一种可便捷获得细小等轴晶粒的激光增材制造方法技术

本发明专利技术提出一种可便捷获得细小等轴晶粒的激光增材制造方法，通过调控凝固过程预置内应力及畸变能，获得位错密度大于10

【技术实现步骤摘要】
一种可便捷获得细小等轴晶粒的激光增材制造方法
本专利技术涉及金属材料激光增材制造领域，尤其涉及一种可便捷获得细小等轴晶粒的激光增材制造方法。
技术介绍
钛合金由于密度小、比强度高和耐蚀性好等优点，在航空航天领域获得了极为广泛的应用。激光增材制造技术，是一种依据三维CAD模型，利用激光逐层熔化堆积成形零件的先进制造技术。该技术具有制造柔性高、可成形构件尺寸大、成形效率及材料利用率高、制造周期短、无需模具等特点，在大型钛合金等难加工材料复杂结构件制造方面极具优势。激光增材制造钛合金独特的局部超快加热、超快冷却及多重非平衡瞬时热循环等特点，使得凝固过程温度梯度大、冷却速率高，导致其宏观组织为沿沉积方向生长的粗大柱状晶粒(宽度270～500μm)，横、(垂直于沉积方向)纵向(平行于沉积方向)力学性能呈现显著的各向异性。实际工程应用中，理想宏观组织为各向同性的等轴晶粒。因此，如何获得各项同性的等轴晶粒成为激光增材制造钛合金领域的研究热点。目前，国内外已有公开报道通过加入变质形核元素、调整成形工艺参数、引入逐层轧制或超声冲击等方法调控激光增材制造钛合金的晶粒形态。梁朝阳等人发现，加入质量分数不高于0.05％的形核剂B可使宽度300μm的柱状晶粒转变为35μm的等轴晶粒。李丽君等人指出，Si能够细化柱状晶，当Si的质量分数达到2％时，宽度为285μm的柱状晶转变为15μm等轴晶粒。Wang等人发现增加送粉量，可增加异质形核点，从而增加成分过冷度抑制柱状晶生长，进而增加等轴晶比例。Martina等人发现逐层轧制可使宽度为1～2.5mm的柱状晶转变为100μm等轴晶粒。类似地，Donoghue等人指出，超声冲击也能使柱状晶转变为等轴晶。上述研究为激光增材制备钛合金等轴晶粒提供了很好的思路，变质形核剂的加入会改变非平衡态凝固温度梯度和凝固速率的关系，使柱状晶向等轴晶转变，但形核剂的加入会改变合金成分，带来材料特性改变，增加潜在未知风险，不利于实际工程应用；调控成形工艺参数虽可获得全等轴晶组织，但等轴晶组织粗大且尺寸不均匀，达数百微米级、晶界附近魏氏组织粗大，拉伸性能偏低，不利于综合性能提升，且成形工艺范围较窄，难以完全保证产品质量一致性，不利于工程批量化生产；逐层轧制可获得细小的全等轴晶组织，但引入逐层轧制会显著降低增材制造效率，且对于异形复杂构件适应性差，难以成形全等轴晶复杂构件；超声冲击也可获得较为细小的等轴晶组织，但由于超声波特性导致其在沉积大型构件时会出现沉积方向等轴晶组织不均匀且复杂构件适应性较差易出现等轴晶组织不均匀，同时显著减低增材制造效率。因此，急需提出一种短流程便捷获得激光增材制造钛合金细小全等轴晶粒的方法，在实现较为细小均匀全等轴晶制备的同时，不改变材料成分，对于复杂结构适应性强且不会明显降低增材制造效率。
技术实现思路
为了克服现有技术的不足，本专利技术提供了一种可便捷获得细小等轴晶粒的激光增材制造方法，在实现细小均匀全等轴晶制备的同时，不改变材料成分，对于异形复杂结构适应性强且不会明显降低增材制造效率、适于批量化工业生产。本专利技术是通过以下技术方案来实现的：一种可便捷获得细小等轴晶粒的激光增材制造方法，包括以下步骤：第一步，将粒径分布为160～240μm、氧含量大于0.08％的钛合金粉末装入送粉器；第二步，将基板固定在充满氩气的惰性加工室工作台上，氩气纯度不低于99.999％；第三步，当惰性加工室内水、氧含量小于30ppm后，开始激光增材制造钛合金；第四步，在激光作用下，将钛合金粉末逐层熔化沉积在基板及已沉积层上；第五步，沉积完成后打开氩气保护室，将沉积态钛合金取出；第六步，将沉积态钛合金放入热处理炉中，进行第一热处理，第一热处理具体为：将上述合金随炉以5～10℃/min升温至650～750℃，保温1～5h后取出试样空冷，该热处理可反复进行N次，N小于等于10；第七步，待第一热处理结束后，进行第二热处理，第二热处理具体为：将合金随炉以10～20℃/min升温至850～930℃，保温2～10h后取出试样空冷。作为优选的技术方案，待第二热处理结束后，进行第三热处理，第三热处理具体为：将合金随炉以5～10℃/min升温至600～650℃，保温大于6h后取出试样空冷，这样既避免晶粒长大又析出细小二次α相，获得宏观组织为直径不大于40μm的细小等轴晶粒组织，微观组织为30％～40％体积分数二次α相的高强高韧钛合金。作为优选的技术方案，所述第四步中，在沉积过程中，通过控制工艺参数，沉积区能量密度为36～40J/mm3，熔池熔宽与熔高之比为5～7，搭接率为51％～60％，使固液转变过程中熔池的冷却速率为105～106k/s，制备得到体积分数为71～85％、宽度为0.28～0.45mm的柱状晶和体积分数为15～29％、直径为110～200μm等轴晶混合组织，且柱状晶与等轴晶以间距2.5～4.5mm交错均匀分布，同时位错密度大于1018m-2的钛合金试样。作为优选的技术方案，第一热处理在控制宏观组织仍为沉积态“柱状晶+等轴晶”不变的情况下，部分释放内应力和畸变能，防止第二热处理驱动力过高，导致细小等轴晶粒发生晶粒长大。作为优选的技术方案，通过第二热处理得到体积分数不低于95％、直径不大于40μm的细小等轴晶粒组织，其中第二热处理等轴晶比例y与温度T与时间t需满足如下关系：y＝14.8((T-800)/800)2+0.085t。作为优选的技术方案，钛合金中[Mo]当量须在3.0～9.0范围内。作为优选的技术方案，钛合金粉末的粒度分布满足D10不低于75μm，D50在120～140μm范围内，D90不大于200μm。本专利技术的有益效果是：通过调控凝固过程预置内应力及畸变能，获得位错密度大于1018m-2，体积分数71～85％、宽度0.28～0.45mm的柱状晶和体积分数15～29％、直径110～200μm等轴晶的混合组织，且柱状晶与等轴晶交错均匀分布，相邻柱状晶间距2.5～4.5mm；在此沉积态组织基础上，精确匹配三重热处理，获得体积分数不低于95％、直径不大于40μm的细小等轴晶粒组织，可实现大型钛合金构件高性能制造。在实现较为细小均匀全等轴晶制备的同时，不改变材料成分，对于异形复杂结构适应性强且不会明显降低增材制造效率、适于批量化工业生产。附图说明图1为经激光增材制造获得的钛合金“柱状晶+等轴晶”组织；图2为经激光增材制造和三重热处理获得的细小钛合金等轴晶组织。具体实施方式下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，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，都属于本专利技术保护的范围。实施例1如图1所示，以激光增材制造Ti-6.5Al-3.5Mo-1.5Zr-0.3Si钛合金为例，一种可便捷本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种可便捷获得细小等轴晶粒的激光增材制造方法，其特征在于包括以下步骤：/n第一步，将粒径分布为160～240μm、氧含量大于0.08％的钛合金粉末装入送粉器；/n第二步，将基板固定在充满氩气惰性加工室工作台上，氩气纯度不低于99.999％；/n第三步，当工作室内氩气氧含量小于30ppm后，开始增材制造钛合金；/n第四步，在激光作用下，将钛合金粉末熔化沉积在基板上；/n第五步，沉积完成后打开氩气保护室，将沉积态钛合金取出；/n第六步，将沉积态钛合金放入热处理炉中，进行第一热处理，第一热处理具体为：将合金随炉以5～10℃/min升温至650～750℃，保温1～5h后取出试样空冷；/n第七步，待第一热处理结束后，进行第二热处理，第二热处理具体为：将合金随炉以10～20℃/min升温至850～930℃，保温2～10h后取出试样空冷。/n

【技术特征摘要】
1.一种可便捷获得细小等轴晶粒的激光增材制造方法，其特征在于包括以下步骤：
第一步，将粒径分布为160～240μm、氧含量大于0.08％的钛合金粉末装入送粉器；
第二步，将基板固定在充满氩气惰性加工室工作台上，氩气纯度不低于99.999％；
第三步，当工作室内氩气氧含量小于30ppm后，开始增材制造钛合金；
第四步，在激光作用下，将钛合金粉末熔化沉积在基板上；
第五步，沉积完成后打开氩气保护室，将沉积态钛合金取出；
第六步，将沉积态钛合金放入热处理炉中，进行第一热处理，第一热处理具体为：将合金随炉以5～10℃/min升温至650～750℃，保温1～5h后取出试样空冷；
第七步，待第一热处理结束后，进行第二热处理，第二热处理具体为：将合金随炉以10～20℃/min升温至850～930℃，保温2～10h后取出试样空冷。


2.根据权利要求1所述的一种可便捷获得细小等轴晶粒的激光增材制造方法，其特征在于：待第二热处理结束后，进行第三热处理，第三热处理具体为：将合金随炉以5～10℃/min升温至600～650℃，保温大于6h后取出试样空冷。


3.根据权利要求1所述的一种可便捷获得细小等轴晶粒的激光增材制造方法，其特征在于：所述第四步中，在沉积过程中，通过控制工艺参数，使沉积区能量密度为36～40J/mm3，熔池熔宽与熔高之比为5～7，搭接率为51％～60％，使固液转变过程中熔池的冷却速率为105～106k/s，制备得到体积分数为71～85％、宽度为0.28～0.45mm的柱状晶和体积分数为15～29％、直径为110～200μm等轴晶...

【专利技术属性】
技术研发人员：谢勇，周庆军，严振宇，王福德，
申请(专利权)人：首都航天机械有限公司，
类型：发明
国别省市：北京;11