一种抑制原位生长陶瓷增强相团聚的方法技术

本发明专利技术提供了一种抑制原位生长陶瓷增强相团聚的方法，属于合金技术领域。本发明专利技术在N2气氛中对材料进行激光烧结原位制备金属陶瓷复合材料，由于激光加工在快速凝固过程中，陶瓷与金属通常存在相对大的熔点温度、热膨胀系数、杨氏模量等物理化学属性的差异性，在工件内部产生较高的温度梯度和热应力，产生裂纹、翘曲等缺陷。本发明专利技术通过超声振动辅助与金属液相介质的相互作用，通过空化效应和空化诱导作用，以及微流体流动和湍流形成的“雾化”，抑制固相团聚生长成枝晶，同时促进陶瓷固相晶粒的均匀分布，平滑热梯度和热应力，减少裂纹，细化晶粒，从而抑制陶瓷晶粒团聚，并提高Ti

【技术实现步骤摘要】
一种抑制原位生长陶瓷增强相团聚的方法


[0001]本专利技术涉及材料合金化
，尤其涉及一种抑制原位生长陶瓷增强相团聚的方法。

技术介绍

[0002]金属陶瓷材料设计突破了金属和陶瓷单体材料难以获得良好综合性能的缺点，为极端的太空环境提供了一种独特服役材料类别，成为新材料研发的重要方向。同时在导弹、超音速飞机的外壳、燃烧室的火焰喷口等各个领域也都有着不可替代的作用。然而，与制造相关的困难和由此产生的高成本限制了这种金属陶瓷未来的使用。其中激光加工有潜力降低这种制造成本。与传统加工工艺相比，激光加工技术可以快速成形任何复杂结构。随着激光制造工艺的日渐成熟，人们大量利用激光的高能量光子直接诱导易制备材料化学反应在增材制造、表面改性等工艺中原位制备金属陶瓷材料。同时也改善了外加法增强相与基体相界面的结合问题。
[0003]激光加工的高能量密度产生高温度梯度。金属材料在激光加工时会因高温度梯度使得熔池中出现马朗戈尼对流使得陶瓷相通常以柱状晶或枝晶的形式在金属液相中取向生长。此外，激光加工凝固速度通常比传统的铸造工艺要高几个数量级，熔化层在快速凝固过程会导致不均匀冷却。由于陶瓷与金属通常存在相对大的熔点温度、热膨胀系数、杨氏模量等物理化学属性的差异性，在工件内部产生较高的温度梯度和热应力，产生裂纹、翘曲等缺陷。因此得到的金属陶瓷材料包含陶瓷柱状组织和许多裂纹，这都不能被工程应用所接受。此外，陶瓷相具有强化作用，但金属陶瓷材料由于陶瓷相的存在而导致塑韧性降低，因此存在严重的问题。
[0004]其中金属陶瓷的激光烧结制造涉及液
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固相变，具有许多物理现象和化学反应等。金属陶瓷中陶瓷相的凝固是在金属液相中形成陶瓷固体。陶瓷由于高熔点，以及激光加工的小熔池快速骤冷特点，使得陶瓷相出现超级过冷现象，使得陶瓷形核率极高，且晶核半径极小。随激光加工的高速冷却和陶瓷的高熔点形成陶瓷相的超高过冷度增加，使得与在经典的晶体生长框架下单体扩散逐层添加的现有晶体表面以及热力学驱动力决定的生长机制不同。同时也会快速降低陶瓷晶粒正常生长的退火温度。
[0005]因此，如何在不牺牲太多韧性和塑性的前提下增强金属陶瓷材料的强度成为本领域技术人员亟待解决的问题。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的在于针对现有技术的不足提供一种抑制原位生长陶瓷增强相团聚的方法，用以解决现有技术中金属陶瓷材料存在的塑韧性与硬度或强度差的问题。
[0007]为了实现上述专利技术目的，本专利技术提供以下技术方案：
[0008]本专利技术提供了一种抑制原位生长陶瓷增强相团聚的方法，包括以下步骤：
[0009]在氮气气氛下，对钛合金原料进行激光烧结加工的同时进行超声处理，得到金属
陶瓷材料。
[0010]作为优选，所述超声的频率为20～30Hz。
[0011]作为优选，所述超声的振幅为500～1000μm。
[0012]作为优选，所述钛合金原料包含TC4钛合金、TA1钛合金、TA2钛合金、TA3钛合金、TA4钛合金、TA9钛合金或TA10钛合金。
[0013]作为优选，所述激光烧结加工的输出功率为1500～2500W。
[0014]作为优选，所述激光烧结加工的光斑直径为2～6mm。
[0015]作为优选，所述激光烧结加工的喷嘴和基板之间的距离为2～10mm。
[0016]作为优选，所述激光烧结加工的扫描速度为0.01～0.1m/min。
[0017]作为优选，所述氮气的输入流量为5～10L/min。
[0018]本专利技术的有益效果：
[0019]晶粒的生长和晶粒的相互交织决定了产品最终的性质和特征。然而，抑制陶瓷增强相团聚可以降低两相热膨胀系数来抑制热裂，形成相干无裂纹的陶瓷/金属界面，同时均衡了材料塑韧性与硬度或强度。
[0020]本专利技术在对材料进行激光烧结原位制备金属陶瓷复合材料的同时进行超声处理。利用超声与液相介质相互作用产生的空化效应和空化诱导的微流体流动和湍流效应(声流效应)，形成“雾化”，抑制固相团聚生长成枝晶(图1b)，同时促进固相晶粒的均匀分布，平滑热梯度和热应力，减少裂纹，细化晶粒等。空化释放的冲击波能量提高了传质速率和分子碰撞，释放两相界面应力，提高两相润湿性。通过超声振动辅助抑制激光烧结原位制备金属陶瓷材料加工过程中的陶瓷晶粒团聚，提高金属与陶瓷材料两相结合强度等性能。
附图说明
[0021]图1为实施例1和对比例1得到的金属陶瓷材料的电镜图，其中(a)为对比例1的电镜图，(b)为实施例1的电镜图；
[0022]图2为实施例1在超声下和对比例1在不进行超声下得到的金属陶瓷材料的残余拉应力测试图；
[0023]图3为实施例1在超声下和对比例1在不进行超声下得到的金属陶瓷材料的硬度性能测试图；
[0024]图4为实施例1在超声下和对比例1在不进行超声下得到的金属陶瓷材料的摩擦学性能测试图，其中(a)为实施例1在超声下和对比例1在不进行超声下得到的金属陶瓷材料的室温和500℃下的摩擦系数图，(b)为实施例1在超声下和对比例1在不进行超声下得到的金属陶瓷材料的室温和500℃下的磨损率图；
[0025]图5为在超声和不进行超声下硬度随熔池深度的变化趋势图。
具体实施方式
[0026]本专利技术提供了一种抑制原位生长陶瓷增强相团聚的方法，包括以下步骤：
[0027]在氮气气氛下，对钛合金原料进行激光烧结加工的同时进行超声处理，得到金属陶瓷材料。
[0028]本专利技术中，所述钛合金原料进行激光烧结加工前，还进行表面打磨反复清洗处理。
[0029]本专利技术中，所述超声的频率为20～30Hz，优选为22～28Hz，进一步优选为23～26Hz。
[0030]本专利技术中，所述超声的振幅为500～1000μm，优选为600～900μm，进一步优选为700～800μm。
[0031]本专利技术中，所述钛合金原料包含TC4钛合金、TA1钛合金、TA2钛合金、TA3钛合金、TA4钛合金、TA9钛合金或TA10钛合金。
[0032]本专利技术中，所述TC4钛合金包含Ti6Al4V合金；所述TA1钛合金包含TA1
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1钛合金；所述TA9钛合金包含TA9
‑
1钛合金。
[0033]本专利技术中，所述激光烧结加工的输出功率为1500～2500W，优选为1700～2300W，进一步优选为1900～2100W。
[0034]本专利技术中，所述激光烧结加工产生的光束为无散焦的高斯光束轮廓。
[0035]本专利技术中，所述激光烧结加工的光斑直径为2～6mm，优选为3～5mm，进一步优选为4mm。
[0036]本专利技术中，所述激光烧结加工的喷嘴和基板之间的距离为2～10mm，优选为3～9mm，进一步优选为4～8mm。
[0037]本专利技术中，所述激光烧结加工的扫描速度为0.01～0.1m/min，优选为0.03～0.08m/mi本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种抑制原位生长陶瓷增强相团聚的方法，其特征在于，包括以下步骤：在氮气气氛下，对钛合金原料进行激光烧结加工的同时进行超声处理，得到金属陶瓷复合材料。2.根据权利要求1所述的抑制原位生长陶瓷增强相团聚的方法，其特征在于，所述超声的频率为20～30Hz。3.根据权利要求2所述的抑制原位生长陶瓷增强相团聚的方法，其特征在于，所述超声的振幅为500～1000μm。4.根据权利要求1～3任意一项所述的抑制原位生长陶瓷增强相团聚的方法，其特征在于，所述钛合金原料包含TC4钛合金、TA1钛合金、TA2钛合金、TA3钛合金、TA4钛合金、TA9钛合金或TA10钛合金。5.根据权利要求4所述的...

【专利技术属性】
技术研发人员：成前前，易戈文，万善宏，王军阳，陕钰，
申请(专利权)人：中国科学院兰州化学物理研究所，
类型：发明
国别省市：