一种三态组织钛合金构件的激光增材制造方法技术

本发明专利技术涉及一种三态组织钛合金构件的激光增材制造方法，属于三态组织钛合金的制备技术领域。本发明专利技术通过调控凝固过程获得位错密度大于10

【技术实现步骤摘要】
一种三态组织钛合金构件的激光增材制造方法


[0001]本专利技术涉及一种三态组织钛合金构件的激光增材制造方法，属于三态组织钛合金的制备


技术介绍

[0002]钛合金由于密度低、比强度高和耐蚀性好等优点，广泛用于发动机的压气机叶片和主承力结构框。传统钛合金构件的制备方法为铸造成坯件后进行热变形加工，最后再进行减材加工成件。该方法材料利用率低、制造周期长、工艺流程复杂。激光增材制造技术依据三维切片CAD模型，按照成形规划路径，利用激光逐层逐道熔化堆积成形零件，已广泛应用于航空航天领域。该技术具有材料利用率高、制造周期短、工艺流程简单等特点，在复杂大型钛合金构件制备领域具有独特优势。
[0003]激光增材制造钛合金构件经历超快加热、超快冷却、超快凝固和多次局部热循环作用等多重非平衡态冶金过程，使得凝固过程温度梯度大、冷却速率高，其微观组织为沿着晶界析出长大的超细小微米薄片组织(0.42～0.64μm)。与锻造钛合金构件相比，激光增材制造钛合金构件拉伸强度高而延伸率低，严重制约了其在航空航天领域的应用。实际工程应用中，理想微观组织为长条初生α相(α
P
)、球化α相(α
G
)和二次α相(α
S
)。因此，如何获得典型特种三态组织成为激光增材制造钛合金领域的研究热点。
[0004]通常情况下，传统制造钛合金构件薄片组织需要经历多次塑性变形和多次热处理，最终转变为特种三态组织。例如，Xu等人指出TC17钛合金经热加工(应变量1.03和860℃热处理)，其微米薄片组织变为特种三态组织。Peng等人发现TC4
‑
DT钛合金经过热加工(应变量1.6和800℃热处理)，其微米薄片组织也可转变为特种三态组织。高鹏飞等人发现，塑性变形破坏了薄片组织α/β界面，原有稳定的片状α相内部形成亚晶界(半共格界面使其转变为非共格界面)，使得相内部形成再结晶晶粒，由于表面张力的作用，使得β相易于进入新的α/α界面，α相逐渐分离形成了新的α晶粒(非共格界面转变为新的共格界面)，最终形成特种三态组织。
[0005]目前，国内外已有公开报道通过引入超声冲击或逐层轧制等方法调控激光增材制造钛合金的微观组织形态。Donoghue等人发现超声冲击可使宽度为1.44～1.82μm薄片组织转变为1.19～1.32μm的细小薄片组织，经过热处理(970℃/2h/空冷)该组织转变为特种三态组织。Antonysamy等人指出，逐层轧制使1.56～1.92μm薄片组织转变为1.21～1.42μm的细小薄片组织，经过(980℃/4h/空冷)该组织转变为特种三态组织。类似地，Martina等人发现逐层轧制也可使薄片组织转变为特种三态组织。引入超声冲击或逐层轧制会显著降低增材制造效率、降低复杂构件制造的柔性和增加制造成本，不利于批量化工业生产。因此，急需提出一种可获得特种钛合金三态组织的激光增材制造方法，在获得性能优异的特种三态组织的同时，不降低增材制造效率且对于复杂构件适应性强。

技术实现思路

[0006]为了克服现有技术的不足，本专利技术提供一种三态组织钛合金构件的激光增材制造方法，在实现性能优异三态组织制备的同时，不降低增材制造效率且对于复杂构件适应性强，适于批量化工业生产。
[0007]本专利技术是通过以下技术方案来实现的：
[0008]一种三态组织钛合金构件的激光增材制造方法，包括以下步骤：
[0009]第一步，将粒度规格为85
‑
250μm的钛合金粉末装入送粉器，粉末氧含量须大于0.1wt％；
[0010]第二步，将基板固定在充满氩气的工作室工作台上，氩气纯度不低于99.999％；
[0011]第三步，当工作室内水氧含量小于60ppm后，开始钛合金激光成形，将同步送入的钛合金粉末按照规划路径逐层逐道沉积在基板上，即进行第一层的沉积；
[0012]第四步，待第一层沉积完成后，冷却30
‑
50min，再进行下一层沉积；
[0013]第五步，沉积完成后打开工作室门，取出钛合金沉积态构件，利用线切割将沉积态钛合金构件和基板分离；
[0014]第六步，将沉积态钛合金构件放入热处理炉中，进行一次热处理，一次热处理具体为：以10～15℃/min的速率升温至950～990℃，保温6～12h后取出试样空冷；
[0015]第七步，待一次热处理结束后，进行二次热处理，二次热处理具体为：以15～25℃/min的速率升温至550～650℃，保温5～10h后取出试样空冷；
[0016]所述的第三步中，进行第一层沉积时的激光扫描工艺参数如下：激光功率为2.5～4.5kW，扫描速度为550
‑
560mm/s，光斑直径为3～6mm，搭接率为41％～51％；
[0017]所述的第四步中，进行下一层沉积时的激光扫描工艺参数如下：激光功率为2.5～4.5kW，扫描速度为660～1100mm/s，光斑直径为3～6mm，搭接率为41％～51％，使得成形中熔池的冷却速率为106～10
6.5
k/s，制备得到体积分数为100％、宽度为0.42～0.64μm超细小薄片组织，同时位错密度大于10
19
m
‑2的钛合金试样；
[0018]所述的一次热处理使超细小薄片组织α/β界面迁移，形成新的长条α
P
相，同时部分位错密度较高区域α/β界面断裂，新的α相破坏原始α/β界面，形成新的球化α
G
相，防止一次热处理消耗的存储能过高，导致二次热处理无法形成α
S
相。
[0019]通过二次热处理在防止长条α
P
相和球化α
G
相均发生粗化的基础上，同时保证40～50％体积分数α
S
相形成。
[0020]作为优选的技术方案，待一次热处理结束后，进行二次热处理，二次热处理具体为：该合金随炉以15～25℃/min升温至550～650℃，保温5～10h后取出试样空冷，这样既避免初生α相(α
P
)粗化和球化α相(α
G
)长大，获得微观组织为宽度不大于2.82μm的α
P
相、直径不大于10μm的细小α
G
相和40～50％体积分数二次α相(α
S
)的高强高韧钛合金。
[0021]作为优选的技术方案，通过一次热处理使超细小薄片组织α/β界面迁移，形成新的长条α
P
相，同时部分位错密度较高区域α/β界面断裂，新的α相破坏原始α/β界面，形成新的球化α
G
相。
[0022]作为优先选的技术方案，通过二次热处理在防止长条α
P
相和球化α
G
相均发生粗化的基础上，同时保证40～50％体积分数α
S
相形成。
[0023]作为优选的技术方案，钛合金中[Mo]当量须在2.5～5.本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种三态组织钛合金构件的激光增材制造方法，其特征在于包括以下步骤：第一步，将钛合金粉末装入送粉器；第二步，将基板固定在工作室的工作台上；第三步，当工作室内水氧含量小于60ppm后，开始钛合金激光成形，将同步送入的钛合金粉末沉积在基板上进行第一层的沉积；第四步，待第一层沉积完成后，间隔设定时间，再进行下一层沉积直至达到钛合金构件的尺寸要求；第五步，沉积完成后取出钛合金沉积态构件并将沉积态钛合金构件和基板分离；第六步，将分离后的沉积态钛合金构件放入热处理炉中进行一次热处理，一次热处理温度为950～990℃，保温6～12h；第七步，待一次热处理结束后，进行二次热处理，二次热处理温度为550～650℃，保温5～10h。2.根据权利要求1所述的一种三态组织钛合金构件的激光增材制造方法，其特征在于：所述的第一步中，钛合金粉末的粒度规格为85
‑
250μm，钛合金粉末的氧含量大于0.1wt％。3.根据权利要求1或2所述的一种三态组织钛合金构件的激光增材制造方法，其特征在于：所述的第二步中，工作室中氩气纯度不低于99.999％。4.根据权利要求1所述的一种三态组织钛合金构件的激光增材制造方法，其特征在于：所述的第三步中，钛合金粉末沉积在基板上时按照规划路径逐层逐道进行沉积。5.根据权...

【专利技术属性】
技术研发人员：白洁，王亚军，马瑞，李启春，侯彦昊，
申请(专利权)人：北京动力机械研究所，
类型：发明
国别省市：