一种非晶合金复合材料的激光3D打印方法与流程

本发明涉及非晶合金复合材料成形技术领域，具体涉及一种利用激光3d打印技术制备非晶合金复合材料构件的方法。

背景技术：

非晶态金属集众多优异性能于一身，如高强度、高硬度、耐磨以及耐腐蚀等。这些优异的性能使其在航空航天、汽车船舶、装甲防护、精密仪器、电力、能源、电子、生物医学等领域都存在广泛的应用前景。然而，目前通常采用的铜模铸造法制备出的非晶态金属的尺寸仅为厘米级，严重地制约其工程化应用。另外，由于非晶态金属存在严重的室温脆性问题，其在室温下难以进行机械加工，所以难以获得精密复杂的非晶态金属构件。因此，颠覆传统以铸造为主的制造工艺，从而无尺寸限制地制备具有复杂形状的非晶态金属构件，是突破非晶态金属工程化应用瓶颈的关键。

激光3d打印技术属于快速成形技术的一种，与传统的切削等机械加工技术不同，该技术是一种以数字模型文件为基础的先进制造技术，其具有选材范围广、材料利用率高、低成本、精度高、周期短等优势。由于激光3d打印技术是一种逐点离散熔覆沉积的成型方法，其每点所受激光加热面积较小，熔池的热量可以迅速向基体扩散；如果熔池的冷却速率高于所打印金属材料形成非晶态所需的临界冷却速率，则熔体在冷凝的过程中不发生晶化，即获得非晶态；逐层沉积则可制备具有复杂形状、无尺寸限制的非晶态金属构件。然而，在实际3d打印非晶合金过程中人们发现，所成型的非晶合金不是完全非晶态，即包含非晶相和晶化相。这种包含非晶相和晶化相的金属材料被称为非晶合金复合材料。另外，现有的利用激光3d打印技术成型的非晶合金复合材料都存在明显的裂纹。裂纹的存在严重地降低了非晶合金复合材料的优异力学性能，因此，如何抑制裂纹，是采用激光3d打印技术成型非晶合金复合材料构件的关键。

技术实现要素：

根据上述提出的技术问题，而提供一种非晶合金复合材料的激光3d打印方法。本发明采用的技术手段如下：

一种非晶合金复合材料的激光3d打印方法，其特征在于，将粒径为20～150μm的非晶合金复合材料合金粉末，在激光功率100～600w，扫描速度500～1200mm/min，激光光斑直径0.5～4mm，搭接率为15～50％，打印层厚0.5～2mm，打印环境氧浓度低于50ppm，基板预热温度0～300℃的条件下，利用同轴送粉3d打印方法逐层成型非晶合金复合材料构件；

将得到的非晶合金复合材料构件在惰性气体保护和温度300～600℃下退火，时间2～12h。

所述非晶合金复合材料合金粉末成分由zr，ti，nb，cu，al，be组成，其中各元素的原子百分比为：zr：40～45％，ti：34～38％，nb：8～11％，cu：7～10％，al：0～5％，be：2～11％。

所述基板预热通过支撑基板的导热铜板的传热实现，所述导热铜板内部接通温度为0～300℃的循环流动液体或布置加热电阻丝。

所述基板的厚度为5～60mm，材质为45号钢或tc4钛合金。

利用导热硅胶将所述基板紧密粘贴到所述导热铜板上。

本发明的优点是克服水淬法和铜模铸造法成型非晶合金复合材料尺寸较小和形状简单的缺点，解决了非晶合金复合材料难以机械加工的难题，且具有节省原料，效率高等优点。

基于上述理由本发明可在非晶合金复合材料成形等领域广泛推广。

附图说明

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做以简单地介绍，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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明的具体实施方式中非晶合金复合材料构件的微观形貌图。

图2是本发明的具体实施方式中非晶合金复合材料构件的室温拉伸力学曲线。

图3是本发明的具体实施方式中一种非晶合金复合材料的激光3d打印方法所用装置的示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，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。

一种非晶合金复合材料的激光3d打印方法所用装置的示意图如图3所示。

图中：1、真空手套箱，2、激光熔覆头，3、激光束，4、非晶合金复合材料合金粉末，5、非晶合金复合材料构件，6、基板，7、导热硅胶，8、导热铜板，9、加热液体导管，10、工作台，11、激光器，12、光纤，13、送粉器14、送粉桶，15、送粉管。

将粒径为20～50μm的非晶合金复合材料合金粉末4，放置到同轴送粉激光3d打印送粉器13的送粉桶14内。

所述非晶合金复合材料合金粉末成分由zr，ti，nb，cu，al，be组成，其中各元素的原子百分比为：zr：40％，ti：34％，nb：8％，cu：7％，al：0％，be：11％。；

所述基板6的厚度为20mm，材质为tc4钛合金。

利用导热硅胶7将基板6紧密粘贴到导热铜板8上。

导热铜板8内部接通温度为室温的循环流动水。

利用计算机构建三维实体模型，设置沿z向生成每层厚度为1mm的层状模型以及各层扫描路径程序。

激光3d打印的工艺参数：激光功率200w，扫描速度1000mm/min，激光光斑直径4mm，搭接率30％，打印环境氧浓度低于50ppm。

启动打印程序，激光束3按照预置的扫描路径完成第一层截面图形打印，激光打印头上升1mm，开始第二层截面图形打印，上述过程循环进行，最终得到非晶合金复合材料构件5。

将得到的非晶合金复合材料构件5移到加热炉中，炉内有n2气体保护，温度200℃，退火处理时间2h，完成非晶合金复合材料构件5的制备。

图1中颜色较亮的区域为晶体相，颜色较暗的区域为非晶相。由此图可见，非晶合金复合材料构件5组织结构致密，没有明显的裂纹等缺陷。该非晶合金复合材料构件5的室温拉伸力学曲线如图2所示，可见，非晶合金复合材料构件5力学性能适配，具有较高的强度，同时兼具较好的拉伸塑性。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

技术特征：

技术总结
本发明公开了一种非晶合金复合材料的激光3D打印方法，将粒径为20～150μm的非晶合金复合材料合金粉末，在激光功率100～600W，扫描速度500～1200mm/min，激光光斑直径0.5～4mm，搭接率为15～50％，打印层厚0.5～2mm，打印环境氧浓度低于50ppm，基板预热温度0～300℃的条件下，利用同轴送粉3D打印方法逐层成型非晶合金复合材料构件；将得到的非晶合金复合材料构件在惰性气体保护和温度300～600℃下退火，时间2～12h。本发明克服水淬法和铜模铸造法成型非晶合金复合材料尺寸较小和形状简单的缺点，解决了非晶合金复合材料难以机械加工的难题，且具有节省原料，效率高等优点。

技术研发人员：吕云卓;陆兴;覃作祥
受保护的技术使用者：大连交通大学
技术研发日：2017.04.10
技术公布日：2017.07.25