一種金屬間化合物及其製備方法及設備與流程
2023-06-18 22:17:56 1
本發明涉及金屬加工領域，具體的說，是涉及一種金屬間化合物及其製備方法及設備。
背景技術：
室溫脆性大和成形工藝差是金屬間化合物推廣應用的主要障礙。國內外廣泛採用疊層或纖維增韌金屬間化合物材料以克服其脆性。疊層材料是將兩種不同材料按一定的層間距及層厚比交互重疊形成的超細層狀結構材料，因其獨特微結構特點，具有更優異的高溫韌性和抗蠕變能力、低溫時斷裂強度、斷裂韌性、抗氧化能力等。金屬疊層增韌金屬間化合物依靠耐高溫金屬間化合物提供高溫強度和蠕變抗力，而利用金屬疊層作韌化元素，以克服金屬間化合物脆性這一缺點。目前，金屬疊層增韌金屬間化合物的主要製備方法：(一)自蔓延高溫合成――該方法工藝過程是先將金屬箔片或粉末按一定的方式交替層疊,在真空條件下加熱到一定溫度後，施加一定的壓力進行反應，一定時間後，再在一定的溫度和壓力下進行擴散退火。該法的優點是工藝簡單、生產效率高，缺點是難於合成高緻密度的產品。(二)軋制擴散――其工藝流程是:將表面清潔處理後的箔片交替層疊,放在壓力機上在一定的溫度下進行軋制複合，達到一定的變形量後，把試樣放入真空爐中，在特定的溫度下進行擴散處理。該方法的優點是設備成本低廉，工藝簡單易行，缺點是只能用來製備金屬/金屬微疊層材料，且層間距、層厚比難以控制。(三)薄膜沉積法――包括電子束物理氣相沉積(EBPVD)、脈衝雷射熔融沉積、磁控濺射法等。該方法流程是利用電子束、雷射、等離子體等蒸發固體靶材表面，使蒸發物在基體上沉積。該方法簡單易行，尤其適合製備那些難熔的物質；缺點是工藝參數難於控制，影響物質的沉積過程和沉積質量。(四)雷射粉末熔覆法――雷射熔覆成形法是利用雙筒送粉器裝載兩種混合粉末，一種為金屬粉末，另一種為金屬間化合物粉末。其缺點難以控制金屬疊層增韌金屬間化合物的化學成分、粉末一次利用率較低、粉末混合粉末致使粉末難以再次回收利用，造成極大浪費。現有疊層或陶瓷纖維增韌金屬間化合物材料的技術不足主要包括：金屬間化合物的化學成分難以控制、性能設計及實現可行性較差、難以製造複雜異型結構件，而且成形精度低。目前，國內外採用碳纖維或碳化矽纖維通過粉末冶金方法或鑄造方法等增韌金屬間化合物，但效果均不理想，尚未見金屬纖維增韌金屬間化合物的相關報導。
技術實現要素：
為解決金屬間化合物的室溫脆性大和成形工藝差等工程應用的瓶頸問題，本發明的一個目的在於提供一種金屬間化合物增韌方法。本發明有效解決雷射粉末熔覆法中金屬粉末和金屬間化合物粉末混合、材料利用率低、性能設計及其實現可行性差、難以製備複雜異形結構件且成形精度低等制約工程應用的問題，推進金屬間化合物在高溫結構件上的應用推廣。本發明另一個目的在於提供所述方法製備的增韌的金屬間化合物；本發明又一個目的在於提供一種金屬間化合物增韌用設備。為達上述目的，本發明提供了一種金屬間化合物增韌方法，其中，所述方法包括以金屬間化合物粉末和增韌用金屬絲為原料，通過將金屬間化合物粉末和金屬絲在基體上交替逐層鋪覆並熔融來製備增韌的金屬間化合物。根據本發明一些具體實施方案，其中，所述金屬絲直徑為0.01-2mm。根據本發明一些具體實施方案，其中，每層鋪覆的金屬間化合物粉末厚度為3mm。根據本發明一些具體實施方案，其中，將金屬間化合物粉末和金屬絲在基體上交替逐層鋪覆並熔融具體包括：在基體上鋪覆金屬間化合物粉末，通過單模雷射將鋪覆的金屬間化合物粉末熔化，在熔化後固化形成的金屬間化合物沉積層上，按照預先設計的結構，採用雷射熔化金屬絲，並沉積到金屬間化合物沉積層上；然後再重複前面所述步驟來逐層鋪覆金屬間化合物粉末和金屬絲。也就是說，所述方法包括按照鋪覆金屬間化合物粉末、熔融金屬間化合物粉末、鋪覆金屬絲、熔融金屬絲的順序，並反覆循環來製備增韌的金屬間化合物。根據本發明一些具體實施方案，其中，是在惰性氣體環境中將金屬間化合物粉末和金屬絲交替逐層鋪覆並熔融來製備增韌的金屬間化合物，其中優選惰性氣體環境中含氧量小於100ppm。根據本發明一些具體實施方案，其中，在將金屬間化合物粉末和金屬絲交替逐層鋪覆並熔化來製備增韌的金屬間化合物時，環境壓力為0.1-30mBar。根據本發明一些具體實施方案，其中，在將金屬間化合物粉末和金屬絲交替逐層鋪覆並熔化來製備增韌的金屬間化合物前，先將基體預熱至不低於300-1100℃。根據本發明一些具體實施方案，其中，金屬絲可以按照任意形狀鋪設，譬如可以為若干平行直線，甚至可以為平行的曲線，還可以為一根金屬線迴轉鋪設為S型，譬如是首尾銜接的平行線，甚至可以是螺旋曲線，或者是井字格。根據本發明一些具體實施方案，其中，相鄰的鋪覆的金屬絲間隔為金屬絲直徑的2-5倍(尤其是鋪設為平行直線時)。所述金屬間化合物可以為本領域常規的金屬間化合物，所述金屬絲可以為本領域常規的增韌用金屬絲，為了進一步提高所得到的增韌的金屬間化合物性能，優選所選金屬絲的材料與增韌金屬間化合物具有相溶性，且不易產生脆性相。而根據本發明一些具體實施方案，其中，所述金屬間化合物為TiAl或Ti2AlNb；所述金屬絲為鈮絲、鎢絲或鉬絲。根據本發明一些具體實施方案，其中，所述方法還包括先按照所要製備的增韌的金屬間化合物中的金屬絲和金屬間化合物的結構建計算機3D模型，再以此控制設備將金屬間化合物粉末和金屬絲進行交替逐層鋪覆。本發明提出金屬纖維增韌金屬間化合物概念及其基於粉末床的絲材/粉末精密增材製備方法，結構金屬纖維增韌金屬間化合物的構建需求，利用直徑為0.01～2mm的金屬絲材，使用多軸聯動機器人輔助熔絲的粉末床增材製造系統，在惰性氣體工作室內，逐層在每層內離散式熔化金屬絲材編制金屬纖維，實現「金屬纖維」增韌金屬間化合物。另一方面，本發明還提供了上述方法製備得到的增韌的金屬間化合物。又一方面，本發明還提供了一種金屬間化合物增韌用設備，所述設備包括用於控制的工控機1、用於回收金屬間化合物粉末的回收粉缸2、鋪覆金屬間化合物粉末和金屬絲的成型平臺3、提供金屬間化合物粉末的供粉缸4、供應金屬絲的送絲機5、送絲機噴嘴6、多軸聯動臂7、雷射發生器8和雷射掃描振鏡9；其中，所述回收粉缸、成型平臺和供粉缸順序並列設置，以使得金屬間化合物粉末可以由供粉缸中被送入成型平臺，並將多餘的金屬間化合物粉末由成型平臺送入回收粉缸，其中至少成型平臺和供粉缸可以控制升降；所述雷射掃描振鏡與送絲機噴嘴固定在多軸聯動臂上，使得在鋪覆金屬間化合物粉末後，多軸聯動臂帶動雷射掃描振鏡按照預設線路移動熔化金屬間化合物粉末，並帶動送絲機噴嘴按照預設線路移動在金屬間化合物層上鋪覆金屬絲；所述雷射掃描振鏡設置在送絲機噴嘴垂直正上方，使得雷射掃描振鏡能夠將與金屬間化合物層接觸的金屬絲熔化。根據本發明一些具體實施方案，其中，所述製備還包括惰性氣體室10，所述回收粉缸2、成型平臺3、供粉缸4、送絲機5、送絲機噴嘴6、多軸聯動臂7和雷射掃描振鏡9設置在惰性氣體室內，並和外界空氣隔離；優選所述設備還包括與惰性氣體室連通的氣氛控制及除塵系統11。根據本發明一些具體實施方案，其中，所述設備還包括用於雷射發生器降溫的水冷系統12。其中本發明可以更具體為：利用直徑為0.01～2mm高熔點高塑形金屬絲材(如鈮絲、鎢絲、鉬絲等)和金屬間化合物粉末(如γ-TiAl,Ti2AlNb等)作為原始材料，有供粉缸4、成型平臺3和回收粉缸2，送絲機5的熔絲加工裝置固定於多軸聯動臂(多軸聯動機器人)7，通過送絲機5和供粉缸4進行添材；利用附帶外軸的多軸聯動臂7作為驅動；雷射掃描振鏡9和送絲機噴嘴6通過連接法蘭固定到多軸聯動臂7；雷射發生器(光纖雷射器)8、多軸聯動臂7、送絲機5、供粉缸4、成型缸3和回收粉缸2、雷射掃描振鏡9、水冷系統12、惰性氣體室10、氣氛控制及除塵系統11等均集成於工控機1；供粉缸4、成型平臺3和回收粉缸2、送絲機5、多軸聯動臂7、雷射掃描振鏡9等放置於惰性氣體室10；當製備金屬絲時，開啟水冷系統12、氣氛控制及除塵系統11、送絲機5、雷射發生器8、成型平臺3、雷射掃描振鏡9等；當製備金屬間化合物層時，開啟供粉缸4、成型平臺3、雷射發生器8和雷射掃描振鏡9等；使用多軸聯動臂7輔助熔絲的粉末床增材製造系統，在惰性氣體工作室內，逐層在每內層內離散式熔化金屬絲材以編制金屬纖維，實現「金屬纖維」增韌金屬間化合物及其複雜構件沉積，製備結束後，對金屬間化合物粉末進行回收，過篩後可重複利用。本發明為研製解決低室溫塑形的金屬間化合物材料增韌問題提供一種新思路，打開了金屬纖維增韌金屬間化合物的性能設計受傳統製造的束縛枷鎖，可保證金屬纖維增韌金屬間化合物的內部質量，提高材料利用率，大幅降低金屬纖維增韌金屬間化合物研製成本。綜上所述，本發明提供了一種增韌的金屬間化合物及其製備方法及設備。本發明的方法具有如下優點：1>提出「金屬纖維」增韌金屬間化合物概念和基於粉末床的絲材/粉末增材製備方法，逐層在每內層內離散式熔化金屬絲材以編制金屬纖維，任意設計金屬「纖維」，可直接沉積製備「金屬纖維」增韌金屬間化合物材料及其複雜異型構件；2>針對雷射粉末熔覆法製備金屬疊層增韌金屬間化合物，本發明提高了材料利用率/大幅拓展金屬纖維增韌金屬間化合物的性能可設計性及可實現性，可確保金屬間化合物複雜異型構件的低成本/快速響應可製造性。3>本發明的「金屬纖維」增韌金屬間化合物概念和基於粉末床的絲材/粉末增材製備方法，可拓展應用於其他低塑形的陶瓷、高性能尼龍等材料性能調控和複雜構件研製。附圖說明圖1為本發明實施例1的設備示意圖；圖2為實施例1製備的增韌的金屬間化合物放大示意圖，其中各標號表示為：21.金屬纖維；22.金屬間化合物層；23.基體；圖3為實施例1製備的增韌的金屬間化合物放大的立體示意圖；圖4、圖5為實施例1製備的增韌的金屬間化合物局部晶相圖。具體實施方式以下通過具體實施例詳細說明本發明的實施過程和產生的有益效果，旨在幫助閱讀者更好地理解本發明的實質和特點，不作為對本案可實施範圍的限定。實施例1下面結合附圖1和實施例對本發明作進一步說明。製備方法：首先把γ-TiAl金屬間化合物粉末裝入供粉缸4，把直徑為0.01金屬Nb(或Mo等耐熔金屬)絲材裝入送絲機5並傳送到送絲機噴嘴6；固定基體23到成型平臺3，通過加工頭/機械手固定連接法蘭把雷射掃描振鏡9連接到多軸聯動臂7；向惰性氣體室10充入氬氣。然後，通過工控機1啟動成型平臺3、水冷系統12、氣氛控制及除塵系統11、送絲機5、雷射發生器8、雷射掃描振鏡9、多軸聯動臂7等；製備之前工作條件要求：惰性氣體室10中含氧量小於100ppm，其室內壓力0.1～30mBar；基體23預熱溫度不低於300℃，沉積過程中該環境條件保持，成形完後，隨爐冷卻到室溫。為編制「金屬纖維」，首先在3D模型內預設「金屬纖維」，其直徑0.03～1.5mm，3D模型的其餘部分為金屬間化合物，然後對該3D模型分層切片，並對每層內金屬纖維和金屬間化合物部分分別標註提取出來，然後根據設定每層內金屬纖維和金屬間化合物的各自截面幾何形狀，根據絲材直徑0.01mm和粉末層厚為0.03mm的工藝參數，預設熔絲和粉末熔化的填充掃描路徑。最後，根據CAD程序設置，在基體23表面逐層製備金屬纖維21和金屬間化合物層22。通過送絲機5、送絲機噴嘴6、雷射掃描振鏡9和多軸聯動臂7，在每一層內，按照預先規劃的掃描路徑(如圖2所示)，利用直徑為0.01mmNb絲沉積層高度最高不超過0.03mm，然後成型平臺3下降0.03mm，通過供粉缸4鋪一層0.03mm厚γ-TiAl金屬間化合物粉末，然後通過雷射掃描振鏡9按照預先設定的掃描路徑，熔化γ-TiAl金屬間化合物粉末得到沉積層，沉積層高度最高不超過0.03mm；然後在熔化的γ-TiAl金屬間化合物沉積層上，按照預先規劃的掃描路徑(如圖2所示)，利用直徑為0.01mmNb絲在沉積層上鋪設金屬絲，鋪設的金屬絲為相互平行的直線，間距為金屬絲直徑的3倍。當金屬絲與沉積層接觸時，金屬絲被雷射掃描振鏡9發出的雷射燒熔，並凝固形成金屬纖維；循環上述熔絲-鋪粉-熔化粉末-熔絲製備過程，可制定不同規格的Nb「金屬纖維」增韌γ-TiAl金屬間化合物。由於製備過程在惰性氣體工作室13中，金屬間化合物粉末不受空氣汙染，可回收重複利用。該方法可製備較高塑性的金屬增韌TiAl金屬間化合物；打開了金屬纖維增韌金屬間化合物的性能設計受傳統製造的束縛枷鎖，可保證金屬纖維增韌金屬間化合物的內部質量，提高材料利用率，大幅降低金屬纖維增韌金屬間化合物研製成本。初步試驗結果表明其塑性由原來的0.5％提高到4％以上。圖2、圖3為製備金屬「纖維」增韌TiAl金屬間化合物示意圖。圖4、圖5為製備的金屬「纖維」增韌TiAl金屬間化合物局部晶相圖。