳化钨金增强相金属基复合材料的耐磨性、耐腐蚀性以及冲击韧性成为本领域的研究热点，现有技术中的地质钻头、叶轮和弯管通常以合金钢为基体，镶嵌硬质合金截齿或者涂覆金刚石涂层，这种方法采用镶嵌或者涂覆硬质层的方法提高基体耐磨及耐腐蚀性能，但是受到硬质层和基体结合强度的影响将会造成硬质层的脱落从而降低产品的耐磨及耐腐蚀性能。采用粉末冶金的方法进行整体造型可避免上述硬质层的脱落问题，粉末冶金是在合金粉末中加入成型剂后压制(或注射)成粉坯，经过脱胶、烧结而成。粉末冶金由于受到模具、粉末流动性等制约很难实现形状复杂的零件成型，而且粉末冶金过程中容易形成缺陷，由于收缩不均匀造成零件的开裂，从而降低产品的耐磨及耐腐蚀性能。

因此，现有技术需要一种耐磨性、耐腐蚀性以及冲击韧性较好的碳化钨增强相金属基复合材料。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种金属基复合材料及其增材制造方法，本发明提供的方法制备得到的金属基复合材料具有较好的耐磨性、耐腐蚀性以及冲击韧性。

本发明提供了一种金属基复合材料的增材制造方法，包括：

将原材料采用电子束选区熔化成型技术制备成金属基复合材料；所述原材料包括：

45wt％～72wt％的碳化钨粉体；

28wt％～55wt％的镍基粉体。

优选的，所述碳化钨粉体的粒度为80目～400目。

优选的，所述镍基粉体的组分为：

1.5wt％～2.5wt％的B；

3wt％～4wt％的Si；

余量为Ni。

优选的，所述镍基粉体的粒度为150目～350目。

优选的，所述电子束选区熔化成形技术过程中电子束功率为200W～3000W。

优选的，所述电子束选区熔化成形技术过程中电子束束斑宽度为0.1mm～0.2mm。

优选的，所述电子束选区熔化成形技术过程中线扫描速度为5mm/s～30mm/s。

优选的，所述电子束选区熔化成形技术过程中的扫描间距为0.07mm～0.18mm。

本发明通过控制原材料的成分及用量，并采用电子束选区熔化成形技术制备金属基复合材料，本发明提供的方法能够一次性近净成形得到整体结构的金属基复合材料，采用本发明提供的方法制备得到的金属基复合材料具有较好的耐磨性、耐腐蚀性以及冲击韧性。本发明提供的方法摆脱了粉末冶金技术对成型模具的依赖，直接在三维空间成型，可以制备任意形状的零件，尤其在薄壁和复杂型腔零件的制备上相比于粉末冶金法具有较大的优势，适于制备钻头、叶轮及弯管等形状复杂的金属基复合材料。实验结果表明，本发明提供的方法制备得到的金属基复合材料的硬度达到HRA78～87，压缩强度＞1700MPa，压缩断裂变形率＞12％，抗弯强度为1200MPa～1400MPa，相对耐磨性为75～85，相对耐蚀性为25～32。

本发明提供了一种金属基复合材料，所述金属基复合材料为上述技术方案所述的增材制造方法制备得到的金属基复合材料。