CN112404453A - 一种超细晶材料的增材制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种超细晶材料的增材制造方法，1)原材料的准备：将铝镁合金粉末与碳化钨粉末以体积比3‑4:1混合均匀后，真空干燥得到冷喷涂粉末；2)冷喷涂沉积成型：将冷喷涂粉末冷喷涂到基体或预先沉积体的表面，形成冷喷涂沉积体；冷喷涂的参数为：气体压力为0.6‑0.8MPa，气体加热温度为350‑380℃，送粉速度为12‑16g/min，喷涂移动速度为10mm/s，喷涂距离为25mm；3)搅拌摩擦处理：搅拌摩擦机的搅拌头对冷喷涂沉积体进行搅拌摩擦处理，得到具有均匀超细晶结构的冷喷涂沉积体。本发明操作简单、温度低、沉积效率以及致密度高，能够实现复杂形状飞机用零部件的制备，适用于超细晶材料的工业化生产。制备的飞机用零部件具有均匀超细晶结构以及优异的力学性能。

Description

一种超细晶材料的增材制造方法

技术领域

本发明属于增材制造技术领域，具体涉及一种超细晶材料的增材制造方法。

背景技术

超细晶材料是指在三维空间尺寸中至少有一维是处于亚微米数量级(0.1μm＜d＜1μm)的材料，其力学性能优异，尤其是韧性高以及强度高。

随着现代工业和科学的飞速发展，要求金属材料在保持原有成像质量的同时，还要具备更高的力学性能。将普通钢材晶粒细化来制备超细晶粒金属材料即可实现上述功能，进而取代较为昂贵的合金材料。在当前资源紧缺、环境污染日益严重的背景下，该技术减少了对昂贵金属的消耗，提升了材料利用率及性能，优化了尺寸公差及形位公差，对我国制造业，尤其是航空、航天领域具有重要意义。

超细晶材料的制备方法通常包括：等径弯曲通道变形(ECAP)、累积叠轧变形(ARB)、高压扭转变形(HPT)等大塑性变形法。这些方法可以制备尺寸较大的块体超细晶金属材料，但在工业化生产上存在一些不足。其中，ECAP工业化生产设备昂贵、挤压模具磨损严重等导致生产成本较高，常用于型材、棒材的生产。ARB工艺适用于板材的生产，但生产过程中的材料裂纹现象难以解决，导致产品质量及成品率下降。HPT工艺适合棒材的生产加工，但大尺寸工件的组织与性能不均匀。因此，现有技术仅适合制备形状简单的超细晶块体材料，无法制备具有复杂形状的飞机用零部件。例如，CN201310479359.7公开了一种采用等径弯曲通道变形制备超细晶钛基复合材料的方法，该方法通过多道次的等径角挤压变形后，可获得具有超细晶结构的强度高、塑性良好的钛基块体复合材料，但无法实现复杂形状飞机用零部件的制备。因此，亟需一种超细晶材料的增材制造方法，以解决人们一直渴望解决但始终未能获得成功的技术难题：超细晶材料的增材制造方法无法实现复杂形状飞机用零部件的制备。

发明内容

本发明针对现有技术中存在的技术问题，提供一种超细晶材料的增材制造方法，解决现有超细晶材料的制备方法在工业化生产上存在一些不足，例如无法实现复杂形状飞机用零部件的制备等问题。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：

一种超细晶材料的增材制造方法，包括以下步骤：

1)原材料的准备：将铝镁合金粉末与碳化钨粉末以体积比3-4:1混合均匀后，真空干燥得到冷喷涂粉末；

2)冷喷涂沉积成型：将冷喷涂粉末冷喷涂到基体或预先沉积体的表面，形成冷喷涂沉积体；其中，冷喷涂的参数为：气体压力为0.6-0.8MPa，气体加热温度为350-380℃，送粉速度为12-16g/min，喷涂移动速度为10mm/s，喷涂距离为25mm；

3)搅拌摩擦处理：通过搅拌摩擦机的搅拌头对冷喷涂沉积体进行搅拌摩擦处理，得到具有均匀超细晶结构的冷喷涂沉积体。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。

进一步，所述步骤1)中，铝镁合金粉末的平均粒径为2-15μm；碳化钨粉末的平均粒径为3-5μm。

进一步，所述步骤1)中，真空干燥的参数为：真空度为10^-1-10^-2Pa，干燥温度为80-100℃，干燥时间为4-5h。

进一步，所述步骤3)中，搅拌摩擦处理的参数为：搅拌头的旋转速度为600-1500r/min，搅拌头的移动速度为2-4mm/s。

进一步，所述步骤3)中，搅拌摩擦处理后的冷喷涂沉积体的平均晶粒尺寸为0.2-0.5μm。

进一步，所述增材制造方法还包括步骤4)：重复步骤2)和3)，直至获得所需厚度和形状的具有均匀超细晶结构的冷喷涂沉积体，完成超细晶材料的增材制造。

本发明的有益效果是：

(1)本发明所述增材制造方法具有操作简单、温度低、沉积效率以及致密度高等优点。

(2)制备的冷喷涂沉积体中，碳化钨颗粒均匀分布于铝镁合金颗粒之间的界面上。

(3)一方面，碳化钨颗粒的钉扎作用可以增强铝镁合金颗粒间的结合强度，从而提高材料的力学性能；另一方面，在后续的搅拌摩擦处理过程中，碳化钨颗粒作为第二硬质相可以增加铝镁合金颗粒的塑性变形程度，起到细化晶粒的作用，从而获得均匀超细晶结构。

(4)本发明采用冷喷涂工艺，能够实现复杂形状飞机用零部件的制备，适用于超细晶材料的工业化生产，解决了人们一直渴望解决但始终未能获得成功的技术难题。

具体实施方式

以下对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

碳化钨是一种由钨和碳组成的化合物，为黑色六方晶体，有金属光泽，硬度与金刚石相近，化学性质稳定。其熔点为2870℃，沸点为6000℃，不溶于水。其可以用作超硬刀具材料、耐磨材料，用于制造切削刀具，耐磨部件，铜、钴、铋等金属的熔炼坩埚，耐磨半导体薄膜等。

搅拌摩擦处理的基本原理是通过搅拌头的强烈搅拌作用使被加工材料发生剧烈塑性变形、混合、破碎，实现微观结构的致密化、均匀化和细化。其可以消除产品中的缩松、缩孔等缺陷，还可以细化晶粒，进而提高材料性能。

本发明所设计的一种超细晶材料的增材制造方法，包括以下步骤：

1)原材料的准备：将铝镁合金粉末与碳化钨粉末以体积比3-4:1混合均匀后，真空干燥得到冷喷涂粉末；其中，铝镁合金粉末的平均粒径为2-15μm；碳化钨粉末的平均粒径为3-5μm；真空干燥的参数为：真空度为10^-1-10^-2Pa，干燥温度为80-100℃，干燥时间为4-5h；

2)冷喷涂沉积成型：将冷喷涂粉末冷喷涂到基体或预先沉积体的表面，形成冷喷涂沉积体；其中，冷喷涂的参数为：气体压力为0.6-0.8MPa，气体加热温度为350-380℃，送粉速度为12-16g/min，喷涂移动速度为10mm/s，喷涂距离为25mm；

3)搅拌摩擦处理：通过搅拌摩擦机的搅拌头对冷喷涂沉积体进行搅拌摩擦处理：搅拌头高速旋转垂直压入冷喷涂沉积体内进行搅拌，搅拌头的旋转速度为600-1500r/min，搅拌头的移动速度为2-4mm/s，得到具有均匀超细晶结构的冷喷涂沉积体，其平均晶粒尺寸为0.2-0.5μm；

4)重复步骤2)和3)，直至获得所需厚度和形状的具有均匀超细晶结构的冷喷涂沉积体，完成超细晶材料的增材制造。

本发明所述增材制造方法是针对现有超细晶材料的制备方法在工业化生产上存在一些不足，例如无法实现复杂形状飞机用零部件的制备等问题做出的。发明人研究后发现，将铝镁合金粉末与碳化钨粉末以体积比3-4:1混合并真空干燥，作为冷喷涂原料，冷喷涂沉积成型后对沉积体进行搅拌摩擦处理，能够得到具有均匀超细晶结构的冷喷涂沉积体，实现了复杂形状飞机用零部件的制备。发明人通过大量试验后发现，冷喷涂的参数设计为：气体压力为0.6-0.8MPa，气体加热温度为350-380℃，送粉速度为12-16g/mi n，喷涂移动速度为10mm/s，喷涂距离为25mm时，沉积效率以及致密度高，且制得的冷喷涂沉积体的平均晶粒尺寸为0.2-0.5μm。基于试验结果，发明人设计了一种超细晶材料的增材制造方法。因此，发明人的设计解决了人们一直渴望解决但始终未能获得成功的技术难题：超细晶材料的增材制造方法无法实现复杂形状飞机用零部件的制备。

所述步骤2)中，本发明冷喷涂的气体压力采用0.6-0.8MPa，可以使用OPSC(俄罗斯)生产的型号为Dymet的低压冷喷涂设备。相对于高压冷喷涂的15个大气压以上的要求，低压冷喷涂设备基本无工况要求，噪音小于60分贝。它无高温、无火焰、无危险气体、无辐射和化学废料，可独手操作，安全性高，且定向性极好。在不使用模具的情况下喷涂面积可小于高压冷喷涂，即其可操作性性更好。

所述步骤2)中，冷喷涂过程中，冷喷涂粉末以超音速撞击，铝镁合金粉末颗粒在固态下发生剧烈塑性变形沉积成型；沉积过程中，硬度较高的碳化钨粉末颗粒镶嵌进入铝镁合金沉积体，从而形成复合材料的冷喷涂沉积体。

此外，采用冷喷涂还具有操作简单，喷涂致密性好，方便控制喷涂面积与厚度，喷涂效果好，喷涂温度低，有效避免喷涂过程中粒子的氧化及晶粒长大等优点。采用低压冷喷涂设备，具有噪音低、安全性高、可操作性以及定向性好等优点。

实施例1

一种超细晶材料的增材制造方法，包括以下步骤：

1)原材料的准备：将铝镁合金粉末与碳化钨粉末以体积比3.5:1混合均匀后，真空干燥得到冷喷涂粉末；其中，铝镁合金粉末的平均粒径为2μm；碳化钨粉末的平均粒径为5μm；真空干燥的参数为：真空度为10^-2Pa，干燥温度为90℃，干燥时间为4.5h；

2)冷喷涂沉积成型：将冷喷涂粉末冷喷涂到基体或预先沉积体的表面，形成冷喷涂沉积体；其中，冷喷涂的参数为：气体压力为0.6MPa，气体加热温度为350℃，气体为纯度＞99.9％的氦气，送粉速度为14g/min，喷涂移动速度为10mm/s，喷涂距离为25mm；

3)搅拌摩擦处理：通过搅拌摩擦机的搅拌头对冷喷涂沉积体进行搅拌摩擦处理：搅拌头高速旋转垂直压入冷喷涂沉积体内进行搅拌，搅拌头的旋转速度为600r/min，搅拌头的移动速度为2mm/s，得到具有均匀超细晶结构的冷喷涂沉积体，其平均晶粒尺寸为0.2-0.4μm；

4)重复步骤2)和3)，直至获得所需厚度和形状的具有均匀超细晶结构的冷喷涂沉积体，完成超细晶材料的增材制造。

实施例2

一种超细晶材料的增材制造方法，包括以下步骤：

1)原材料的准备：将铝镁合金粉末与碳化钨粉末以体积比3:1混合均匀后，真空干燥得到冷喷涂粉末；其中，铝镁合金粉末的平均粒径为8μm；碳化钨粉末的平均粒径为4μm；真空干燥的参数为：真空度为10^-1Pa，干燥温度为100℃，干燥时间为5h；

2)冷喷涂沉积成型：将冷喷涂粉末冷喷涂到基体或预先沉积体的表面，形成冷喷涂沉积体；其中，冷喷涂的参数为：气体压力为0.7MPa，气体加热温度为380℃，气体为压缩空气，送粉速度为12g/min，喷涂移动速度为10mm/s，喷涂距离为25mm；

3)搅拌摩擦处理：通过搅拌摩擦机的搅拌头对冷喷涂沉积体进行搅拌摩擦处理：搅拌头高速旋转垂直压入冷喷涂沉积体内进行搅拌，搅拌头的旋转速度为1100r/mi n，搅拌头的移动速度为3mm/s，得到具有均匀超细晶结构的冷喷涂沉积体，其平均晶粒尺寸为0.2-0.5μm；

4)重复步骤2)和3)，直至获得所需厚度和形状的具有均匀超细晶结构的冷喷涂沉积体，完成超细晶材料的增材制造。

实施例3

一种超细晶材料的增材制造方法，包括以下步骤：

1)原材料的准备：将铝镁合金粉末与碳化钨粉末以体积比4:1混合均匀后，真空干燥得到冷喷涂粉末；其中，铝镁合金粉末的平均粒径为15μm；碳化钨粉末的平均粒径为3μm；真空干燥的参数为：真空度为10^-2Pa，干燥温度为80℃，干燥时间为4h；

2)冷喷涂沉积成型：将冷喷涂粉末冷喷涂到基体或预先沉积体的表面，形成冷喷涂沉积体；其中，冷喷涂的参数为：气体压力为0.8MPa，气体加热温度为365℃，气体为纯度＞99.9％的氦气，送粉速度为16g/min，喷涂移动速度为10mm/s，喷涂距离为25mm；

3)搅拌摩擦处理：通过搅拌摩擦机的搅拌头对冷喷涂沉积体进行搅拌摩擦处理：搅拌头高速旋转垂直压入冷喷涂沉积体内进行搅拌，搅拌头的旋转速度为1500r/min，搅拌头的移动速度为4mm/s，得到具有均匀超细晶结构的冷喷涂沉积体，其平均晶粒尺寸为0.3-0.5μm；

4)重复步骤2)和3)，直至获得所需厚度和形状的具有均匀超细晶结构的冷喷涂沉积体，完成超细晶材料的增材制造。

本发明所述增材制造方法具有操作简单、温度低、沉积效率以及致密度高等优点。制备的冷喷涂沉积体中，碳化钨颗粒均匀分布于铝镁合金颗粒之间的界面上。一方面，碳化钨颗粒的钉扎作用可以增强铝镁合金颗粒间的结合强度，从而提高材料的力学性能；另一方面，在后续的搅拌摩擦处理过程中，碳化钨颗粒作为第二硬质相可以增加铝镁合金颗粒的塑性变形程度，起到细化晶粒的作用，从而获得均匀超细晶结构。本发明采用冷喷涂工艺，能够实现复杂形状飞机用零部件的制备，适用于超细晶材料的工业化生产。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种超细晶材料的增材制造方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)原材料的准备：将铝镁合金粉末与碳化钨粉末以体积比3-4:1混合均匀后，真空干燥得到冷喷涂粉末；

2)冷喷涂沉积成型：将冷喷涂粉末冷喷涂到基体或预先沉积体的表面，形成冷喷涂沉积体；其中，冷喷涂的参数为：气体压力为0.6-0.8MPa，气体加热温度为350-380℃，送粉速度为12-16g/min，喷涂移动速度为10mm/s，喷涂距离为25mm；

3)搅拌摩擦处理：通过搅拌摩擦机的搅拌头对冷喷涂沉积体进行搅拌摩擦处理，得到具有均匀超细晶结构的冷喷涂沉积体。

2.根据权利要求1所述的增材制造方法，其特征在于，所述步骤1)中，铝镁合金粉末的平均粒径为2-15μm；碳化钨粉末的平均粒径为3-5μm。

3.根据权利要求1所述的增材制造方法，其特征在于，所述步骤1)中，真空干燥的参数为：真空度为10^-1-10^-2Pa，干燥温度为80-100℃，干燥时间为4-5h。

4.根据权利要求1所述的增材制造方法，其特征在于，所述步骤3)中，搅拌摩擦处理的参数为：搅拌头的旋转速度为600-1500r/min，搅拌头的移动速度为2-4mm/s。

5.根据权利要求1所述的增材制造方法，其特征在于，所述步骤3)中，搅拌摩擦处理后的冷喷涂沉积体的平均晶粒尺寸为0.2-0.5μm。

6.根据权利要求1所述的增材制造方法，其特征在于，所述增材制造方法还包括步骤4)：重复步骤2)和3)，直至获得所需厚度和形状的具有均匀超细晶结构的冷喷涂沉积体，完成超细晶材料的增材制造。