基于水导激光的陶瓷增强金属基复合材料及其制备方法

1.本发明涉及增材制造技术领域，特别涉及一种基于水导激光的陶瓷增强金属基复合材料及其制备方法。


背景技术：

2.随着现今科技的发展，具有单一性能的材料难以满足现代工业及生产的要求，复合材料已经稳定出现在人们的视野当中，高性能复合材料的制备已经成为了一个重要话题。陶瓷增强金属基复合材料是一种新型复合材料，是以陶瓷颗粒作为增强相，通过工艺使其连续均匀分散到金属基体中成型的复合材料，其本身不仅具备金属的延展性和韧性，同时又表现出高的强度和刚度，被广泛应用于航空航天、汽车领域中高负载、高磨损、高温环境中，成为重要的产业材料。
3.目前常见的陶瓷增强金属基复合材料加工方法包括搅拌铸造法、粉末冶金法、挤压铸造法、喷射成型法等。但其或多或少都存在一定缺点，如搅拌铸造法容易造成陶瓷颗粒的沉积和团聚，引入气孔；挤压铸造法难以加工大尺寸零件等。近年来，增材制造技术的兴起，使得陶瓷增强金属基复合材料有了一个新的加工途径。增材制造能够满足复杂几何零件的自由成形，满足陶瓷增强金属基复合材料的加工需求。目前，通过增材制造加工零件的主要过程为：通过预先混合金属基粉末和陶瓷增强相颗粒，然后激光烧结成形。但在粉末混合的过程中，增强颗粒和金属基体之间的相容性、颗粒表面污染、表面化学处理过程、以及两种粉末能否充分混合，是否会造成颗粒沉积和团聚的现象，都是需要考虑的因素，这使得增材制造难以充分发挥增强相的优势。综上所述，现有的陶瓷增强金属基复合材料缺乏一种高效快速的加工方法。
4.而水导激光技术则是将高能激光束耦合进微细水射流，由水射流将激光引导至工件表面进行加工，水射流的冷却作用可以显著减小材料热影响区、热应力、微裂纹和物化形变，并显著降低加工表面的粗糙度，具有十分优良的性能。目前水导激光主要用于切割，罕有利用水导激光进行增材制造的报道。


技术实现要素：

5.针对于现有陶瓷增强金属基复合材料加工方法所存在的缺陷，本发明提供了一种基于水导激光技术的陶瓷增强金属基复合材料制备方法，通过将无机盐溶液与激光进行耦合，利用激光能量使无机盐溶液受热分解形成陶瓷相颗粒，进一步对局部进行烧结，得到所述的陶瓷增强金属基复合材料，最后对整体进行烧结得到所述的陶瓷增强金属基复合材料。将水导激光技术与陶瓷增强金属基复合材料加工方法进行结合，工艺简单高效，不会造成颗粒沉积和团聚，可充分发挥增强相的优势，且在复杂构件的成型方面具有很大的优势。
6.为了实现上述目的，本发明提供了一种基于水导激光的陶瓷增强金属基复合材料制备方法，包括，
7.s1、将第一激光通过耦合溶液腔形成溶液束光纤，所述溶液束光纤到达金属基半
成品的表面，随后溶液在金属基半成品表面原位分解形成陶瓷相颗粒；
8.s2、引入第二激光对陶瓷相颗粒所在区域进行局部烧结，使得陶瓷颗粒在该区域内弥散分布，随后进行热处理得到陶瓷增强金属基复合材料。
9.进一步地，步骤s1中形成溶液束光纤后还经过气液耦合腔，为溶液束光纤包裹环形气体束；采用环形气体束包裹在溶液束光纤外围，可增强加工区域的集束性，且可以有效避免加工区域形成积水，有效避免积水对水束的破坏，影响激光传输；
10.包裹有环形气体束的溶液束光纤到达金属基半成品的表面，随后溶液在金属基半成品表面原位分解形成陶瓷相颗粒。
11.进一步地，所述耦合溶液腔中的溶液为铝离子溶液、镁离子溶液或硅离子溶液中的至少一种。
12.进一步地，所述耦合溶液腔中的溶液的离子浓度为0.1～2mol/l。
13.无机盐溶液在配置时溶质是均匀溶解的，在经过激光全反射后受热也较均匀，而稳定的溶液导流可对析出的陶瓷颗粒有一个竖直方向的冲刷压应力，因此陶瓷相颗粒在金属基体分布较均匀，激光能量在溶液射流束截面内分布更加均匀，而不是高斯分布，在陶瓷颗粒与金属基反应的面内可得到更为平整的表面。相比目前陶瓷增强金属基复合材料制备方法中的粉末冶金、增材制造方式，避免了陶瓷颗粒的沉积和团聚，强化作用显著。通过在溶液中导入激光，可有效避免激光烧结时产生的不平整表面，溶液的冷却作用可以显著减少材料热影响区、热应力、微裂纹和物化形变；同时溶液的冲刷效应可以降低加工表面的粗糙度，获得更高质量的表面形貌或结构。
14.在本发明的实施方式中制备结束后，可以将耦合溶液腔中的溶液进行回收使用。
15.进一步地，所述第一激光的功率为1000w～1500w，在此功率下可满足分解析出的溶液层厚度在10～20μm。其中，第一激光由第一激光器提供，具有多路激光器，可调节激光束的数量，增强或减弱激光束在溶液中的耦合功率，对激光能量和无机盐析出效率均可调节。
16.进一步地，所述第二激光的功率为200～400w、扫描速度为200～800mm/s。
17.进一步地，所述金属基半成品由金属粉末进行激光烧结得到，激光的参数为。
18.进一步地，所述金属粉末为铝粉、镁粉、铜粉、铁粉、钛粉、镍粉、钴粉中的至少一种。
19.进一步地，所述热处理在1000～1500℃下进行烧结。该温度范围高于无机盐溶液的热分解温度，在该温度下保温可以保证残余无机盐的全部分解，并原位弥散分布于金属基体内部，起到进一步弥散强化的作用。
20.本发明也提供了一种陶瓷增强金属基复合材料，采用上述的方法制备得到。
21.相对于现有技术，本发明具有以下的有益效果：
22.本发明运用水导激光技术结合陶瓷增强金属基复合材料制备方法，不必考虑激光束的聚焦与离焦特征，溶液束光纤可在稳定长度上对复杂曲面和多层复合结构进行加工，因此可以对任意大尺寸及复杂几何零件进行成型，弥补了传统加工方法的缺陷；同时省去了陶瓷颗粒的制粉过程，降低了成本。
附图说明
23.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
24.图1示出了本发明实施例使用的装置的示意图；
25.图2示出了本发明实施例2的流程图。
具体实施方式
26.下面将结合本发明具体实施例和说明书附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
27.实施例中使用的装置可以参考现有的水导激光装置，例如cn113751900a公开的一种水导激光打孔系统及方法。实施例中的装置结构简化为图1，需要说明的是，装置不是本发明的改进方案。
28.实施例1
29.基于水导激光的陶瓷增强金属基复合材料的制备方法，步骤如下：
30.s1、配制0.5mol/l的al2(so4)3溶液并装入耦合溶液腔；铺设增材制造应用广泛的alcrcofeniti金属粉末通过激光烧结得到金属基半成品，激光功率为275w，激光扫描速度为760mm/s，激光填充间距h为0.12mm，每层打印层厚为40μm，最终得到长宽高为2cm
×
2cm
×
1mm的金属基半成品；设置第一激光器的功率为1000w，设置第二激光器的功率为300w、扫描速度为500mm/s；
31.s2、开启第一激光器和耦合溶液腔，第一激光器射出的第一激光通过耦合溶液腔内表面发生全反射形成溶液束光纤，所述溶液束光纤到达金属基半成品的表面，随后溶液在金属基半成品表面原位分解形成陶瓷相颗粒；
32.s3、开启第二激光器，引入第二激光对陶瓷相颗粒所在区域进行局部烧结，使得陶瓷颗粒在该区域内弥散分布；
33.s4、将步骤s3所得产品置于1200℃进行整体烧结，得到陶瓷增强金属基复合材料。
34.实施例2
35.如图2所示，基于水导激光的陶瓷增强金属基复合材料的制备方法，步骤如下：
36.s1、配制0.5mol/l的al2(so4)3溶液并装入耦合溶液腔；铺设增材制造应用广泛的alcrcofeniti金属粉末通过激光烧结得到金属基半成品，激光功率为275w，激光扫描速度为760mm/s，激光填充间距h为0.12mm，每层打印层厚为40μm，最终得到长宽高为2cm
×
2cm
×
1mm的金属基半成品；设置第一激光器的功率为1000w，设置第二激光器的功率为300w、扫描速度为500mm/s；
37.s2、开启第一激光器、耦合溶液腔和气液耦合腔，第一激光器射出的第一激光通过耦合溶液腔内表面发生全反射形成溶液束光纤，随后经过气液耦合腔形成包裹有环形气体束的溶液束光纤，所述包裹有环形气体束的溶液束光纤到达金属基半成品的表面，随后溶
液在金属基半成品表面原位分解形成陶瓷相颗粒；
38.s3、开启第二激光器，引入第二激光对陶瓷相颗粒所在区域进行局部烧结，使得陶瓷颗粒在该区域内弥散分布；
39.s4、将步骤s3所得产品置于1200℃进行整体烧结，得到陶瓷增强金属基复合材料。
40.对比例
41.陶瓷增强金属基复合材料的制备方法，
42.s1、配制0.5mol/l的al2(so4)3溶液；铺设增材制造应用广泛的alcrcofeniti金属粉末通过激光烧结得到金属基半成品，激光功率为275w，激光扫描速度为760mm/s，激光填充间距h为0.12mm，每层打印层厚为40μm，最终得到长宽高为2cm
×
2cm
×
1mm的金属基半成品；将0.5mol/l的al2(so4)3溶液涂覆在金属基半成品上，溶液的厚度为50μm；在温度300℃下将al2(so4)3溶液烘干，金属基半成品上形成陶瓷相颗粒；
43.s2、将步骤s2所得产品置于1200℃进行烧结，得到陶瓷增强金属基复合材料。
44.将实施例1、实施例2和对比例所制备的陶瓷增强金属基复合材料的外观进行观测发现，相比于对比例，实施例1和实施例2明显具有更小的表面粗糙度和更少的微裂纹，尤其是实施例2。这是因为稳定的溶液导流可对析出的陶瓷颗粒有一个竖直方向的冲刷压应力，因此陶瓷相颗粒在金属基体分布较均匀，避免了陶瓷颗粒的沉积和团聚，强化作用显著。实施例2相对于实施例1采用环形气体束包裹在溶液束光纤外围，增强加工区域的集束性，且可以有效避免加工区域形成积水，有效避免积水对水束的破坏，影响激光传输。
45.综上所述，本发明利用激光能量使无机盐溶液受热分解形成陶瓷相颗粒，进一步对局部进行烧结，得到所述的陶瓷增强金属基复合材料，最后对整体进行烧结得到所述的陶瓷增强金属基复合材料。将水导激光技术与陶瓷增强金属基复合材料加工方法进行结合，工艺简单高效，不会造成颗粒沉积和团聚，可充分发挥增强相的优势，且在复杂构件的成型方面具有很大的优势。
46.最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，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。

技术特征：
1.基于水导激光的陶瓷增强金属基复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤，s1、将第一激光通过耦合溶液腔形成溶液束光纤，所述溶液束光纤到达金属基半成品的表面，随后溶液在金属基半成品表面原位分解形成陶瓷相颗粒；s2、引入第二激光对陶瓷相颗粒所在区域进行局部烧结，使得陶瓷颗粒在该区域内弥散分布，随后进行热处理得到陶瓷增强金属基复合材料。2.根据权利要求1所述的基于水导激光的陶瓷增强金属基复合材料的制备方法，其特征在于，步骤s1中形成溶液束光纤后还经过气液耦合腔，为溶液束光纤包裹环形气体束；包裹有环形气体束的溶液束光纤到达金属基半成品的表面，随后溶液在金属基半成品表面原位分解形成陶瓷相颗粒。3.根据权利要求1所述的基于水导激光的陶瓷增强金属基复合材料的制备方法，其特征在于，所述耦合溶液腔中的溶液为铝离子溶液、镁离子溶液或硅离子溶液中的至少一种。4.根据权利要求3所述的基于水导激光的陶瓷增强金属基复合材料的制备方法，其特征在于，所述耦合溶液腔中的溶液的离子浓度为0.1～2mol/l。5.根据权利要求1所述的基于水导激光的陶瓷增强金属基复合材料的制备方法，其特征在于，所述第一激光的功率为1000w～1500w。6.根据权利要求1所述的基于水导激光的陶瓷增强金属基复合材料的制备方法，其特征在于，所述第二激光的功率为200～400w、扫描速度为200～800mm/s。7.根据权利要求1所述的基于水导激光的陶瓷增强金属基复合材料的制备方法，其特征在于，所述金属基半成品由金属粉末进行激光烧结得到。8.根据权利要求7所述的基于水导激光的陶瓷增强金属基复合材料的制备方法，其特征在于，所述金属粉末为铝粉、镁粉、铬粉、铜粉、铁粉、钛粉、镍粉、钴粉中的至少一种。9.根据权利要求1所述的基于水导激光的陶瓷增强金属基复合材料的制备方法，其特征在于，所述热处理在1000～1500℃下进行烧结。10.一种陶瓷增强金属基复合材料，其特征在于，采用权利要求1～9任一项所述的方法制备得到。

技术总结
本发明公开了一种基于水导激光的陶瓷增强金属基复合材料及其制备方法，所述方法包括，S1、将第一激光通过耦合溶液腔形成溶液束光纤，所述溶液束光纤到达金属基半成品的表面，随后溶液在金属基半成品表面原位分解形成陶瓷相颗粒；S2、引入第二激光对陶瓷相颗粒所在区域进行局部烧结，使得陶瓷颗粒在该区域内弥散分布，随后进行热处理得到陶瓷增强金属基复合材料。本发明运用水导激光技术结合陶瓷增强金属基复合材料制备方法，不必考虑激光束的聚焦与离焦特征，溶液束光纤可在稳定长度上对复杂曲面和多层复合结构进行加工，因此可以对任意大尺寸及复杂几何零件进行成型，弥补了传统加工方法的缺陷；同时省去了陶瓷颗粒的制粉过程，降低了成本。降低了成本。降低了成本。


技术研发人员：李登 涂翊翔 康勇 张旭 马彦昭 刘胜 张国庆
受保护的技术使用者：武汉大学
技术研发日：2023.06.20
技术公布日：2023/9/6