CN105478759A - 一种Cr3C2-Cu复合材料构件的激光成形方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种Cr3C2-Cu金属复合材料结构件的激光成形方法，其所选用的原料粉体配方为：石墨3.87~5.22wt.%，Cr？26.73~34.53wt.%，稀土氧化物0.48~0.65wt.%，Cu？59.6~68.9？wt.%。激光成形的粉体定量输送采用多料斗输送系统完成，多料斗输送系统主要由3个料斗、送粉螺杆、直流步进电机和3个出粉管组成。激光成形采用3管同轴激光头，通过对粉体输送系统和激光头的控制，能够实现Cr3C2-Cu构件的内外梯度分层结构，Cr3C2-Cu构件的断裂韧度可达到Cu基合金的70%以上。
Description
技术领域
本发明属于激光成形领域，涉及一种Cr3C2-Cu复合材料部件的激光成形方法。
背景技术
滑动摩擦电接触材料广泛应用于电动机上的电刷，电力传输设备的导电弓、受电靴、电拔插头等。电弧放电和摩擦磨损是滑动摩擦电接触材料主要失效形式。滑动摩擦电接触材料主要有纯金属、碳滑板、粉末冶金复合材料、浸铜碳滑板等几种类型。金属滑板导电性好，但容易引发放电现象造成电弧灼烧。碳滑板润滑性好，但电阻率高且机械强度低，自身磨损比较严重。粉末冶金复合材料硬度较高，但对摩擦副磨损比较严重，且本身成本较高。浸铜碳滑板是目前比较优秀的导电弓网滑板材料，但面临着抗冲击性能差，维护成本高等问题。
Cr3C2-Cu复合材料是在Cu合金的基础上，通过液相Cr与石墨C反应原位生成Cr3C2金属碳化物来增强Cu基复合材料。Cr3C2-Cu是具有优秀的综合力学性能的铜基复合材料，成为电力传输应用中的新型滑动摩擦电接触材料的新选择。
MMC的制备技术依据增强颗粒的加入方式的不同，可分为原位自生和强制加入两种。外加Cr3C2颗粒的激光加工复合材料，会导致材料中Cr3C2分解，并重新生成Cr7C3等碳化物，成为Cr3C2复合材料激光加工的难点之一。原位自生技术借助合金设计，在基体金属内原位反应成核，生成一种或几种热力学稳定的增强相，这种方法避免了外加增强体的分解、节约能源、资源并能够减少排放，材料的增强体表面无污染，制品性能优良。但其工艺过程要求严格、较难掌握、且增强相的成分和体积分数不易控制。
激光成形工艺利用小体积累积成形的方法，可以在宏观控制增强相的均匀分布，为送粉激光原位成形颗粒增强MMC提供可能。金属粉与石墨粉的堆积密度相差较大，在激光成形过程中，容易因为粉体密度相差较大而造成分层，在成形部件中造成增强相的分布不均，而且会改变增强相的设计成分，大幅降低Cr3C2-Cu复合材料部件的性能。因此本发明采用在线连续送粉激光原位复合成形的方法，制备Cr3C2-Cu复合材料部件，实现形部件的增强相分布的连续可控。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对现有技术的不足，提供一种增强相分布可控的Cr3C2-Cu复合材料构件的激光成形方法。本发明方法从原位合成路线着手，利用多料斗激光成形工艺，使Cr3C2增强相在Cu基复合材料中均匀分布，实现性能优良的Cr3C2-Cu复合材料部件的激光成形。
本发明方法主要包括以下步骤：
（1）原料配方与预处理
原料配方为：石墨3.87~5.22wt.%，Cr26.73~34.53wt.%，稀土氧化物0.48~0.65wt.%，Cu59.6~68.9wt.%；原料采用粉体形式，金属Cu、Cr粉和石墨的颗粒尺寸50~200微米；将金属Cr粉和稀土氧化物粉末混合球磨0.5~5小时；
（2）送粉与混料
采用多料斗螺旋送粉混合系统进行送粉和及时混合，所述多料斗螺旋送粉混合系统由三个送粉器分别通过送粉管与一个共同的激光头连接组成，将Cr粉和稀土氧化物的混合粉末放入第1个料斗中，Cu粉置于第2料斗中，石墨粉置于第3个料斗中，3个送粉器同时送粉，并通过调整螺杆转速控制粉体的比例；
（3）激光成形
所述激光头采用3管同轴不连续喷嘴，对熔池环抱送粉，使熔池各成分均匀分布；对设计部件的数字图形分层切片，并建立激光扫描路径，在数控机床上进行激光成形；成形过程中，调节螺杆转速，使得局部生成的增强相Cr3C2比例成梯度连续变化，即构件外层为Cr3C2-Cu复合材料，内层为金属基体材料，并最终使用的原料符合步骤（1）的比例要求。
上述技术方案中，步骤（3）中采用光纤/半导体/CO2激光器，输出功率100~3000W,光斑直径0.2~4mm，搭接率10~80%，激光头Ar气流量0.5~13L/min，送粉器Ar气流量0.5~12L/min，激光头扫描速度3~125mm/s。
本发明方法所用的多料斗螺旋送粉混合系统由三个送粉器分别通过送粉管与一个激光头连接组成，如图1所示。所述送粉器由料斗、螺杆和流化器组成，所述螺杆由直流步进电机推动。
Cr3C2-Cu复合材料的性能取决于Cr3C2的含量、尺寸和均匀分布。本发明以多料斗螺旋送粉混料系统即时送粉，并利用同轴不连续激光头成形出Cr3C2-Cu复合材料部件，实现了增强相的分布控制，消除Cr3C2-Cu复合材料中Cr3C2分布不匀的情况，实现Cr3C2含量可调的Cr3C2-Cu复合材料结构件的激光成形。
本发明方法将构件表层和内层进行分别成形，实现内外分层结构的金属基复合材料部件的激光制造，使部件内部具有金属材料的韧性，表层具有耐磨、抗高温氧化的功能，且部件整体断裂韧度为同类金属部件的70%以上。
附图说明
图1多料斗螺旋送粉混合系统结构示意图。
具体实施方式
结合实施例对本发明做进一步描述。
实施例一
一种Cr3C2-Cu复合材料导电弓滑板激光成形方法，包括以下流程：
（1）原料采用粉体形式，金属Cu、Cr粉、石墨的颗粒尺寸50~200微米；原料成分为：石墨4.25wt.%，Cr28.36wt.%，稀土氧化物0.52wt.%，Cu余量；将Cr和稀土氧化物球磨混合90分钟。
（2）采用多料斗螺旋送粉混合系统进行送粉和即时混合，将Cr和稀土的混合粉末放入第1个料斗中，Cu粉置于第2个料斗中，石墨粉置于第3个料斗中；3个送粉器同时送粉，保持Cr粉与石墨的比例恒定，并通过螺杆转速调整Cr3C2在成形部位的含量，使Cr3C2在部件表层和内层成梯度变化。
（3）将多料斗中的粉体分别用3个管道气载输送至激光头进行激光成形，激光成形的激光头采用3管同轴不连续喷嘴，对熔池环抱送粉；部件的数字图形分层切片，并建立激光扫描路径，然后通过控制螺杆转速控制送粉成分，在数控机床上进行激光成形。CO2激光器输出功率200W,光斑直径2mm，搭接率50%，激光头Ar气流量5L/min，送粉器Ar气流量6L/min，激光头扫描速度60mm/s。
成形部件内部具有金属材料的韧性，表层具有耐磨、抗高温氧化的功能，且部件整体断裂韧度为同类金属部件的70%以上。
实施例二
一种Cr3C2-Cu受电靴滑板激光成形方法，包括以下流程：
（1）原料采用粉体形式，金属Cu、Cr粉的颗粒尺寸50微米以上；石墨5.22wt.%，Cr34.53wt.%，稀土氧化物0.65wt.%，Cu余量；将Cr和稀土氧化物球磨混合90分钟。
（2）采用多料斗螺旋送粉混合系统进行送粉和即时混合，将Cr和稀土的混合粉末放入第1个料斗中，Cu粉置于第2料斗中，石墨粉置于第3个料斗中；3个螺杆送粉器同时送粉，保持Cr粉与石墨的比例恒定，并通过螺杆转速调整Cr3C2在成形部位的含量，使Cr3C2在部件表层和内层成梯度变化。
（3）粉体在经过3个送粉器的充分混合后用3根管道输送至激光头进行激光成形，激光成形的激光头采用3管同轴不连续喷嘴，对熔池环抱送粉；部件的数字图形分层切片，并建立激光扫描路径，然后通过调节螺杆转速控制送粉成分，在数控机床上进行激光成形。CO2激光器输出功率200W,光斑直径2mm，搭接率60%，激光头Ar气流量8L/min，送粉器Ar气流量10L/min，激光头扫描速度50mm/s。
成形部件内部具有金属材料的韧性，表层具有耐磨、抗高温氧化的功能，且部件整体断裂韧度为同类金属部件的80%以上。
实施例三
一种Cr3C2-Cu复合材料结晶器激光成形方法，包括以下流程：
（1）原料采用粉体形式，金属Cu、Cr粉的颗粒尺寸50微米以上；石墨3.87wt.%，Cr26.73wt.%，稀土氧化物0.48wt.%，Cu余量；将Cr和稀土氧化物球磨混合90分钟。
（2）采用多料斗螺旋送粉混合系统进行送粉和即时混合，将Cr和稀土的混合粉末放入第1个料斗中，Cu粉置于第2个料斗中，石墨粉置于第3个料斗中；3个螺杆送粉器同时送粉，保持Cr粉与石墨的比例恒定，并通过螺杆转速调整Cr3C2在成形部位的含量，使Cr3C2在部件表层和内层成梯度变化。
（3）将多料斗中的粉体分别用3个管道气载输送至激光头进行激光成形，激光成形的激光头采用3管同轴不连续喷嘴，对熔池环抱送粉；部件的数字图形分层切片，并建立激光扫描路径，然后通过调节螺杆转速控制送粉成分，在数控机床上进行激光成形。CO2激光器输出功率200W,光斑直径2mm，搭接率60%，激光头Ar气流量4L/min，送粉器Ar气流量8L/min，激光头扫描速度30mm/s。
Claims (3)
1.一种Cr3C2-Cu复合材料构件的激光成形方法，其特征在于包括如下步骤：
（1）原料配方与预处理
原料配方为：石墨3.87~5.22wt.%，Cr26.73~34.53wt.%，稀土氧化物0.48~0.65wt.%，Cu59.6~68.9wt.%；原料采用粉体形式，金属Cu、Cr粉和石墨的颗粒尺寸50~200微米；将金属Cr粉和稀土氧化物粉末混合球磨0.5~5小时；
（2）送粉与混料
采用多料斗螺旋送粉混合系统进行送粉和及时混合，所述多料斗螺旋送粉混合系统由三个送粉器分别通过送粉管与一个共同的激光头连接组成，将Cr粉和稀土氧化物的混合粉末放入第1个料斗中，Cu粉置于第2料斗中，石墨粉置于第3个料斗中，3个送粉器同时送粉，并通过调整螺杆转速控制粉体的比例；
（3）激光成形
所述激光头采用3管同轴不连续喷嘴，对熔池环抱送粉，使熔池各成分均匀分布；对设计部件的数字图形分层切片，并建立激光扫描路径，在数控机床上进行激光成形；成形过程中，调节螺杆转速，使得局部生成的增强相Cr3C2比例成梯度连续变化，即构件外层为Cr3C2-Cu复合材料，内层为金属基体材料，并最终使用的原料符合步骤（1）的比例要求。
2.根据专利要求1所述的激光成形方法，其特征在于，步骤（3）中采用光纤/半导体/CO2激光器，输出功率100~3000W,光斑直径0.2~4mm，搭接率10~80%，激光头Ar气流量0.5~13L/min，送粉器Ar气流量0.5~12L/min，激光头扫描速度3~125mm/s。
3.根据专利要求1所述的激光成形方法，其特征在于，所述送粉器由料斗、螺杆和流化器组成，所述螺杆由直流步进电机推动。
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