一种细化激光增材制造钛合金晶粒的方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种细化激光增材制造钛合金晶粒的方法及系统，属于增材制造技术领域，包括如下步骤：S1：在惰性气氛保护下，在钛合金基板表面增材制造沉积层；S2：在惰性气氛保护下，将沉积层进行感应加热至900℃

【技术实现步骤摘要】
一种细化激光增材制造钛合金晶粒的方法及系统


[0001]本专利技术属于增材制造领域，具体的涉及一种细化激光增材制造钛合金晶粒的方法及系统。

技术介绍

[0002]激光增材制造技术发展于上世纪80年代，将激光增材制造技术与快速成型技术的快速成型原理结合起来的一种新型快速制造技术。首先在计算机中通过三维CAD软件形成零件的实体模型，然后再按照一定的厚度将CAD建立的模型进行分层，然后将三维实体模型转换为二维轮廓模型，随后在机床或机器人的控制下用同步送粉激光沉积等方法对金属材料在一定的路径进行逐点填充给定的形状，直到形成建模的三维实体形状。
[0003]从凝固学原理可知，激光增材制造过程是一个快速冷却的非平衡过程。当熔池凝固时，初始形成的沉积层为马氏体。由于激光增材制造为逐渐堆积的过程可以明显地观察到沿沉积高度方向的柱状晶和平行于激光扫描方向的沉积层间带。在熔池凝固的过程中，熔池中绝大部分热量以热传导的方式通过基板15沿垂直向下的方向流失，熔池上熔体将在熔池底部同质材料上逆着热流方向增长产生粗大的柱状晶组织，不利于金属的各向同性的力学性能，为了得到不同的组织，常通过物理方法去调节合金内部组织，以下为常用方法：
[0004]超声波振动法，超声波发生器发出超声波驱动超声波换能器，工作台将超声波导入高温的熔池中进而使整个沉积制造过程受到超声波持续作用，从而影响固
‑
液界面胞状晶的生长从一定程度上控制柱状晶的形成、长大，改变胞状晶的形貌使胞状晶按照不同方向生长以达到等轴晶的形成条件，使激光沉积制造钛合金的性能体现出各向异性。
[0005]这种方法由于超声波设备功率的限制，沉积金属凝固的过程中，由于熔体金属的流动性不强，且快速凝固，超声波并不能在熔融金属内部产生空化现象，并不能产生足够的形核质点，另一方面由于超声波从工作台向上传导，因此沉积层不同高度上受到超声波的能力不同，控制柱状晶的能力有限。
[0006]电磁搅拌法，类似超声波振动法，均是通过外力搅拌熔池的作用抑制柱状晶的成型和长大，弊端同超声波振动法，由于熔融金属的流动性不强，且快速凝固，因此对组织性能的改善能力有限。
[0007]热处理法，这是处理钛合金的常见方法，但是，在激光增材制造时，尤其是制造大而厚零件的过程中，由于制造过程存在极高的能量密度，零件内部产生极强的内应力以至于在零件表面产生裂纹使零件失效，这是在热处理之前需要解决的问题，去应力退火可能使得零件开裂直接失效，因此在制造大型零件时，热处理改变组织性能的方法并不适用。
[0008]外力形变法，这是最近几年提出的，在增材零件制造的过程中对增材表面施加外力使得成型层形变，减小内应力的同时，破坏生长的柱状晶，进而细化组织达到调控组织性能的效果。但是由于钛合金的屈服强度极高，外力形变常常借助重压和高冲击以使得成型层变形，因此外力形变系统通常非常巨大，例如公开号为CN104313600A的中国专利技术专利公开了一种利用锻压机对成型表面施加外力产生变形的方法，锻压设备巨大，对整个加工环
境的密封性要求较高，并且使用大型锻压机降低了生产效率，提高生产成本。
[0009]综合以上方法，最近公开号为CN107584118A的中国专利技术专利公开了一种增材制造用锻压热处理一体化装置及进行增材制造的方法，该方法通过热处理和锤锻对增材过程中的零件进行实时处理，但是该方法并不能对钛合金进行针对性的研究处理，使用效果大打折扣。
[0010]如何减小激光增材制造钛合金零件的应力以及如何调控激光增材制造钛合金微观组织性能，是激光增材制造领域绕不开难题。

技术实现思路

[0011]本专利技术的目的在于，提供一种细化激光增材制造钛合金晶粒的方法及系统，具有进一步细化晶粒、控制形貌、效率高、方便实现的特点。
[0012]本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：一种细化激光增材制造钛合金晶粒的方法，包括如下步骤：
[0013]S1：在惰性气氛保护下，在钛合金基板表面增材制造钛合金沉积层；
[0014]S2：在惰性气氛保护下，将沉积层进行感应加热至900℃
‑
1000℃；
[0015]S3：在惰性气氛保护下，将感应加热后的沉积层进行滚轧；
[0016]S4：重复S1
‑
S3，直至制造出所预定的沉积形态。
[0017]进一步地，S1增材制造沉积层层数至少为一层；S2沉积层进行感应加热时，加热全部沉积层或者部分沉积层。
[0018]进一步地，S2感应加热时加热功率参考如下公式：
[0019][0020]式中：C为钛合金沉积层平均比热容；T、T0为钛合金沉积层塑性变形温度及初始温度；M为钛合金沉积层质量；t为感应加热时长；P
T
是沉积层上升到设定温度所需功率；η为感应加热效率，取值η＝0.55
‑
0.60。
[0021]进一步地，S3滚轧时，控制沉积层的温度不低于850℃。
[0022]进一步地，S3滚轧时，控制沉积层厚度变形量为60％
‑
70％。
[0023]本专利技术还提供了一种细化激光增材制造钛合金晶粒的系统，包括控制台、气氛保护箱、轧辊、感应加热装置、激光增材制造系统、移动平台；所述移动平台置于气氛保护箱内，用于放置钛合金基板；该移动平台上方的气氛保护箱的顶部安装有激光增材制造系统、感应加热装置以及轧辊；其中感应加热装置设置在激光增材制造系统及轧辊之间；所述激光增材制造系统、感应加热装置和轧辊均控制台控制。
[0024]进一步地，所述气氛保护箱侧面上部设有惰性气体入口，所述惰性气体入口通过阀门与惰性气瓶连接；所述惰性气体入口下方的气氛保护箱上设有惰性气体气浓度监测装置、气压传感器。
[0025]进一步地，所述气氛保护箱侧面下部设置洗气口，所述洗气口通至室外以平衡气氛保护箱内部压力。
[0026]进一步地，所述气氛保护箱顶部还安装有红外线相机，用以监控增材制造和感应加热过程中沉积层的温度。
[0027]本专利技术的原理为：
[0028]本专利技术的钛合金沉积层经过感应加热并滚轧的增材薄壁，从组织上，一方面阻止粗大的β柱状晶在合金冷却时形成，利用热轧所产生的动态再结晶机制，细化晶粒组织；另一方面产生形核质点，使得沉积的下一层沉积态钛合金β柱状晶无法继续沿着第一层的β柱状晶继续生长，从而起到细化晶粒的作用。从力学性能上，沉积态钛合金经过感应加热并锻造使得沉积态钛合金的屈服强度提高，内应力大大减小，感应加热后方便滚轧对沉积层施加压力，有利于控制整体设备体积的同时方便对箱体进行结构设计。
[0029]本专利技术的一种细化激光增材制造钛合金晶粒的方法及系统，与现有技术相比，具有如下优点：
[0030]1.创造性地将钛合金的热加工特性引入到增材制造领域，并且结合钛合金增材制造薄壁自身形貌和组织特点，针对性地对其缺点进行弥补，为增材制造的更广泛应用拓宽思路。
[0031]2.本方法将增材薄本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种细化激光增材制造钛合金晶粒的方法，其特征在于，包括如下步骤：S1：在惰性气氛保护下，在钛合金基板表面增材制造钛合金沉积层；S2：在惰性气氛保护下，将沉积层进行感应加热至900℃
‑
1000℃；S3：在惰性气氛保护下，将感应加热后的沉积层进行滚轧；S4：重复S1
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S3，直至制造出所预定的沉积形态。2.根据权利要求1所述的一种细化激光增材制造钛合金晶粒的方法，其特征在于，S1增材制造沉积层层数至少为一层；S2沉积层进行感应加热时，加热全部沉积层或者部分沉积层。3.根据权利要求1所述的一种细化激光增材制造钛合金晶粒的方法，其特征在于，S2感应加热时加热功率参考如下公式：式中：C为钛合金沉积层平均比热容；T、T0为钛合金沉积层塑性变形温度及初始温度；M为钛合金沉积层质量；t为感应加热时长；P
T
是沉积层上升到设定温度所需功率；η为感应加热效率。4.根据权利要求1所述的一种细化激光增材制造钛合金晶粒的方法，其特征在于，S3滚轧时，控制沉积层的温度不低于850℃。5.根据权利要求1所述的一种细化激光增材制造钛合金晶粒...

【专利技术属性】
技术研发人员：周思雨，杨光，钦兰云，李播博，王雨时，伊俊振，王超，赵朔，何波，任宇航，李长富，安达，王霞，王伟，
申请(专利权)人：沈阳航空航天大学，
类型：发明
国别省市：