[发明专利]一种激光同轴送粉增材制备成分梯度材料的方法

说明书

本发明涉及一种激光同轴送粉增材制备成分梯度材料的方法，该方法包括以下步骤：1)确定梯度材料体系，并选择预合金化的单一组成合金粉末作为粉末原料；2)采用激光同轴送粉增材制造技术进行激光熔敷，通过控制激光功率密度，制备得到成分梯度材料。与现有技术相比，本发明只需采用一个装有单一组成合金粉末的送粉罐，即可通过激光功率密度的控制得到具有成分梯度的材料，而毋须像现有技术那样将不同元素的粉末原料按照设计成分比例混合并进行梯度逐层填入模具或熔敷。

技术领域

本发明属于梯度材料制备技术领域，涉及一种基于激光同轴送粉增材制造技术制备高通量成分梯度材料的方法。

背景技术

梯度材料是日本学者平井敏雄等根据航天技术发展要求提出的一种材料新概念，至今已有20多年，研究之初是为了解决航空材料应力释放、抗氧化和热冲击抗性等问题，其主要的设计目的是利用属性连续变化的材料来降低几种普通均匀材料界面间的残余应力，使很多互不相容的功能都可以结合在一个结构部件中。随着材料基因组工程的提出，梯度材料在高通量材料设计方面表现出得天独厚的优势，它能够极大地缩短多组分金属材料的设计、制备、表征到应用的进程，降低材料研发成本，加速新材料的开发，因此受到了国内外的广泛关注。

目前制备梯度材料的方法主要有粉末冶金法、等离子喷涂法、气相沉积法以及激光熔敷法等方法。其中，等离子喷涂法和气相沉积法由于沉积速率较慢，只适用于制备涂层。而粉末冶金法和激光熔敷法制备功能梯度材料需要将不同的粉末原料按照设计成分比例进行混合，并按梯度逐层填入模具或熔敷到基板上，这种方法沉积速率高，可制备块状材料，但是制备过程中需要连续改变粉末原料的比例，以达到成分梯度分布的效果，其过程复杂，成本较高，且易引入杂质，因而应用范围受到限制。

发明内容

本发明的目的是提供一种激光同轴送粉增材制备成分梯度材料的方法，采用激光熔敷的方法，只需要使用单一组成的粉末原料，即可制备出成分梯度分布的材料。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种激光同轴送粉增材制备成分梯度材料的方法，该方法包括以下步骤：

1)确定梯度材料体系，并选择预合金化的单一组成合金粉末作为粉末原料；

2)采用激光同轴送粉增材制造技术进行激光熔敷，通过控制激光功率密度，制备得到所述的成分梯度材料。

其中，预合金化的目的是按制备需求获得所选体系的合金粉末，这样不仅可以用一个送粉器制备梯度材料，还可以避免机械混合不均匀导致的送粉过程中成分的不可控变化。

进一步地，步骤1)中，所述的梯度材料体系中含有低熔点金属元素及高熔点金属元素，或所述的梯度材料体系中含有低沸点金属元素及高沸点金属元素。梯度材料的合金体系中包含一种或几种熔沸点差异较大的元素。

进一步地，所述的梯度材料体系中含有Al元素，以及Ti元素和/或Ni元素。

进一步地，所述的梯度材料体系为Ti-Al合金体系或Ni-Al合金体系。

进一步地，步骤1)中，所述的粉末原料呈球形，粒径为50～150μm。

进一步地，步骤2)中，控制激光功率密度的方法为：设定高激光功率密度，利用热积累的作用使元素烧损量发生变化，或者使激光功率密度随沉积过程不断改变，利用功率密度的变化使元素烧损量发生变化。激光熔敷过程中，合金中的低沸点或低熔点元素发生烧损。

进一步地，步骤2)中，激光熔敷过程为：先进行粉末原料烘干及基板打磨，之后将粉末的焦点汇聚于基板表面，在基板上进行往复式单道多层熔敷，得到从底部到顶部化学组成连续变化的材料，即为所述的成分梯度材料。

进一步地，粉末原料烘干过程为：将粉末原料置于热风烘干炉中，在45～55℃下烘干20～28h。