一种基于磁场调控的双相钛合金激光增材制造方法技术

本发明专利技术提供了一种基于磁场调控的双相钛合金激光增材制造方法，属于金属增材制造技术领域。本发明专利技术提供的磁场调控的双相钛合金激光增材制造方法，包括：在磁场作用下，对双相钛合金粉末进行进行激光增材制造，得到双相钛合金。本发明专利技术采用外加磁场实时影响双相钛合激光增材制造过程中的高温相变区域，实时控制组织演化过程，抑制残余应力并提高综合力学性能；将磁场引入激光增材制造的原位热处理中，将磁场作用于由热循环造成的高温相变区域，为固态相变提供额外的磁场能量，在磁吉布斯自由能和高温的共同作用下，改变多次固态相变过程的相变热力学和元素的扩散行为，引导位错在晶内迁移，促进马氏体的分解和网篮结构的粗化。促进马氏体的分解和网篮结构的粗化。促进马氏体的分解和网篮结构的粗化。

【技术实现步骤摘要】
一种基于磁场调控的双相钛合金激光增材制造方法


[0001]本专利技术涉及金属增材制造
，尤其涉及一种基于磁场调控的双相钛合金激光增材制造方法。

技术介绍

[0002]钛合金凭借着低密度、高比强度和耐腐蚀性，被广泛应用于航空航天、生物医学、兵器等领域。双相钛合金主要以α相为主，并含有一定量的β相，其具有相较于α相钛合金更优异的综合力学性能，和比β相钛合金更高的使用温度。因此双相钛合金被广泛应用于航空航天领域，如航空发动机的压气机盘、风扇、机匣和飞机隔框等。
[0003]对于复杂结构的双相钛合金零件，传统加工技术存在加工难度大、工期时间长、工艺复杂等缺点，而使用激光增材制造技术可以很好的解决这些问题。激光增材制造技术通过高能激光束熔化同步输送的金属粉末，并利用分层原理，将三维实体转化为二维图像，在控制系统操控下，以一定的形状逐层累积出三维实体。激光增材制造技术较小的熔池尺度，给予其制造过程中更高的空间自由度，可柔性制造复杂结构零件。
[0004]较小的熔池尺度同时也给双相钛合金的凝固过程带来了较高的冷却速度和较高的温度梯度，这导致双相钛合金的高温β相直接转变为马氏体相，并使得零件内部存在较大的残余应力，这导致激光增材制造的双相钛合金零件具有强度高塑性低的特点。在激光增材制造过程中，后一层的熔覆过程会导致前一层已凝固组织的部分重熔，因此双相钛合金的组织内部存在外延生长且穿过多个沉积层的粗大β柱状晶，在高于β转变温度的热处理下才可以将其转变为β等轴晶，这导致激光增材制造钛合金零件的力学性能具有明显的各向异性。其力学性能难以满足ASTM B381
‑
13的标准，严重制约了激光增材制造双相钛合金的发展和应用。
[0005]从现有的研究结果来看，通过调整激光工艺参数来调控双相钛合金的力学性能是有限的。磁场作为一种无接触式的冶金控制手段，早在六七十年前就被应用于冶金材料制备过程。对于熔体的凝固过程，外加磁场可基于磁阻尼效应和热电磁效应，在不同的凝固条件、磁场强度和作用尺度下促进或抑制熔体的流动和传热，进而影响凝固枝晶的取向、间距以及形貌。需要注意的是，磁场可以改变钛合金的相变动力学，在热和磁场的耦合作用下，双相钛合金的组织形貌会发生一定的改变，中国专利：一种TC4钛合金加工方法(CN110551956A)，在传统热处理过程中对激光选区熔化Ti
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6Al
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4V合金施加强磁场以大大提高了钛合金的强度和塑性。
[0006]激光增材制造作为一种多层熔覆的技术，在层层堆叠的过程中，已凝固层的温度必然会上升到很高的温度，同时也随着激光高能束的移动而冷却。虽然此过程十分短暂，但是温度的升高和下降会随着沉积的进行循环往复，这也被称为热循环过程。在激光增材制造的热循环过程中，马氏体相会分解为α相和β相，网篮组织也会发生一定的变化，这相当于对双相钛合金零件进行了原位热处理，但由于高温作用时间短暂，激光增材制造双相钛合金的塑性不如传统加工所得的双相钛合金。
[0007]为了能够提高双相钛合金的性能，往往需要对打印好的钛合金进行热处理，传统的获得双态组织钛合金热处理工艺通常是以多重退火及多次时效相结合，虽然这种热处理方式会根据温度及时间和冷却速率的不同在不同程度上提升双相钛合金的塑性，但是对于服役环境严苛的双相钛合金而言其塑性仍然不够理想，且这种获得双态组织的热处理方式由于需要在T
β
附近进行多次加热及冷却，效率较低。
[0008]因此，提供一种制备过程简单，且能够提高双相钛合金塑性的方法，成为本领域亟待解决的技术问题。

技术实现思路

[0009]本专利技术的目的在于提供一种基于磁场调控的双相钛合金激光增材制造方法，本专利技术提供的磁场原位热处理方法制备的双相钛合金具有更平衡的力学性能。
[0010]为了实现上述专利技术目的，本专利技术提供以下技术方案：
[0011]本专利技术提供了一种基于磁场调控的双相钛合金激光增材制造方法，包括：在磁场作用下，对双相钛合金粉末进行进行激光增材制造，得到双相钛合金。
[0012]优选地，所述双相钛合金粉末包括但不限于Ti
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6Al
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4V、Ti
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5Al
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2Sn
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2Zr
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4Mn
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4Cr或Ti
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6Al
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2Sn
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4Zr
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6Mo。
[0013]优选地，所述双相钛合金粉末的粒径范围为53～150μm，平均粒径为75～90μm。
[0014]优选地，所述激光增材制造在保护气氛中进行，所述保护气氛为氩气或氦气。
[0015]优选地，所述保护气氛中的氧含量低于50ppm。
[0016]优选地，所述磁场的强度为0.1～1T。
[0017]优选地，所述磁场作用于由原位热循环造成的α\β高温相变区域。
[0018]优选地，所述α\β高温相变区域的温度为800～1000℃。
[0019]优选地，所述激光增材制造的参数包括：激光功率为1800～2200W，激光扫描速度为5～20mm/s，激光能量密度为100～200J/mm，送粉量为5～20g/min，激光熔覆头抬升量为0.4～0.5mm。
[0020]本专利技术提供了上述技术方案所述激光增材制造方法制备得到的双相钛合金。
[0021]本专利技术提供了一种基于磁场调控的双相钛合金激光增材制造方法，包括：在磁场作用下，对双相钛合金粉末进行进行激光增材制造，得到双相钛合金。本专利技术采用外加磁场实时影响双相钛合激光增材制造过程中的高温相变区域，实时控制组织演化过程，抑制残余应力并提高综合力学性能；将磁场引入激光增材制造的原位热处理中，为固态相变提供额外的磁场能量，在磁吉布斯自由能和高温的共同作用下，改变多次固态相变过程的相变热力学和元素的扩散行为，引导位错在晶内迁移，促进马氏体的分解和网篮结构的粗化；相较于改善激光增材制造双相钛合金微观组织的传统技术，具有干净无接触、高效便捷且成本低的特点，适用于航空航天、兵器、医疗等诸多双相钛合金制造
实施例的结果显示，本专利技术提供的制造方法得到的双相钛合金展现出粗大的网篮组织，同时双相钛合金的极限抗拉强度超过950MPa，断裂延伸率超过14％，具有更平衡的力学性能。
附图说明
[0022]图1为本专利技术中用于磁场调控的双相钛合金激光增材制造的装置；
[0023]图1中，1为基板，2为钛合金零件，3为磁体装置，4为磁体固定装置，5为激光熔覆头，6为水冷系统，7为数控系统，8为送粉器，9为激光器；
[0024]图2为本专利技术中用于磁场调控的双相钛合金激光增材制造的装置；
[0025]图2中，1为基板，2为钛合金零件，3为磁体装置，4为磁体固定装置，5为激光熔覆头，6为水冷系统，7为数控系统，8为送粉器，9为激光器；
[0026]图3为本发本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于磁场调控的双相钛合金激光增材制造方法，包括：在磁场作用下，对双相钛合金粉末进行进行激光增材制造，得到双相钛合金。2.根据权利要求1所述的激光增材制造方法，其特征在于，所述双相钛合金粉末包括但不限于Ti
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6Al
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4V、Ti
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5Al
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2Sn
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2Zr
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4Mn
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4Cr或Ti
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6Al
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2Sn
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4Zr
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6Mo。3.根据权利要求1或2所述的激光增材制造方法，其特征在于，所述双相钛合金粉末的粒径范围为53～150μm，平均粒径为75～90μm。4.根据权利要求1所述的激光增材制造方法，...

【专利技术属性】
技术研发人员：王江，陈超越，曹庭玮，任忠鸣，徐松哲，胡涛，帅三三，
申请(专利权)人：上海大学，
类型：发明
国别省市：