薄壁大温度梯度结构件及其激光直接沉积制备方法技术

本发明专利技术公开了一种薄壁大温度梯度结构件。一种薄壁大温度梯度结构件，沿所述结构件的温度梯度方向依次包括：中温层、温度梯度过渡层、高温基础层和高温层；其中，温度梯度过渡层的组分为中温层和高温层材质的混合物，高温基础层的材质与高温层材质相同，温度梯度过渡层和高温基础层用于减小大温度梯度结构件的组织应力和热应力。本发明专利技术还公开了一种薄壁大温度梯度结构件的激光直接沉积制备方法。本发明专利技术在异种材料梯度结构中增加温度梯度过渡层、高温基础层，温度梯度过渡层实现了过渡层材料的均匀稳定过渡，温度梯度过渡层和高温基础层沉积速度较慢，减小了梯度结构组织应力和热应力，实现了异种材料大温度梯度结构一体化成形。

【技术实现步骤摘要】
薄壁大温度梯度结构件及其激光直接沉积制备方法
本专利技术属于金属特种成形加工
，涉及一种薄壁大温度梯度结构件及其激光直接沉积制备方法。
技术介绍
飞行器在高速飞行过程中，各个部位的温度梯度很大，例如进气道局部区域温度高达700℃～800℃，需要采用耐高温、高强度、高刚度的材料制造，而其他部位温度较低，普通钛合金便能满足使用要求。通过一体化制造具有不同性能的钛合金大温度梯度结构件以使其整体成形，以较低成本实现零件不同部位使用温度要求，不仅省却了零部件的连接及密封问题，更重要的是提高了零件的整体强度和刚度。利用激光直接沉积制备大温度梯度结构件与制备单一材质材料相比有其特有困难，制备大温度梯度结构件选用异种材料粉末，由于材料的理化性质不同，会造成熔化和凝固过程不同，容易产生有害杂质或微裂纹；另外，对于薄壁结构而言，更容易因材料成分和性能突变引起的应力集中而导致结构变形，影响结构精度。针对这种情况，人们需要对现有方法进行改进以克服现有激光直接沉积的缺陷。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术不足，提供一种性能稳定过渡、整体强度更高、不易产生裂纹的薄壁大温度梯度结构件及其激光直接沉积制备方法。该方法在沉积前进行了合理的过渡层设计和工艺设计，使过渡区域的组织性能与已沉积部分形成稳定连续的状态，保持性能一致，增加了结构件的整体强度，避免了裂纹的产生；另外，在制备梯度结构时，针对组分的变化改变沉积工艺参数，使沉积的过渡层组织性能良好，从而保持较高的整体强度。本专利技术的技术解决方案：一种薄壁大温度梯度结构件，沿所述结构件的温度梯度方向依次包括：中温层、温度梯度过渡层、高温基础层和高温层；其中，温度梯度过渡层的组分为中温层和高温层材质的混合物，高温基础层的材质与高温层材质相同，温度梯度过渡层和高温基础层用于减小大温度梯度结构件的组织应力和热应力。在本专利技术中，高温基础层作为温度梯度过渡层和高温层之间的结构层，可以使温度梯度过渡层和高温层性能连续稳定，从而保证结构件整体强度。在上述薄壁大温度梯度结构件中，作为一种优选实施方式，温度梯度过渡层的总厚度(即整个结构件的高度方向)为0.8～2mm。在上述薄壁大温度梯度结构件中，作为一种优选实施方式，高温基础层的总厚度(即整个结构件的高度方向)为1～2mm。在上述薄壁大温度梯度结构件中，作为一种优选实施方式，所述温度梯度过渡层包括至少两个子层，靠近所述中温层的子层中中温层材质质量百分含量大于50％，靠近所述高温基础层的子层中高温层材质的质量百分含量大于50％；优选地，所述温度梯度过渡层包括三个子层，靠近所述中温层的子层中中温层材质质量百分含量为60-70％，中间子层中中温层材质质量百分含量与高温层材质质量百分含量相同，靠近所述高温基础层的子层中高温层材质的质量百分含量大于60-70％。在上述薄壁大温度梯度结构件中，作为一种优选实施方式，所述中温层材质为使用温度400℃以下的钛合金，所述高温层的材质为使用温度500℃以上的高温钛合金或Ti-Al金属间化合物。一种薄壁大温度梯度结构件的激光直接沉积制备方法，所述的大温度梯度结构件为一体成型结构件，沿所述结构件的温度梯度方向至少依次包括：中温层、温度梯度过渡层、高温基础层和高温层，所述制备方法包括：第一步、初始化激光成形设备；第二步、构建所述结构件的三维模型，然后对三维模型进行剖分以生成激光扫描路径；第三步、所述结构件各层材质的选择，其中温度梯度过渡层的组分包括中温层和高温层的材质，高温基础层的材质与高温层材质相同；第四步、根据所述中温层的材质进行激光直接沉积处理以形成中温层；第五步、根据所述温度梯度过渡层的组分配比在所述中温层表面进行激光直接沉积处理以形成所述温度梯度过渡层；第六步、根据高温基础层的材质在所述温度梯度过渡层表面进行激光直接沉积处理以形成高温基础层；第七步、根据高温层的材质在所述高温基础层表面上进行激光直接沉积处理以形成高温层。在上述激光直接沉积制备方法中，作为一种优选实施方式，所述方法还包括热处理步骤，将所述第七步得到的结构件坯料进行热处理；优选地，所述热处理的温度为500-650℃，保温时间为1.5-2.5h，具体的热处理温度和时间随材质变化而变化。在上述激光直接沉积制备方法中，作为一种优选实施方式，所述中温层材质为使用温度400℃以下的钛合金，所述高温层的材质为使用温度500℃以上的高温钛合金或Ti-Al金属间化合物。在上述激光直接沉积制备方法中，作为一种优选实施方式，所述温度梯度过渡层包括至少两个子层，靠近所述中温层的子层中中温层材质质量百分含量大于50％，靠近所述高温基础层的子层中高温层材质的质量百分含量大于50％。更优选地，所述温度梯度过渡层包括三个子层，靠近所述中温层的子层中中温层材质质量百分含量为60-70％，中间子层中中温层材质质量百分含量与高温层材质质量百分含量相同，靠近所述高温基础层的子层中高温层材质的质量百分含量大于60-70％。在上述激光直接沉积制备方法中，作为一种优选实施方式，温度梯度过渡层的总厚度(即高度方向或温度梯度方向)为0.8～2mm，过渡层和高温基础层的厚度过厚将会影响制备效率，而且不会明显增加结构件的整体强度；太薄则不能起到良好地增强结构件整体强度的作用。在上述激光直接沉积方法中，作为一种优选实施方式，高温基础层的总厚度(即高度方向或温度梯度方向)为1～2mm。在上述激光直接沉积制备方法中，作为一种优选实施方式，所述初始化激光成形设备包括：进行激光直接沉积设备中各系统检查及准备工作，本步骤准备工作为本领域公知技术，开启气氛保护系统，使氧含量低于50ppm；在上述激光直接沉积制备方法中，作为一种优选实施方式，在所述第二步中，利用三维建模软件SiemensNX建立所述结构件的三维模型，采用激光直接沉积设备(即激光成形设备)自带剖分软件对该三维模型进行剖分，中温层和高温层剖分单层厚度0.4～0.6mm，梯度过渡层和高温基础层剖分单层厚度0.1～0.2mm，将剖分软件生成的CNC程序(激光扫描路径)输入激光直接沉积设备；在上述激光直接沉积制备方法中，作为一种优选实施方式，在所述第三步中，将结构件各层原料的组分配比和单层厚度等作为数控变量值输入激光直接沉积设备的送粉器数控系统，以控制激光直接沉积时不同位置的送粉比和送粉速率；送粉速率与扫描速度、单层沉积厚度等参数相关，通常中温层和高温层的送粉速率优选为1.5～3g/min；温度梯度过渡层、高温基础层的送粉速率优选为0.8～1g/min。在上述激光直接沉积方法中，作为一种优选实施方式，在所述第四步中，形成中温层的激光直接沉积处理的工艺参数包括：扫描速度4～6mm/s，激光功率1200～1800W，单层沉积厚度0.4～0.6mm；所述工艺参数过高或过低则影响结构件强度和合格率，沉积的总层数由所制备结构件的中温层高度决定。在上述激光直接沉积制备方法中，作为一种优选实施方式，在所述第五步中，形成所述温度梯度过渡层的激光直接沉积处理的工艺参数包括：扫描速度1.5～2.5mm/s，激光功率800～1200W，单层沉积厚度0.1～0.2mm(过渡层总厚度为0.8～2mm)；更优选地，所述激光功率800～1000W。将过渡层在层的厚度方向(即结构本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种薄壁大温度梯度结构件，其特征在于，沿所述结构件的温度梯度方向依次包括：中温层、温度梯度过渡层、高温基础层和高温层；其中，温度梯度过渡层的组分为中温层和高温层材质的混合物，高温基础层的材质与高温层材质相同，温度梯度过渡层和高温基础层用于减小所述结构件的组织应力和热应力。

【技术特征摘要】
1.一种薄壁大温度梯度结构件，其特征在于，沿所述结构件的温度梯度方向依次包括：中温层、温度梯度过渡层、高温基础层和高温层；其中，温度梯度过渡层的组分为中温层和高温层材质的混合物，高温基础层的材质与高温层材质相同，温度梯度过渡层和高温基础层用于减小所述结构件的组织应力和热应力。2.根据权利要求1所述的薄壁大温度梯度结构件，其特征在于，所述温度梯度过渡层的总厚度为0.8～2mm；优选地，高温基础层的总厚度为1～2mm。3.根据权利要求1所述的薄壁大温度梯度结构件，其特征在于，所述温度梯度过渡层包括至少两个子层，靠近所述中温层的子层中中温层材质质量百分含量大于50％，靠近所述高温基础层的子层中高温层材质的质量百分含量大于50％；优选地，所述温度梯度过渡层包括三个子层，靠近所述中温层的子层中中温层材质质量百分含量为60-70％，中间子层中中温层材质质量百分含量与高温层材质质量百分含量相同，靠近所述高温基础层的子层中高温层材质的质量百分含量大于60-70％。4.根据权利要求1所述的薄壁大温度梯度结构件，其特征在于，所述中温层材质为使用温度400℃以下的钛合金，所述高温层的材质为使用温度500℃以上的高温钛合金或Ti-Al金属间化合物。5.一种权利要求1-4中任一项所述的薄壁大温度梯度结构件的激光直接沉积制备方法，其特征在于，所述结构件为一体成型结构件，沿所述结构件的温度梯度方向至少依次包括：中温层、温度梯度过渡层、高温基础层和高温层，所述制备方法包括：第一步、初始化激光成形设备；第二步、构建所述结构件的三维模型，然后对三维模型进行剖分以生成激光扫描路径；第三步、所述结构件各层原料材质的选择，其中温度梯度过渡层的组分包括中温层和高温层的材质，高温基础层的材质与高温层材质相同；第四步、根据所述中温层的材质进行激光直接沉积处理以形成中温层；第五步、根据所述温度梯度过渡层的组分配比在所述中温层表面进行激光直接沉积处理以形成所述温度梯度过渡层；第六步、根据高温基础层的材质在所述温度梯度过渡层表面进行激光直接沉积处理以形成高温基础层；第七步、根据高温层的材质在...

【专利技术属性】
技术研发人员：宋鹏，吴海峰，王华东，
申请(专利权)人：航天特种材料及工艺技术研究所，
类型：发明
国别省市：北京,11