本發(fā)明涉及增材制造，具體為一種絲粉復(fù)合增材制造陶瓷增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料的工藝方法。

背景技術(shù)：

1、隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，增材制造技術(shù)發(fā)展迅速，現(xiàn)在已廣泛應(yīng)用于航空航天、軍工等工業(yè)領(lǐng)域。在激光定向能量沉積增材制造過程中，主要有送絲成型和送粉成型兩種方式。送絲成型優(yōu)勢在于材料可以接近100％利用，材料沉積重量精度高。但是，由于絲材的成型工藝導(dǎo)致，只有少數(shù)材料可以制成絲材，硬度特別高度的材料無法制成絲材。對于粉末材料來說，大部分的材料都是可以制備成為粉末的，并且可以根據(jù)實際使用需求設(shè)計粉末成分。

2、隨著增材制造技術(shù)的不斷發(fā)展，單一材料的增材制造已經(jīng)不能完全滿足航空航天領(lǐng)域?qū)α悴考氖褂靡?，多材料或者異質(zhì)材料的增材制造，在實際應(yīng)用中越來越廣泛。陶瓷顆粒與金屬基體進(jìn)行復(fù)合，充分利用金屬基體的韌性、增強(qiáng)相的強(qiáng)度，實現(xiàn)對材料的強(qiáng)韌化而發(fā)展起來的金屬基復(fù)合材料(mmcs)，具有高硬度，低熱膨脹系數(shù)，耐高溫、高耐磨性和耐腐蝕性等優(yōu)點(diǎn)，長期以來被認(rèn)為是未來航空航天及武器裝備的重要潛在結(jié)構(gòu)材料，在航空航天發(fā)動機(jī)耐熱部件中已被采用，效益顯著。金屬基復(fù)合材料塊體結(jié)構(gòu)傳統(tǒng)的制備方法如噴射沉積法、粉末冶金、機(jī)械合金化、熔鑄等。而基于表面強(qiáng)化的傳統(tǒng)制備途徑主要包括激光表面合金化、激光熔覆、超音速火焰噴涂(hvof)、等離子噴涂、等離子轉(zhuǎn)移弧(pta)焊接等。但傳統(tǒng)工藝限制了航空航天領(lǐng)域提升mmcs零部件設(shè)計靈活性與產(chǎn)品功能性的可能性。然而，送粉沉積激光增材制造技術(shù)具有原材料冶金系統(tǒng)易于改變的技術(shù)特點(diǎn)，采用該技術(shù)制造mmcs，可實現(xiàn)復(fù)雜零部件的多材料一體化制造。

3、但是現(xiàn)有增材制造技術(shù)中，若基體材料與陶瓷顆粒均采用送粉方式進(jìn)行沉積制造，在一定程度上限制了未利用粉末的回收再利用，且異種粉末同時送入熔池會由于物化性能的差異而產(chǎn)生冶金缺陷。同時，由于在大送粉量的情況下，送粉精度低，粉末利用率低。而且粉末利用率波動較大，送粉過程不穩(wěn)定。制造功能梯度材料時，主要有使用混粉法和多路送粉法，但是兩者都存在精度差的問題，無法在工程中實際應(yīng)用。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明技術(shù)方案針對現(xiàn)有技術(shù)解決方案過于單一的技術(shù)問題，提供了顯著不同于現(xiàn)有技術(shù)的解決方案，具體地本發(fā)明的目的在于提供一種絲粉復(fù)合增材制造陶瓷增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料的工藝方法，以解決上述背景技術(shù)提出的問題。

2、為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案：一種絲粉復(fù)合增材制造陶瓷增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料的工藝方法，包括如下步驟：

3、步驟1：首先保證陶瓷顆粒粉末在送粉管內(nèi)可以送粉通暢，且鈦合金絲材通過拉直機(jī)構(gòu)在送絲導(dǎo)管內(nèi)可以送絲通暢，用砂紙及旋轉(zhuǎn)銼打磨去除鈦合金基板表面的氧化皮及油污，使鈦合金表面露出新鮮的白亮色金屬光澤，并使用酒精與丙酮去除表面油污后放入惰性氣體氛圍艙體內(nèi)，且放置在移動架上通過驅(qū)動機(jī)構(gòu)使鈦合金基板橫向往復(fù)移動，并向惰性氣體氛圍艙體內(nèi)充入惰性氣體，保證艙體內(nèi)氧含量低于100ppm；

4、步驟2：將高頻線圈加熱裝置移動至鈦合金基板表面高度，并開啟加熱，溫度應(yīng)在200℃～600℃，加熱裝置伴隨增材制造生長方向逐層提升高度；

5、步驟3：開始絲-粉復(fù)合增材制造，同時開啟送粉系統(tǒng)與送絲系統(tǒng)，通過絲粉復(fù)合激光加工頭使陶瓷顆粒粉末以及鈦合金絲材沿同軸方向送入環(huán)形激光束產(chǎn)生的熔池內(nèi)；

6、步驟4：按照預(yù)先設(shè)定好的陶瓷顆粒粉末含量逐層增材制造鈦基復(fù)合材料，達(dá)到預(yù)設(shè)高度后結(jié)束增材制造，增材制造結(jié)束后，通過線圈控制零件緩慢冷卻，零件冷卻速度，低于100℃/小時，冷卻至100℃以下時結(jié)束增材制造。

7、優(yōu)選的，所述鈦合金絲材為tc4絲材，且直徑為1.2mm，所述陶瓷顆粒粉末為wc陶瓷粉末，且其粒徑范圍應(yīng)為50～100μm。

8、優(yōu)選的，所述拉直機(jī)構(gòu)包括有固定連接在送絲導(dǎo)管頂端的矩形框架，所述矩形框架的底部開設(shè)有與送絲導(dǎo)管頂部匹配的送絲孔，所述矩形框架的內(nèi)壁對稱轉(zhuǎn)動連接有兩組第一轉(zhuǎn)軸，所述矩形框架的外壁固定安裝有電機(jī)，所述電機(jī)的輸出端與一組所述第一轉(zhuǎn)軸的一端固定連接，兩組所述第一轉(zhuǎn)軸的外壁均固定設(shè)置有傳動輥，且兩組所述第一轉(zhuǎn)軸的外壁設(shè)置有相互嚙合的兩組齒輪，一組所述第一轉(zhuǎn)軸的外壁固定設(shè)置有第一錐形齒輪，所述惰性氣體氛圍艙體的上端內(nèi)壁轉(zhuǎn)動連接有第二轉(zhuǎn)軸，所述第二轉(zhuǎn)軸的一端延伸至矩形框架內(nèi)部固定連接有第二錐形齒輪，且第二轉(zhuǎn)軸與矩形框架轉(zhuǎn)動連接，并且第一錐形齒輪與第二錐形齒輪嚙合，所述惰性氣體氛圍艙體的底部設(shè)置有使鈦合金基板橫向往復(fù)移動的驅(qū)動機(jī)構(gòu)。

9、優(yōu)選的，所述驅(qū)動機(jī)構(gòu)包括有與惰性氣體氛圍艙體下端內(nèi)壁轉(zhuǎn)動連接的往復(fù)絲桿，所述往復(fù)絲桿的外壁套設(shè)有與其螺紋配合的移動架，所述惰性氣體氛圍艙體的底部設(shè)置有與移動架底部滑動配合的限位槽，所述第二轉(zhuǎn)軸的外壁固定設(shè)置有第一連接軸，所述往復(fù)絲桿的一端外壁固定設(shè)置有第二連接軸，所述第一連接軸與第二連接軸的外壁套設(shè)有帶體。

10、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：

11、(1)本發(fā)明基于激光增材制造技術(shù)，采用與激光同軸的絲材與粉末輸送裝置實現(xiàn)高耐磨性鈦合金的增材制造，絲粉復(fù)合激光增材制造技術(shù)可以同時發(fā)揮激光熔絲增材制造技術(shù)沉積效率高與原材料利用率高的技術(shù)優(yōu)勢，以及送粉激光增材制造技術(shù)原材料冶金系統(tǒng)易于調(diào)控的技術(shù)特點(diǎn)，最終形成低成本、高效率以及高冶金靈活性的增材制造技術(shù)；

12、(2)本發(fā)明基于絲粉復(fù)合激光增材制造技術(shù)，以鈦合金絲材與陶瓷顆粒為粉末為原材料增材制造鈦基復(fù)合材料，其中鈦合金絲材為基體材料，陶瓷顆粒為增強(qiáng)材料，通過熔池內(nèi)原位自生反應(yīng)生成增強(qiáng)相，進(jìn)而提升鈦合金基體的摩擦磨損性能；

13、(3)本發(fā)明基于絲粉同步激光增材制造技術(shù)，采用與激光同軸的粉末、絲材供應(yīng)系統(tǒng)實現(xiàn)具有高摩擦磨損性能的鈦基復(fù)合材料的制造，其關(guān)鍵技術(shù)在于可實現(xiàn)碳化物、氧化物、氮化物以及硼化物等多種陶瓷顆粒對鈦合金進(jìn)行原位強(qiáng)化，并且粉末添加量可通過送粉系統(tǒng)實現(xiàn)在線調(diào)控，進(jìn)而實現(xiàn)根據(jù)零部件實際服役情況需求，對關(guān)鍵結(jié)構(gòu)位置進(jìn)行摩擦磨損性能改善；

14、(4)本發(fā)明在送絲過程中，通過電機(jī)驅(qū)動一組第一轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動，由于兩組第一轉(zhuǎn)軸外壁的齒輪嚙合，兩組第一轉(zhuǎn)軸相反轉(zhuǎn)動，可將鈦合金絲材拉直并輸送至送絲導(dǎo)管內(nèi)送出，使得送絲導(dǎo)管送絲通暢，同時第一轉(zhuǎn)軸帶動第一錐形齒輪轉(zhuǎn)動，使得第二錐形齒輪帶動第二轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動，由于第一連接軸、第二連接軸和帶體配合使用，使往復(fù)絲桿同步轉(zhuǎn)動，可帶動移動架橫向往復(fù)移動，進(jìn)而使放置在移動架上的鈦合金基板橫向往復(fù)移動，從而使鈦合金基板表面增材制造較均勻。

技術(shù)特征：

1.一種絲粉復(fù)合增材制造陶瓷增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料的工藝方法，其特征在于，包括如下步驟：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種絲粉復(fù)合增材制造陶瓷增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料的工藝方法，其特征在于：所述鈦合金絲材(6)為tc4絲材，且直徑為1.2mm，所述陶瓷顆粒粉末(4)為wc陶瓷粉末，且其粒徑范圍應(yīng)為50～100μm。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種絲粉復(fù)合增材制造陶瓷增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料的工藝方法，其特征在于：所述拉直機(jī)構(gòu)包括有固定連接在送絲導(dǎo)管(7)頂端的矩形框架(701)，所述矩形框架(701)的底部開設(shè)有與送絲導(dǎo)管(7)頂部匹配的送絲孔，所述矩形框架(701)的內(nèi)壁對稱轉(zhuǎn)動連接有兩組第一轉(zhuǎn)軸(702)，所述矩形框架(701)的外壁固定安裝有電機(jī)(703)，所述電機(jī)(703)的輸出端與一組所述第一轉(zhuǎn)軸(702)的一端固定連接，兩組所述第一轉(zhuǎn)軸(702)的外壁均固定設(shè)置有傳動輥(704)，且兩組所述第一轉(zhuǎn)軸(702)的外壁設(shè)置有相互嚙合的兩組齒輪(705)，一組所述第一轉(zhuǎn)軸(702)的外壁固定設(shè)置有第一錐形齒輪(706)，所述惰性氣體氛圍艙體(10)的上端內(nèi)壁轉(zhuǎn)動連接有第二轉(zhuǎn)軸(707)，所述第二轉(zhuǎn)軸(707)的一端延伸至矩形框架(701)內(nèi)部固定連接有第二錐形齒輪(708)，且第二轉(zhuǎn)軸(707)與矩形框架(701)轉(zhuǎn)動連接，并且第一錐形齒輪(706)與第二錐形齒輪(708)嚙合，所述惰性氣體氛圍艙體(10)的底部設(shè)置有使鈦合金基板(1)橫向往復(fù)移動的驅(qū)動機(jī)構(gòu)。

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種絲粉復(fù)合增材制造陶瓷增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料的工藝方法，其特征在于：所述驅(qū)動機(jī)構(gòu)包括有與惰性氣體氛圍艙體(10)下端內(nèi)壁轉(zhuǎn)動連接的往復(fù)絲桿(709)，所述往復(fù)絲桿(709)的外壁套設(shè)有與其螺紋配合的移動架(710)，所述惰性氣體氛圍艙體(10)的底部設(shè)置有與移動架(710)底部滑動配合的限位槽，所述第二轉(zhuǎn)軸(707)的外壁固定設(shè)置有第一連接軸(711)，所述往復(fù)絲桿(709)的一端外壁固定設(shè)置有第二連接軸(712)，所述第一連接軸(711)與第二連接軸(712)的外壁套設(shè)有帶體(713)。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了一種絲粉復(fù)合增材制造陶瓷增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料的工藝方法，包括如下步驟：步驟1：首先保證陶瓷顆粒粉末在送粉管內(nèi)可以送粉通暢，且鈦合金絲材通過拉直機(jī)構(gòu)在送絲導(dǎo)管內(nèi)可以送絲通暢，用砂紙及旋轉(zhuǎn)銼打磨去除鈦合金基板表面的氧化皮及油污，使鈦合金表面露出新鮮的白亮色金屬光澤，并使用酒精與丙酮去除表面油污后放入惰性氣體氛圍艙體內(nèi)，本發(fā)明通過絲?粉復(fù)合增材制造技術(shù)來實現(xiàn)陶瓷增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料的增材制造，充分發(fā)揮送粉增材制造的原材料冶金系統(tǒng)可在線調(diào)控的技術(shù)優(yōu)勢，以及送絲增材制造高原材料利用率與高沉積效率的技術(shù)特點(diǎn)，實現(xiàn)低成本、高效率以及高靈活度的陶瓷增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料增材制造。

技術(shù)研發(fā)人員：劉祥宇,邢飛,王辰陽
受保護(hù)的技術(shù)使用者：沈陽工業(yè)大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/2