本發明是一種可用于非均相梯度材料的制備方法，屬于散熱構件加工制造。

背景技術：

1、功能梯度材料通常分為兩種，均質(非均質材料均勻地分布在整個體積中)和非均質(分層，各種材料在其接觸的特定邊界處相互連接)。層狀功能梯度材料面臨的一個重要問題是由于結合材料的物理化學性質的差異而導致的層間裂紋，進而導致機械故障。

2、據科學俄羅斯網站報道：俄羅斯遠東聯邦大學合作開發出一種飛機發動機用功能梯度材料的制備方法，獲得基于連接金屬cr-ti-fe-co-ni-cu的非均相(層狀)功能梯度材料，新技術將提高具有梯度功能特性的構件制造效率，進而提升飛機發動機質量。此外，美國宇航局蘭利研究中心開發出一種大規模制造復合材料構件的方法，具有高可靠性且能夠保持可預測的機械和材料特性。該技術通過采用由環氧樹脂/預浸材料組成的新型阻隔層來實現，使其既具備共固化工藝連接大型復雜復合結構的優點，又無需多余的緊固件，從而減少組裝時間和成本。但是具體工藝路線并沒有報道。

技術實現思路

1、本發明技術方案正是基于上述國外研究背景并針對現有技術狀況而設計提供了一種可用于非均相梯度材料的制備方法，其目的是在作為回轉體構件的鈦合金棒材/管材外表面制備一層非均相梯度材料，改善鈦合金表面耐熱/耐磨功能。

2、本發明的目的是通過以下技術方案來實現的：

3、該種可用于非均相梯度材料的制備方法中使用裝置包括一個起支撐作用的基臺1，基臺1通過旋軸2固定一個金屬零件6并能夠帶動該金屬零件6沿其中心軸旋轉，在金屬零件6周圍設置一個加熱套3，在加熱套3上加工有通道4用于輸入不同物相的梯度材料5、工藝氣體，該通道4與大氣連通，加熱套3的內壁與金屬零件6外表面之間的間隙為金屬零件6最大旋轉半徑的1/3～1/2；

4、該制備方法的步驟如下：

5、步驟一、金屬零件6及梯度材料5的準備

6、金屬零件6為鈦合金棒材或管材，對金屬零件6的表面進行機械加工，使其表面粗糙度不大于1.6；準備cr粉、ti粉、mg粉、ni粉和cu粉作為梯度材料5，金屬粉末粒度為-350目至-450目，純度為99.99％；準備氫氣和氦氣作為工藝氣體，氣體純度99.99％；

7、步驟二、金屬零件6預熱

8、啟動加熱套3，升溫至500-700℃，對金屬零件6進行預熱，該預熱使金屬零件6表面發紅并帶有粘連性，配合金屬零件6表面較低的粗糙度，為之后梯度材料5在金屬零件6低光潔度表面附著和機械釘扎形成有利的條件，同時使金屬零件6開始自轉，自轉速度10-20rad/s，該較高速度的自轉，可以確保金屬零件6的溫度場更加均勻，金屬零件6自轉的同時開始保溫，保溫時間為1h-2h，之后降低自轉速度至5-10rad/s，該速度使之后梯度材料5在金屬零件6表面附著和機械釘扎時的切向速度較低，同時為后續梯度材料5粉末的鋪設做準備；

9、步驟三、第一層梯度材料5鋪設

10、保持金屬零件6的自轉速度，通過通道4向金屬零件6表面噴射cr粉末，噴射速率為70-100mm/s，此時cr粉末顆粒以較高的速度沖擊金屬零件6表面并釘扎固定，待cr粉末鋪設厚度為0.5-1.5mm時，停止噴射，同時停止加熱并將金屬零件6的自轉速度降低至1-5rad/s和通過通道4向加熱套3內輸入氦氣以幫助金屬零件6冷卻，之后，加熱套3內溫度每降低50℃，金屬零件6自轉速度提高0.5-1rad/s，直至降低到室溫，此過程中，金屬零件6和其表面的cr粉末層出現收縮使釘扎不牢固的cr粉末顆粒脫落，提高轉速的過程中，又進一步促使釘扎不牢固的cr粉末顆粒脫落，從而為下一步二次釘扎操作做好準備；

11、金屬零件6溫度降至室溫后，檢查cr粉末層的厚度，并再次重復上述操作過程，直至cr粉末鋪設厚度在金屬零件6冷卻至室溫后達到0.5-1.5mm；

12、步驟四、第一層梯度材料5固化

13、啟動加熱套3，升溫至600-1200℃，對金屬零件6表面cr粉末層進行等離子體燒結，同時通過通道4向加熱套3內輸送氫氣，壓力為2-3個大氣壓，該氫化過程維持0.5-1h后，將金屬零件6冷卻至室溫，加熱套3壓力恢復到大氣壓水平，此時cr粉末層具有20-30％的孔隙率；

14、步驟五、第二至五層梯度材料5鋪設及固化

15、重復步驟三至步驟四，依次完成ti粉、mg粉、ni粉、cu粉的鋪設及固化，之后在金屬零件6表面依次形成cr-ti-mg-ni-cu的非均相層狀結構，該層狀結構層與層之間具有相互交叉與粘連的過渡相；

16、步驟六、非均相層狀結構變形

17、在金屬零件6的兩端連接電脈沖電源，使金屬零件6升溫至800-1200℃，進行等離子體燒結，同時使金屬零件6開始自轉，自轉速度5-10rad/s，保持2-4h，并向加熱套3內輸送氬氣，壓力為5-10個大氣壓，脫氫之后停止自轉和加熱，冷卻至室溫，即可獲得表面具有非均相梯度材料cr-ti-mg-ni-cu的鈦合金棒材或管材，且微觀組織出現納米化、晶界破碎。

18、另外，所述零件6為鈦合金棒材或管材，并且基臺1通過旋軸2從鈦合金棒材或管材的兩端固定并帶動其旋轉。

19、本發明技術方案的特點及有益效果如下：

20、1、本發明方案設計了基于金屬材料基體的非均相梯度材料cr-ti-mg-ni-cu制備，獲得的非均相梯度材料cr-ti-mg-ni-cu，梯度材料各層發生了界面反應，且界面并不是直線，而是呈現嚙齒狀耦合，每一層都非均相，各層連接強度高，不宜產生裂紋，保證了構件的完整性；

21、2、通過本發明方案制備的基于金屬材料基體的非均相梯度材料cr-ti-mg-ni-cu，首先通過一定的溫度，使其表面容易粘連金屬顆粒，其次，利用高噴射速度，將金屬顆粒與基體/上一層材料發生機械釘扎，再次，利用等離子體燒結，將梯度材料初步固化，最后，通過基體由內向外的熱源和由外向內的熱源產生的溫度差以及氣體壓力，實現了微變形和完全固化；

22、3、通過本發明方案，梯度材料cr-ti-mg-ni-cu的各層是非均相的，這主要是由于，第一，各層材料的鋪設是通過大流速氣體完成的，這個過程中，各層材料之間會發生塑性變形，較硬的粉末顆粒會嵌入較軟的粉末顆粒內，較硬的粉末顆粒又會發生破碎，第二，各層材料鋪設后，原位進行等離子體燒結，在氫氣的作用下，部分粉末顆粒還會發生氫化脫氫反應，致使粉末顆粒內部發生分解，微觀結構細化，界面更加復雜，第三，在多次反復的鋪設和燒結過程中，通過溫度的調整，不同位置界面反應生成的相成分也不徑相同，造成了梯度材料cr-ti-mg-ni-cu各層的非均相。

23、4、通過本發明方案設計的微變形工藝確保了基于金屬材料基體的非均相梯度材料cr-ti-mg-ni-cu完全固化，主要是利用材料上下表面的溫度差會促進材料內部熱傳遞，結合氫氣壓力，微觀結構發生納米化，晶界遷移增多，促進了界面發生反應；

24、5、通過本發明方案，制備基于金屬材料基體的非均相梯度材料cr-ti-mg-ni-cu僅通過調整氣體壓力、基體自轉速度和基體溫度場分布，就可以實現構件成型，不用借助粘合劑，效率明顯提升，而且可用于制備大規格構件。