一种钛-钨功能梯度材料的激光增材制造方法

专利检索2026-02-08  0


本发明属于金属构件增材制造,具体涉及基于界面梯度工艺的钛钨功能梯度材料的激光增材制造方法。


背景技术:

1、由于钨和钛合金在航空航天领域的广泛应用和优异的耐腐蚀性能,将它们结合制成功能梯度材料创造了一种在核聚变反应堆、航空航天和国防领域应用前景广阔的材料体系。然而,这两种材料在性能上存在明显差异。钨作为一种具有极高熔点的高密度金属,以其超高的硬度和强度而闻名,而钛合金的硬度和强度较低,但延展性和韧性极佳,两者形成鲜明对比。尽管钛和钨具有潜在的协同作用,但它们在化学成分和物理性质上的显著差异给实现两者之间的牢固结合带来了挑战。因此,有关这两种材料结合的研究十分有限,阻碍了它们在联合应用中的探索。

2、增材制造技术作为二十世纪新出的加工技术,凭借其制造周期短、成形材料广泛、可直接制造出复杂结构等独特优势,在近三十年得到了迅速发展。与传统的铸造、锻造、焊接等加工方式不同,增材制造技术仅需设计出零件的三维模型,然后通过材料逐层堆积的方式就可以成形工件,大大简化了制造复杂形状零件的难度。激光选区熔化(slm)是快速成型制造中用于金属材料成型的主要工艺。通过选择适当的工艺参数,其强大的能量输入足以熔化各种金属粉末。基于这一特性,slm技术被广泛用于成形各种金属材料,但在成形钛-钨功能梯度材料上目前并没有很好的成形方法。因此,亟需开发一种新的slm制造方法来满足激光增材制造成形钛-钨功能梯度材料的需求。


技术实现思路

1、为了解决上述技术问题,本发明首先提供了一种钛-钨功能梯度材料的激光增材制造方法,包括以下步骤:

2、步骤一、建立钛-钨功能梯度材料的实体stl模型并进行分层切片规划激光扫描路径,包括钛合金加工数据文件和钨加工数据文件;

3、步骤二,将钛合金粉末和钨粉末进行烘干处理,使钛合金粉末和钨粉末充分干燥;

4、步骤三、将表面打磨光滑的基板进行喷砂处理,然后对基板进行预热;

5、步骤四、将步骤二中得到的钛合金粉末加入粉筒中,加载并运行所述钛合金加工数据文件后开始在步骤三预热后的基板上打印,所述打印采用带状扫描方式,逐层扫描得到钛-钨功能梯度材料的钛合金部分;

6、步骤五、清除粉筒中剩余的钛合金粉末,将步骤二中得到的钨粉末加入粉筒中,加载并运行所述钨加工数据文件打印,所述打印采用带状扫描方式,逐层扫描得到钨部分以形成钛-钨功能梯度材料零件。

7、优选的,步骤一中,通过使用materialise magics软件建立钛-钨功能梯度材料的实体stl模型。

8、优选的,步骤二中,所述烘干处理为:在60℃的真空干燥箱内烘干4-8h。

9、优选的,步骤二中的钛合金粉末和钨粉末的粒度为15-53μm,粉末形貌为球形;

10、优选的,步骤三中所述的基板预热温度为100-200℃;

11、优选的,步骤四中钛合金的打印参数中,激光功率为200-300w,激光扫描速度为600-800mm/s,层厚为30-50μm,扫描间距为80-120μm;

12、优选的,步骤五中钨的打印参数中,激光功率为230-250w,激光扫描速度为340-360mm/s,层厚为30-40μm,扫描间距为80-120μm;

13、优选的,步骤四和步骤五中,所述基板可移动的位于成形腔中,所述成形腔内使用氩气作为保护气,所述成形腔内的氧含量低于200ppm。

14、根据本发明的另一个方面,本发明还提供了利用上述增材制造方法制备的钛-钨功能梯度材料。

15、总体而言,通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比,主要具备以下的技术优点:

16、1.本发明的打印方法通过基板预热、控制slm设备成形腔的氧含量、采用球形粉末和带状扫描策略,改善了打印过程中的热过程,降低了打印过程的残余应力,提高了钛-钨功能梯度材料的成形质量,缩短了制造周期,提高了构件结构设计的自由性,为钛-钨功能梯度材料的成形提供了一种有效方法。

17、2.本发明制备的钛-钨功能梯度材料构件,实现了在一个构件内兼具高硬度、高延展性及抗压性能的多功能性耦合,且钛合金和钨均具有良好的抗腐蚀性,这一材料体系拓宽了钛合金和钨的潜在应用领域。



技术特征:

1.一种钛-钨功能梯度材料的激光增材制造方法,其特征在于,包括以下步骤:

2.根据权利要求1所述的一种钛-钨功能梯度材料的激光增材制造方法,其特征在于,步骤一中,通过使用materialise magics软件建立钛-钨功能梯度材料的实体stl模型。

3.根据权利要求1所述的一种钛-钨功能梯度材料的激光增材制造方法,其特征在于,步骤二中,所述烘干处理为:在60℃的真空干燥箱内烘干4-8h。

4.根据权利要求1所述的一种钛-钨功能梯度材料的激光增材制造方法,其特征在于,步骤二中的钛合金粉末和钨粉末的粒度为15-53μm,粉末形貌为球形。

5.根据权利要求1所述的一种钛-钨功能梯度材料的激光增材制造方法,其特征在于,步骤三中所述的基板预热温度为100-200℃。

6.根据权利要求1所述的一种钛-钨功能梯度材料的激光增材制造方法,其特征在于,步骤四中钛合金的打印参数中,激光功率为200-300w,激光扫描速度为600-800mm/s,层厚为30-50μm,扫描间距为80-120μm。

7.根据权利要求1所述的一种钛-钨功能梯度材料的激光增材制造方法,其特征在于,步骤五中钨的打印参数中,激光功率为230-250w,激光扫描速度为340-360mm/s,层厚为30-40μm,扫描间距为80-120μm。

8.根据权利要求1所述的一种钛-钨功能梯度材料的激光增材制造方法,其特征在于,步骤四和步骤五中,所述基板可移动的位于成形腔中,所述成形腔内使用氩气作为保护气,所述成形腔内的氧含量低于200ppm。

9.一种如权利要求1-8任一项所述方法制备的钛-钨功能梯度材料。


技术总结
本发明属于金属构件增材制造技术领域,公开了钛‑钨功能梯度材料的激光增材制造方法。本发明的制备方法将干燥的钛粉末和钨粉末采用最佳成形参数成形钛‑钨功能梯度材料,通过基板预热、控制SLM设备成形腔的氧含量和带状扫描策略,改善了打印过程中的热过程,降低了打印过程的残余应力,提高了钛‑钨功能梯度材料的成形质量以及缩短了制造周期,还提高了金属构件结构设计的自由性,为钛‑钨功能梯度材料的成形提供了一种有效方法,制备得到的金属构件内兼具有高硬度、高延展性及抗压性能。

技术研发人员:文世峰,吴全龙,周燕,李可凡,谢志荣,王晓强,陶亚坤,李毅,戴相龙,史玉升
受保护的技术使用者:华中科技大学
技术研发日:
技术公布日:2024/5/29
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