專利名稱：激光合成制備金屬間化合物及其顆粒增強復合材料的方法
技術領域：
本發明涉及一種基于激光熔覆原理合成制備金屬間化合物和金屬間化合物基顆粒增強復合材料的方法，尤其涉及一種激光合成制備Ni-Al-Fe金屬間化合物及原位顆粒增強金屬間化合物基復合材料的方法，屬于金屬間化合物合成和制造技術領域。
背景技術：
金屬間化合物具有優秀的高溫性能，是一種理想的具有潛在應用價值的高溫結構材料，在航空、航天和能源等領域有著廣闊的應用前景。但金屬間化合物的室溫脆性很大，惡化了金屬間化合物的綜合性能，也給金屬間化合物零件的加工制造造成了障礙。
目前制備金屬間化合物主要采用鑄造、粉末冶金、燃燒合成和機械合金化等方法。鑄造法主要用于制造金屬間化合物母合金，鑄造組織粗大，容易產生氣孔、疏松和偏析等缺陷，機械性能較低，且生產周期較長。粉末冶金方法采用合金粉末，成本較高，生產工藝復雜，材料致密度較低，存在較多孔隙，產品大小和形狀受到限制，對使用性能影響較大。燃燒合成控制難度大，材料成形較差。機械合金化只能得到粉末，無法得到塊體材料。現有方法在提高和改善金屬間化合物某一方面性能的同時，往往使其它性能降低，難以使金屬間化合物獲得優秀的綜合使用性能；在制備原位增強金屬間化合物基復合材料方面，現有方法有很大局限性。因此提出合成和制備金屬間化合物，特別是原位顆粒增強金屬間化合物復合材料的新方法具有重要意義。
發明內容
本發明的目的在于提供一種激光合成制備Ni-Al-Fe金屬間化合物及原位顆粒增強金屬間化合物基復合材料的新方法，以解決現有金屬間化合物制備方法中存在的工藝和性能方面的問題。本發明基于送粉式激光熔覆的原理，利用高能激光束形成熔池中的特殊物理冶金和化學冶金，合成出金屬間化合物和原位顆粒增強復合材料(即顆粒增強金屬間化合物基復合材料)，結合激光直接制造的逐道逐層堆積過程，直接制備出近凈成形的顆粒增強金屬間化合物和金屬間化合物基復合材料結構零件。
本發明的目的是通過如下技術方案實現的一種激光合成制備金屬間化合物的方法，其特征在于該方法包括如下步驟(1)采用與所要制備的金屬間化合物相同元素的粉末為原料，按原子百分比例并額外添加易損失元素粉末的0～30wt％，將粉末進行混合，混合后的粉末烘干去除水分；(2)用功率為500W～5000W激光輻照基材表面形成局部熔池，在激光熔化基材形成局部熔池的同時，采用送粉法，以惰性氣體作為混合粉末輸運氣體和熔池保護氣體，將混合粉末送入熔池，利用熔池中的物理冶金和化學冶金反應形成單道Ni-Al-Fe金屬間化合物；(3)將激光合成的單道金屬間化合物經橫向多道搭接得到大面積涂層，按照塊體的形狀經橫向和縱向搭接形成塊體材料，或按照零件的三維形狀層層疊加堆積得到近凈成形零件。
本發明所述方法中所述的原料粉末粒度為-80目～+300目。
本發明所述方法中輻照基材表面的激光采用CO2激光、Nd∶YAG激光或二極管激光，激光聚焦成直徑為1～6mm的光斑，且以0.1～2m/min的掃描速度輻照。
本發明所述方法中，混合粉末送入熔池時的粉末質量流率為5～50g/min，氣體流量為0.5～8L/min。
本發明所述的橫向多道搭接形成大面積涂層、按塊體形狀進行橫向和縱向搭接形成塊體材料或按特定零件的三維形狀層層疊加形成近凈成形零件時的搭接率均為10～60％。
本發明還可根據所要合成和制備的金屬間化合物的使用要求，對其進行后續整體熱處理。
本發明還提供了一種以所述金屬間化合物為基的顆粒增強復合材料的制備方法，其特征在于在所述原料中再加入重量比為10～50％的碳化鈦或碳化鎢粉末。
本發明提供的激光合成制備金屬間化合物及其顆粒增強復合材料的方法，可廣泛用于各種金屬間化合物和原位顆粒增強金屬間化合物基復合材料。與現有其它方法相比，材料合成和零件制備同步完成，成分設計靈活方便，生產成本低，生產效率高，材料綜合力學性能好，金屬間化合物基體與增強顆粒之間界面干凈、結合牢固，在航空、航天、能源和軍工等高技術領域有廣闊的應用前景。
除了合成和制備金屬間化合物及原位顆粒增強金屬間化合物基塊體材料外，該方法還可用于制備原位顆粒增強金屬間化合物基復合材料高溫結構涂層，從而使材料在高溫下獲得靈活的表面耐磨性和抗氧化性。結合快速原形制造技術，還可以制備原位顆粒增強金屬間化合物基復合材料近凈形實體零件，實現金屬間化合物結構零件的少無余量加工，從而有效改善金屬間化合物的加工性能。激光合成制備可以充分發揮和利用激光材料加工的技術優勢，同步綜合實現多種強韌化技術，在保證高溫性能的同時，改善室溫性能；在保證強度的同時，改善塑性；結合激光直接制造技術，可以實現金屬間化合物高溫結構零件的近凈形制造，在滿足使用性能的同時，顯著改善工藝性能，從而為金屬間化合物結構材料的工程化創造條件。
圖1為激光合成制備Ni-Al-Fe金屬間化合物的金相組織。
圖2為激光合成制備Ni-Al-Fe金屬間化合物的XRD衍射曲線。
圖3為激光合成制備TiC顆粒增強Ni-Al-Fe金屬間化合物基復合材料的金相組織。
圖4為激光合成制備TiC顆粒增強Ni-Al-Fe金屬間化合物基復合材料的XRD衍射曲線。
具體實施例方式
下面以合成制備Ni-Al-Fe金屬間化合物及其顆粒增強復合材料的方法為例，說明本發明的具體實施。
(1)采用Ni包Al、純Al、純Fe元素粉末為原料，按原子百分比例混合，再額外添加10～30wt％Al含量的純Al粉對燒損的Al進行補償，混合后的粉末在80～200℃的烘箱中保溫1～3小時去除水分，然后緩慢冷卻到室溫備用；(2)采用高功率激光(CO2激光、Nd∶YAG激光、二極管激光等)，激光功率500W～5000W，聚焦成直徑為1～6mm的光斑，以0.1～2m/min的掃描速度，輻照基材(與金屬間化合物成分或性質相近的金屬板材或一般鋼材)表面形成局部熔池；(3)在激光熔化基材形成局部熔池的同時，采用同步送粉法(同軸或側向送粉)將混合粉末送入熔池，利用熔池中的物理冶金和化學冶金反應形成單道Ni-Al-Fe金屬間化合物，用N2、Ar或He氣作混合粉末輸運氣體粉末質量流率為5～50g/min，氣體流量為0.5～8L/min。在激光作用基材和混合粉末的同時，用N2或Ar或He氣保護熔池表面以避免氧化；(4)將激光合成的單道Ni-Al-Fe金屬間化合物經橫向多道搭接可得到大面積的激光合成金屬間化合物涂層，搭接率為10～60％；按一定形狀橫向和縱向搭接可形成金屬間化合物的塊體材料，搭接率為10～60％；按照特定零件的三維形狀層層切片，依據每層的信息逐層疊加堆積可以獲得近凈成形Ni-Al-Fe金屬間化合物材料零件，搭接率為10～60％。
(5)根據所要合成和制備的金屬間化合復合材料的具體特點和使用要求，可以對其進行后續整體熱處理，熱處理規范為溫度600～1200℃，保溫時間為1～8小時，隨爐緩冷。
利用本發明提供的方法制備Ni-Al-Fe金屬間化合物顆粒增強復合材料，可采用Ni包Al、純Al、純Fe元素粉末為原料，按原子百分比例混合，再額外添加10～30wt％Al含量的純Al粉和10～50wt％原料總重量的TiC粉，混合后在80～200℃的烘箱中保溫1～3小時去除水分，然后緩慢冷卻到室溫備用；然后按上述步驟(2)～(5)進行，即可制得TiC顆粒增強的Ni-Al-Fe基金屬間化合物復合材料。
變化元素粉末比例可以得到不同成分的Ni-Al-Fe金屬間化合物和不同顆粒增強的金屬間化合物基復合材料。
下面的實施例將進一步理解本發明。
實施例1激光合成制備Ni20Al30Fe金屬間化合物普通二元NiAl金屬間化合物熔點高、導熱性好、抗高溫氧化，但是其脆性較大，難于在工程實際中得到應用。通過添加Fe作為合金元素，可以顯著改善其室溫塑性，提高其性能。本發明實施于激光合成制備Ni20Al30Fe金屬間化合物，其方法為(1)采用Ni包Al粉、純Al、純Fe粉元素粉末為原料，按照Ni20Al30Fe的原子百分比，額外添加10wt％的純Al粉對復合材料中燒損的Al含量進行補償，粉末粒度為-150目～+200目，上述粉末經機械攪拌混合，在100℃的烘箱中保溫1小時去除水分；
(2)采用高功率Nd∶YAG激光，激光功率3000W，聚焦成直徑為6mm的光斑，以1.5m/min的掃描速度，輻照經過清洗打磨的低碳鋼表面形成局部熔池；(3)在激光熔化基材形成局部熔池的同時，采用側向送粉法將混合粉末送入熔池，利用熔池中的物理冶金和化學冶金反應形成Ni-Al-Fe金屬間化合物涂層；用N2氣作混合粉末輸運氣體和熔池保護氣體，粉末質量流率為15g/min；氣體流量為2L/min；(4)將激光合成的單道Ni-Al-Fe金屬間化合物經橫向多道搭接可得到大面積的激光合成金屬間化合物涂層，搭接率為50％，按一定形狀橫向和縱向搭接可形成金屬間化合物塊體材料，搭接率為50％；按照特定零件的三維形狀層層切片，依據每層的信息逐層逐層疊加疊加堆積可以獲得近凈成形Ni-Al-Fe金屬間化合物零件，搭接率為50％；(5)對上述激光合成制備的Ni20Al30Fe金屬間化合物進行后續整體熱處理，熱處理規范為溫度700℃，保溫時間為3～8小時，隨爐緩冷。
實施例2激光合成制備TiC顆粒增強Ni-Al-Fe金屬間化合物基復合材料NiAl金屬間化合物中添加Fe作為合金元素得到Ni20Al30Fe(at.％)，具有較高的室溫塑性和韌性，在此基礎上，添加20％TiC(wt.％)制備成顆粒增強金屬間化合物基復合材料，能保證合金的高溫強度，從而獲得良好的綜合機械性能。本發明實施于激光合成制備TiC顆粒增強Ni20Al30Fe金屬間化合物基復合材料，其方法為(1)采用Ni包Al粉、純Al、純Fe粉元素粉末，按照Ni20Al30Fe的原子百分比，額外添加30wt％的純Al粉對復合材料中燒損的Al含量進行補償，在上述粉末中添加20wt％的TiC粉末，粉末粒度為-200目～+300目，上述粉末經機械攪拌使之充分均勻混合，然后在200℃的烘箱中保溫3小時去除水分；(2)采用高功率CO2激光，激光功率1000W，聚焦成直徑為4mm的光斑，以0.2m/min的掃描速度，輻照經過清洗打磨的低碳合金鋼表面形成局部熔池；(3)在激光熔化基材形成局部熔池的同時，采用同軸送粉法將混合粉末送入熔池，利用熔池中的物理冶金和化學冶金反應形成TiC顆粒增強Ni-Al-Fe金屬間化合物基復合涂層；用Ar氣作混合粉末輸運氣體和熔池保護氣體，粉末質量流率為10g/min；氣體流量為1L/min；(4)將激光合成的單道TiC顆粒增強Ni-Al-Fe金屬間化合物基復合材料涂層經橫向多道搭接可得到大面積的激光合成顆粒增強金屬間化合物基復合材料涂層，搭接率為30％，按一定形狀橫向和縱向搭接可形成顆粒增強金屬間化合物塊體材料，搭接率為30％；按照特定零件的三維形狀層層切片，依據每層的信息逐層逐層疊加疊加堆積可以獲得近凈成形顆粒增強Ni-Al-Fe金屬間化合物基復合材料零件，搭接率為30％；(5)對上述激光合成制備的Ni-Al-Fe金屬間化合物進行后續整體熱處理，熱處理規范為溫度850℃，保溫時間為5小時，隨爐緩冷。
實施例3本發明實施于激光合成制備TiAl金屬間化合物，其方法為(1)采用純Ti、純Al粉元素粉末為原料，按照TiAl的原子百分比，額外添加20wt％的純Al粉和15wt％的純Ti粉對復合材料中燒損的Al和Ti含量進行補償，粉末粒度為-150目～+200目，上述粉末經機械攪拌混合，在100℃的烘箱中保溫2小時去除水分；(2)采用高功率二極管激光，激光功率5000W，聚焦成直徑為6mm的光斑，以2m/min的掃描速度，輻照經過清洗打磨的低碳鋼表面形成局部熔池；(3)在激光熔化基材形成局部熔池的同時，采用側向送粉法將混合粉末送入熔池，利用熔池中的物理冶金和化學冶金反應形成Ti-Al金屬間化合物涂層；用Ar氣作混合粉末輸運氣體和熔池保護氣體，粉末質量流率為40g/min；氣體流量為8L/min；(4)將激光合成的單道Ti-Al金屬間化合物涂層經橫向多道搭接可得到大面積的激光合成金屬間化合物涂層，搭接率為40％，按一定形狀橫向和縱向搭接可形成金屬間化合物塊體材料，搭接率為40％；按照特定零件的三維形狀層層切片，依據每層的信息逐層逐層疊加疊加堆積可以獲得近凈成形Ti-Al金屬間化合物零件，搭接率為40％；(5)對上述激光合成制備的Ti-Al金屬間化合物進行后續整體熱處理，熱處理規范為溫度700℃，保溫時間為4小時，隨爐緩冷。
權利要求
1.一種激光合成制備金屬間化合物的方法，其特征在于該方法包括如下步驟(1)采用與所要制備的金屬間化合物相同元素的粉末為原料，按原子百分比例并額外添加易損失元素粉末的0～30wt％，將粉末進行混合，混合后的粉末烘干去除水分；(2)采用功率為500W～5000W激光輻照基材表面形成局部熔池，在激光熔化基材形成局部熔池的同時，用送粉法，以惰性氣體作為混合粉末輸運氣體和熔池保護氣體，將混合粉末送入熔池，利用熔池中的物理冶金和化學冶金反應形成單道金屬間化合物；(3)將激光合成的單道金屬間化合物經橫向多道搭接得到大面積涂層，按照塊體的形狀經橫向和縱向搭接形成塊體材料，或按照零件的三維形狀層層疊加堆積得到近凈成形零件。
2.按照權利要求1所述的激光合成制備金屬間化合物的方法，其特征在于所述的粉末粒度為-80目～+300目。
3.按照權利要求1所述的制備金屬間化合物的方法，其特征在于所述步驟(2)中輻照基材表面所用激光采用CO2激光、Nd:YAG激光或二極管激光，激光聚焦成直徑為1～6mm的光斑，且以0.1～2m/min的掃描速度輻照。
4.按照權利要求1所述的制備金屬間化合物的方法，其特征在于步驟(2)中的混合粉末送入熔池時的粉末質量流率為5～50g/min，氣體流量為0.5～8L/min。
5.按照權利要求1所述的制備金屬間化合物的方法，其特征在于所述的橫向多道搭接形成大面積涂層、按塊體形狀進行橫向和縱向搭接形成塊體材料或按特定零件的三維形狀層層疊加形成近凈成形零件時的搭接率均為10～60％。
6.按照權利要求1所述的制備金屬間化合物的方法，其特征在于該方法還包括對所制備的金屬間化合物進行后續整體熱處理。
7.一種制備如權利要求1～6任一權利要求所述金屬間化合物原位顆粒增強復合材料的方法，其特征在于在所述原料中再加入重量比為10～50％的碳化鈦或碳化鎢粉末。
全文摘要
激光合成制備金屬間化合物及其顆粒增強復合材料的方法，屬于材料制備技術領域。本發明采用與所要制備的金屬間化合物相同元素的粉末為原料，按原子百分比，并額外添加元素粉末在沉積過程中一定的損失量，還可加入一定量的碳化物粉末，進行混合；用高功率激光輻照基材表面形成局部熔池；用送粉法將混合粉末送入熔池，經橫向多道搭接、橫向和縱向搭接或按照零件的三維形狀層層疊加堆積可制得大面積涂層、塊體材料或得到近凈成形零件。通過調整粉末成分和激光工藝，得到具有不同成分、組織和性能的金屬間化合物或顆粒增強金屬間化合物復合材料。本發明具有材料成分、組織性能、外形結構設計靈活，材料綜合性能好，成本低，生產效率高，應用廣泛等特點。
文檔編號B22F3/105GK1546694SQ20031011554
公開日2004年11月17日 申請日期2003年11月28日 優先權日2003年11月28日
發明者鐘敏霖, 徐向陽, 劉文今, 孫鴻卿 申請人:清華大學