添加B制造技术

本发明专利技术公开了一种添加B

Add B

【技术实现步骤摘要】
添加B4C纳米颗粒原位自生改善增材制造钛合金显微组织的方法
本专利技术属于增材制造领域，涉及对钛合金组织的改善处理技术，特别涉及一种添加B4C纳米颗粒原位自生改善增材制造钛合金显微组织的方法。
技术介绍
增材制造冶金质量差，组织粗大的根源在于超常冶金环境——快速加热、快速冷却。其热源种类包括激光、电弧、等离子、电子束等，涉及材料形式包括粉末和丝材，但不管光源和制品形式如何改变，其凝固过程的冶金特征基本相同：金属微区在集中热源的作用下被快速加热，急冷快速凝固，随后逐层沉积过程中历经多周期、变循环、剧烈加热和冷却，相邻层或几层发生循环重熔冷却，其它沉积层晶粒则被循环微热处理。循环重熔和微热处理，导致增材制造金属构件的显微组织结构独特。以钛合金为例，激光选区熔化、激光沉积成形等晶粒垂直于基板界面生长成粗大的原始β晶粒、柱状晶，仅在底部和顶部出现少量等轴或细小晶粒，形成极不均匀的组织特征，这种粗大组织在能量密度更高的电子束、电弧增材工艺中，甚至发展成为贯穿柱状晶。围绕这一问题，国内外学者从增材制造原材料表面形貌以及添加强化颗粒细化晶粒的角度开展了大量探索性研究，试图解决增材制造冶金组织问题。1、通过金属粉末的纳米表面修饰，改善增材制造冶金组织。柱状晶和粗大原始晶粒的形成其根源在于冶金过程的热力学动力问题，增材制造过程微小熔池内的超常冶金条件和循环沉积导致温度和成分过冷不足，且非自发形核质点降低是核心问题。因此从这一角度寻求解决破解柱状晶的办法具有重要意义。2017年，JohnH.Martin等人在Nature杂志发表的论文通过纳米表面修饰，促进了晶粒细化，正是通过改善液固界面溶质元素的扩散、熔池内温度梯度以及非自发形核质点问题而实现的。该方法表明通过改善粉末的质量，促进非自发形核是柱状晶向等轴晶转变(CET)的重要方法。2、添加增强相或合金化元素是实现增材制造组织细化的潜在途径。美国Banerjee等利用激光立体成型技术成功制备出Ti-TiB和Ti6Al4V-TiB复合材料，TiB增强体可以均匀分布在沉积态合金内，并可以在一定程度上细化组织。B.JKooi等也利用激光熔覆方法制备了Ti6Al4V+TiB2/TiB复合材料，显微组织观察发现增强体颗粒与基体之间界面结合良好，与基体相比，增强体表现出优异的耐磨性。法国S.Pouzet等通过混合Ti6Al4V合金粉末与B4C化合物粉末，采用金属直接成形(DMD)技术原位制备了TiC+TiB增强钛基复合材料薄壁件，对比直接沉积合金，增强相强化了晶界，促进了晶粒形核，组织得到细化。国内顾冬冬等也采用选择性激光熔化沉积技术(SLM)实现了TiC/(TiAl3+Ti3AlC2)复合材料样件的制备，虽然在制备过程中存在部分晶粒长大现象，但与初始组织相比，仍旧实现了组织细化，增强相尺寸都保持在1μm以下。综上所述，调整和改善通过添加形核剂是从增加形核质点来实现组织改善，不仅改善了冶金过程，同时也增加了基体的强度，起到了一举多的效果。但是直接添加增强相起到的非自发形核作用有限，要进一步提高非自发形核率，需要在熔炼过程产生新的形核质点效果将更显著。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种添加B4C纳米颗粒原位自生改善增材制造钛合金显微组织的方法，结合纳米对金属粉体的表面修复作用以及原位自生钛基复合材料的角度，以纳米添加的形式将B4C纳米颗粒与金属粉体进行混合，并打印，一方面产生纳米对粉体表面的修饰作用，另一方面在熔化沉积过程通过B4C与钛元素的反应形成原位TiC+TiB相，均匀分布的TiC+TiB增强颗粒的存在进一步产生更多的形核质点，起到强化晶界，细化晶粒的作用。本专利技术的目的通过以下方案实现。为达成上述目的，本专利技术提出一种纳米添加B4C颗粒原位自生改善增材制造钛合金显微组织的方法，包括：步骤1、B4C纳米颗粒与钛合金粉末进行预混合，包括：在真空环境中，向钛合金粉末中，按钛合金粉末的重量百分比添加0.1wt.％～7wt.％粒径在5～500nm的B4C纳米颗粒充分均匀混合，以达到对钛合金粉末的纳米表面修饰作用；步骤2、将混合好后的钛合金粉末用于增材制造，得到打印后的钛合金工件，其中铺粉工艺和送粉工艺均可以，例如：铺粉工艺：铺粉厚度20μm～80μm，激光功率200W～500W；扫描速度1～15m/s；送粉工艺：送粉0.2～5r/min，激光功率1500W～8000W，扫描速度1～30mm/s；增材制造过程中，混合后的粉末在熔化凝固过程中，发生原位自生反应，生成均匀分布的细小TiB、TiC增强相，作为形核质点从而提高形核率、细化晶粒。步骤3、将增材制造后的钛合金进行固溶处理，热处理工艺为：将钛合金工件放进热处理炉内，10～20℃/min的速度加热至Tp(相变温度)+10℃，保温20min～40min，然后淬火，根据不同钛合金具有不同的Tp，在时效处理时确定固溶温度Tp+10℃；步骤4、将固溶后的钛合金工件进行时效热处理，包括：将淬火后的钛合金工件放进真空热处理炉内，抽真空至1.5×10-3Pa，以10～20℃/min的速度加热至450～550℃，炉内真空度高于3×10-3Pa，保温2h～4h，然后空冷至室温。与现有技术相比，本专利技术的显著的优点在于：利用添加B4C纳米颗粒，在促进表面状态改善的同时，与钛合金粉末发生原位反应生成细小弥散分布的TiB+TiC增强相，促进非自发形核，提高形核率，细化晶粒，改善冶金微观组织。应当理解，前述构思以及在下面更加详细地描述的额外构思的所有组合只要在这样的构思不相互矛盾的情况下都可以被视为本公开的专利技术主题的一部分。另外，所要求保护的主题的所有组合都被视为本公开的专利技术主题的一部分。结合附图从下面的描述中可以更加全面地理解本专利技术教导的前述和其他方面、实施例和特征。本专利技术的其他附加方面例如示例性实施方式的特征和/或有益效果将在下面的描述中显见，或通过根据本专利技术教导的具体实施方式的实践中得知。附图说明附图不意在按比例绘制。在附图中，在各个图中示出的每个相同或近似相同的组成部分可以用相同的标号表示。为了清晰起见，在每个图中，并非每个组成部分均被标记。现在，将通过例子并参考附图来描述本专利技术的各个方面的实施例，其中：图1是本专利技术添加B4C纳米颗粒原位自生改善增材制造钛合金显微组织方法的流程示意图。图2是未添加B4C纳米颗粒的普通增材制造TC4钛合金的显微粗大柱状晶组织。图3是本专利技术添加5wt.％B4C纳米颗粒的增材制造TC4钛合金的显微细小等轴晶组织。具体实施方式为了更了解本专利技术的
技术实现思路
，结合具体实施例并配合所有附图对本专利技术进行详细阐述如下。在本公开中参照附图来描述本专利技术的各方面，附图中示出了许多说明的实施例。本公开的实施例不必定意在包括本专利技术的所有方面。应当理解，上面介绍的多种构思和实施例，以及下面更加详细地描述的那些构思和实施方式可以以很多方式中任意一种来实施，这是因为本专利技术所公开本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.添加B

【技术特征摘要】
1.添加B4C纳米颗粒原位自生改善增材制造钛合金显微组织的方法，其特征在于，包括：
步骤1，真空下，将B4C纳米颗粒与钛合金粉末预混合；
步骤2，将混合好后的钛合金粉末进行增材制造，得到打印后的钛合金工件；
步骤3，将上述钛合金工件进行固溶处理，具体工艺为：将钛合金工件加热至Tp+10℃，保温20min～40min，其中Tp为相变温度，然后淬火；
步骤4，将固溶处理后的钛合金工件进行时效热处理，然后空冷至室温。


2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤1中，B4C纳米颗粒尺寸在5nm～500nm之间。


3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤1中，根据钛合金粉末的重量添加0.1wt.％～7wt.％的B4C纳米颗粒。


4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤2中，增材制造采用铺粉工艺和送粉工艺的任意一种...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙中刚，常辉，梁祖磊，张文书，张华建，
申请(专利权)人：南京工业大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32