[发明专利]一种通过激光熔化沉积制备非晶缓冲梯度复合材料的方法

说明书

本发明公开了一种通过激光熔化沉积制备非晶缓冲梯度复合材料的方法。采用同轴送粉法在氩气环境中将Deloro50‑Si₃N₄‑Sb‑La₂O₃混合粉末熔化沉积于TC17钛合金表面，形成具有优异韧性及耐磨性的下层；后将Deloro50‑Si₃N₄混合粉末激光熔化沉积于所形成下层之上形成上层；上层与下层之间呈良好冶金结合且均具有优异耐磨性。结果表明，Sb及La₂O₃可在该非晶缓冲梯度复合材料中催生出许多非晶相，非晶相具有良好韧性，可在一定程度上缓解摩擦副对所制备非晶缓冲梯度复合材料的冲击，改善耐磨性。本发明可获得组织致密且具极强耐磨性的非晶缓冲梯度复合材料。关键词：激光熔化沉积；非晶缓冲层；钛合金。

技术领域

本发明涉及一种通过激光熔化沉积制备非晶缓冲梯度复合材料的方法，属于增材制造技术领域。特别涉及一种在钛合金表面用Deloro50-Si₃N₄-Sb-La₂O₃混合粉末通过激光熔化沉积技术制备非晶缓冲梯度复合材料的方法。

背景技术

激光熔化沉积（LMD）是一种典型的激光增材制造技术，即利用激光高能量束使粉末与工件表层发生熔化，在基材上形成熔池，熔化粉末在熔池上方叠层累加沉积，冷却凝固后在工件表层形成激光熔覆层的方法；LMD可满足各种复杂工作条件技术要求，在工件表面层制备具有较高耐磨、耐蚀等性能的材料。梯度涂层利于涂层与基体之间形成冶金结合，使复合界面由突变转变为微观结构的渐变，还可在一定程度上降低多层缓冲作用下的残余应力，增强材料的表面性能。激光熔池的急冷特性有利于非晶相形成；非晶材料由于其良好的韧性、耐蚀性、摩擦系数低等特点在激光增材制造领域有较大的应用潜力。Deloro50是一种润湿性优良且熔点较低的合金粉末，其激光熔覆层具有优异的耐蚀及耐磨等特点；Si₃N₄陶瓷具有高硬度及抗高温氧化等特性，可有效提高钛合金高温表面性能，在航空航天零部件增材制造领域具有巨大的应用潜力；适量La₂O₃添加可提升液态金属流动性，减弱枝晶生长方向性，减少熔池杂质，使激光熔覆层组织均匀细化。

发明内容

基于上述科学原理，本发明依据高密度激光束照射金属表面可形成具有急冷特性的高温熔池，提出一种能够降低生产成本、减少生产周期，通过LMD制备非晶缓冲梯度复合材料的方法；所制备复合材料显微形貌如图1a所示。采用同轴送粉法在氩气环境中将Deloro50-Si₃N₄-Sb-La₂O₃混合粉末激光熔化沉积于TC17钛合金表面形成下层；后将Deloro50-Si₃N₄混合粉末激光熔化沉积于下层之上，形成组织较为致密的上层（见图1b）；上层与下层之间呈良好冶金结合且都具有较好耐磨性。试验结果表明，Sb与La₂O₃加入可催生出许多非晶相，所制备非晶相具有优异的韧性，可一定程度上缓解摩擦磨损过程中摩擦副对激光熔覆层的冲击，从而显著提高涂层表面性能。

所制备梯度复合材料中Deloro50-Si₃N₄-Sb-La₂O₃下层（非晶层）形貌见图2；能谱面扫分析结果表明Si，Sb，Ni，Ti，Cr元素均匀分布在非晶层中；由于激光熔池的急冷特性及Sb与La₂O₃作用，利于非晶层形成。

采用MM200磨损试验机测定TC17钛合金表面非晶缓冲梯度复合材料的耐磨性；选用尺寸Φ40×12 mm的YG6硬质合金磨轮，转速400 r/min，载荷10 kg。摩擦磨损结果如表1所示。

表1. 非晶缓冲梯度复合材料磨损试验数据