基于激光增材及电脉冲处理的异构钴铬合金及制备方法

1.本发明涉及梯度金属材料制备技术领域，尤其涉及基于激光增材及电脉冲处理的异构钴铬合金及制备方法。


背景技术：

2.金属材料由于它优异的综合性能而在人类的生产生活中扮演着重要的角色。随着现代工业的发展，人们对材料性能的要求越来越高，传统金属越来越难以满足社会发展要求。如何在提高金属材料强度的同时又能保持良好的塑性是目前广大学者的研究热点。而结构梯度(异构结构)材料作为一种新型材料设计思路被人们所关注。它突破传统材料均匀合金化、块体晶粒细化等改性思维模式,靠结构异质单元兼具不同属性和单元间耦合优化的方式来提高材料强度、塑性、抗疲勞损伤、抗摩擦黁损等力学性能。梯度铜合金、铝合金、钢材、钛及钛合金等众多金属材料的相关制备工艺、材料细化机制、微观结构特征、力学及承载变形机制、物理性能也被深度剖析。
3.钴铬合金具有良好的耐磨性、耐蚀性、抗高温性能、生物相容性等性能，因此在航空航天、生物医疗以及军工领域有着广泛的应用，结构梯度钴铬合金也具有广泛的应用前景和研究价值。然而，目前为止，关于梯度结构钴铬合金的相关报道并不多见；其主要原因是钴铬合金结构梯度的制备难度较大。
4.目前，结构梯度金属材料的制备方法主要有热处理法、电沉积法、机械变形法等；热处理方法是最早的梯度结构制备方法，如表面淬火，但是由于金属材料导热性能良好，因此很难制备具有连续梯度过渡的材料；电沉积法则是通过计算机程序控制沉积过程中的参数变化，制备得到具有晶粒尺寸梯度的方法，但这种制备方法大多应用于纯金属的制备，在合金制备方面难度很大；对于合金来说，目前最广泛的方法为机械变形法，塑性变形可使金属中产生大量缺陷(如位错、晶界、孪晶界等)，通过控制塑性变形条件可将晶粒组织细化至亚微米甚至纳米尺度，由于表面变形大，由外到内变形量逐渐减小，由此形成由外到内的梯度结构，但该方法所得到的梯度材料梯度率无法控制，且制备材料强度越高，制备难度越大，对于钴铬合金来说，由于其较高的室温及高温强度，利用塑性变形获得较细晶粒难度较大。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供基于激光增材及电脉冲处理的异构钴铬合金及制备方法，通过将激光增材制造成型技术与电脉冲处理技术结合在一起，对cr、mo、w、si、mn、co成分混合的粉末状材料进行处理，获得结构梯度钴铬合金，通过这种制备方法得到的梯度钴铬合金，其合金的梯度率可以控制，减小了制备难度，更容易获得较细晶粒。
6.本发明通过下述技术方案实现：
7.基于激光增材及电脉冲处理的异构钴铬合金的制备方法，制备方法步骤包括：
8.s1：对由cr、mo、w、si、mn、co成分组成的粉末状材料做激光增材制造成型处理，获
得胚料；
9.s2：将获得的胚料串联入脉冲电路，通过电脉冲发生器对所述胚料进行电脉冲处理，获得结构梯度钴铬合金。
10.传统的制备结构梯度钴铬合金的时候，通常采用的是热处理法、电沉积法、机械变形法，但是在采用热处理法制备结构梯度钴铬合金的时候，会因为金属材料导热性能良好，很难制备出具有连续梯度过渡的材料，在采用电沉积法对结构梯度钴铬合金进行制备的时候，采用计算机进行制备，但是对于制备合金难度大，采用机械变形发制备的时候，对得到的金属材料的梯度无法控制；本发明提供了一种基于激光增材的结构梯度钴铬合金的制备方法，通过将激光增材制造成型技术与电脉冲处理技术结合，对由cr、mo、w、si、mn、co成分组成的粉末状材料依次进行处理，获得结构梯度钴铬合金，采用这种方法制造的结构梯度钴铬合金，其结构上的梯度可以控制，且获得的结构梯度钴铬合金的晶粒比较细。
11.优选地，采用重量百分比进行计算的时候，所述钴铬合金的组分为：
12.cr：23～25％，mo：4～6％，w：4～6％，si：0.5～1.5％，mn：0.4～0.6％，其余为co。
13.优选地，所述胚料为存在截面积差异的非稳态棒状胚料或存在截面积差异的板条胚料。
14.优选地，所述激光增材制造成型中，激光功率为50w～500w，激光扫描速度为0.5m/s～5m/s，激光扫描厚层为15μm～50μm。
15.优选地，所述电脉冲处理中，其脉宽为5μs
‑
1000μs，电流密度为0
‑
300a/mm2，脉冲次数为0～1000次。
16.优选地，所述胚料的粉末粒度为20μm～65μm。
17.本发明还公开了基于激光增材及电脉冲处理的异构钴铬合金，所述钴铬合金是通过上述制备方法制造获得的，且所述钴铬合金材质上成梯度结构。
18.其中，梯度结构是由一种成分、组织或相逐渐向另一成分、组织或相过渡的结构材料，包括粗晶逐渐过渡到细晶甚至过渡到非晶的组织，且梯度材料的特征表现为组织的非均匀性和多尺度性，且结构多级性。
19.本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
20.1、采用本发明提供的基于激光增材及电脉冲处理的异构钴铬合金及制备方法，实现了制备晶粒较细的结构梯度钴铬合金；
21.2、采用本发明提供的基于激光增材及电脉冲处理的异构钴铬合金及制备方法，将激光增材制造成型技术与电脉冲技术结合起来，避免了金属材料的自身性能对制备的结构梯度钴铬合金带来的差异性以及困难，更易于制备结构梯度钴铬合金；
22.3、采用本发明提供的基于激光增材及电脉冲处理的异构钴铬合金及制备方法，通过对不同横截面积的胚料进行电脉冲处理，能够获得不同性能的结构梯度钴铬合金。
附图说明
23.此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本技术的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
24.图1为结构梯度钴铬合金金相图
25.图2为电脉冲处理示意图
26.图3为胚料图
27.图4为结构梯度钴铬合金硬度示意图
具体实施方式
28.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
29.实施例一
30.本实施例公开了基于激光增材及电脉冲处理的异构钴铬合金及制备方法，制备方法步骤包括：
31.s1：对由cr、mo、w、si、mn、co成分组成的粉末状材料做激光增材制造成型处理，获得胚料；
32.激光增材制造成型技术制备的胚料，由于成型过程中快速冷却，且温度梯度极大，其组织是由细小胞状晶(＜1μm)组成，作为一种亚晶结构，胞状晶界具备阻碍位错滑移的能力，细小的胞状晶能够有效提高其硬度及强度。另外，由于来不及析出第二相，基体组织呈现过饱和状态。但该组织热力学极不稳定，输入一定能量后(热能或电能)，组织及性能会发生改变。
33.如图3所示，为激光功率在300w，且激光的扫描速度为5m/s，激光扫描的材料厚层是在30μm的时候，材料中包含各个组分的重量百分比为cr：25％，mo：4％，w：4％，si：1％，mn：0.5％，其余为co，通过增材技术制备的胚料的示意图，，从图中可以看到，胚料的粉末粒度为20μm～65μm。
34.所述激光增材制造成型中，激光功率为50w～500w，激光扫描速度为0.5m/s～5m/s，激光扫描厚层为15μm～50μm，对激光的具体的功率范围进行限定，是采用这种方法制作结构梯度钴铬合金最优选的方案。
35.s2：将获得的胚料串联入脉冲电路，通过电脉冲发生器对所述胚料进行电脉冲处理，获得结构梯度钴铬合金。
36.所述电脉冲处理能够有效影响胚料回复、再结晶、相变、晶粒细化和非晶的纳米晶化等行为，是改善材料组织和性能的有效方法；电脉冲处理中通过改变电流密度，可有效控制电脉冲对材料组织及性能的影响。而将电脉冲处理应用于增材制造的钴铬合金，由于其组织本身的不稳定性，电脉冲处理对组织改变效果明显，可在极短时间内很大程度改变坯料的组织及性能；另外，处理效果对电流密度较为敏感，电流密度的变化能够引起处理材料显微组织及性能的变化，如表一所示，为不同脉冲密度处理对硬度影像及组织的特点。
37.电流密度(a/mm2)脉冲次数(次)硬度(hv)对应组织特征30100470与原始态无异55100490胞状晶存在，析出极少量第二相90100540胞状晶存在，析出部分第二相120100510胞状晶部分消失，析出部分第二相170100430胞状晶消失，析出大量细小第二相200(熔断)100//
38.表1
39.胚料为存在截面积梯度的非稳态棒状胚料或存在截面积梯度的板条胚料，胚料制备为截面积不同的板材或棒材，主要是当胚料进行电脉冲处理的时候，在相同的的直流脉冲电流下，不同横截面积通过的电流密度不同，从而获得了不同组织改性的效果，进而获得梯度结果。
40.所述电脉冲处理中，其脉宽为5μs
‑
1000μs，电流密度为0
‑
300a/mm2，脉冲次数为0～1000次。
41.如图2所示，在本实施例中，在电脉冲对胚料进行处理的过程中，采用的工艺参数为：脉冲电流：800a，脉冲脉宽10μs，脉冲次数110次；所制备出来的结构梯度钴铬合金，如图1所示，在其照片结构中，从左边大面积区域到右边小面积区域可以很明显的看出，胞状晶逐渐消失，第二相逐渐析出并长大，且从左边区域到右边区域面积中，依次选出照片进行放大，可以很清晰的看出，胞状晶在左边区域面积中存在，但是到了中间区域以及右边区域面积的放大图中，胞状晶已经不存在了，如图4所示，为制备出来的梯度钴铬合金从左边区域面积到右边区域面积的硬度变化，是随着金相的变化而变化的。
42.采用本实施例提供的对结构梯度钴铬合金进行制备的方法，通过将激光增材制造成型处理与电脉冲处理相结合，并对由cr、mo、w、si、mn、co混合后的粉末依次做相对应的处理，获得结构梯度钴铬合金，减小了制备结构梯度钴铬合金的难度，且对制备出来的结构梯度钴铬合金的结构梯度可以进行控制，制备出来合金的晶粒比较细小。
43.实施例二
44.本实施例公开了基于激光增材及电脉冲处理的异构钴铬合金，且本实施中获得的钴铬合金的梯度结构是通过如实施例一中的制备方法进行制备的，且制备的钴铬合金结构上成梯度结构。
45.其中，梯度结构是由一种成分、组织或相逐渐向另一成分、组织或相过渡的结构材料，包括粗晶逐渐过渡到细晶甚至过渡到非晶的组织，且梯度材料的特征表现为组织的非均匀性和多尺度性，且结构多级性，如图1所示，在其照片结构中，从左边大面积区域到右边小面积区域可以很明显的看出，胞状晶逐渐消失，第二相逐渐析出并长大，且从左边区域到右边区域面积中，依次选出照片进行放大，可以很清晰的看出，胞状晶在左边区域面积中存在，但是到了中间区域以及右边区域面积的放大图中，胞状晶已经不存在了。
46.以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。