具有纳米级细晶粒组织的钛合金构件的搅拌摩擦增材制造方法技术

本发明专利技术提供一种具有纳米级细晶粒组织的钛合金构件的搅拌摩擦增材制造方法，包括以下步骤：将第一钛合金棒材依次进行置氢处理和固溶处理，得到第二钛合金棒材；将第二钛合金棒材进行等径角挤压处理，使钛合金的晶粒尺寸细化至第一纳米晶粒区间，得到第三钛合金棒材；以第三钛合金棒材为原料，采用搅拌摩擦增材制造工艺，按照预设程序从第一层开始以向上生长的方式逐层沉积，直到沉积最后一层，获得钛合金构件中间体；将钛合金构件中间体进行退火与除氢热处理，得到具有纳米级细晶粒组织的钛合金构件，且钛合金的晶粒尺寸在第二纳米晶粒区间。本发明专利技术的方法降低了加工难度，且获得的钛合金组织性能更稳定，纳米晶得到良好的保留。纳米晶得到良好的保留。纳米晶得到良好的保留。

【技术实现步骤摘要】
具有纳米级细晶粒组织的钛合金构件的搅拌摩擦增材制造方法


[0001]本专利技术涉及增材制造
，具体而言涉及一种具有纳米级细晶粒组织的钛合金构件的搅拌摩擦增材制造方法。

技术介绍

[0002]常见的增材制造在过程中采用的热源种类包括激光、电弧、等离子、电子束等，这类熔化式增材制造过程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，这种过程极易造成冶金组织呈现显著的柱状晶组织。这种过程极易造成冶金组织呈现显著的柱状晶组织。当原料为钛合金时，在激光选区熔化、激光沉积成形等采用高能量高集中激光束的增材制造过程中，大部分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，形成了极不均匀的组织特征，这种粗大组织在能量密度更高的增材工艺中，甚至发展成为贯穿柱状晶，这严重影响钛合金构件的综合性能及其在承力结构中的应用，同时，上述制造过程还会造成组织宏微观不均匀性和诸多冶金缺陷，如气孔、微裂纹等，影响钛合金构件的服役性能。
[0003]细晶化是金属材料重要的强化方式之一，强化效果Hall
‑
Petch理论公式给出了定量化描述，其内在机制在于晶粒越细，晶界越多，位错运动阻力越大，晶粒越细，应力集中小，裂纹不易萌生和传播，具有好的断裂韧性。传统经验表明，塑性变形是实现组织和缺陷同步改善的最具潜力的方法，也是最有效的方法，传统结构往往经过铸造
‑<br/>锻造/轧制等流程，实现组织的细化和变形强韧化，通过剧烈塑性变形实现组织的纳米化材料性能显著提升，因此实现增材制造组织超细晶化和纳米化，意义显著。
[0004]为此，国内外学者将塑性变形引入增材制造中，采用微轧、微锻等方式进行组织调控。英国Martina等人与燕山大学、东北大学等在电弧送丝过程，引入高压轧辊在线轧制，钛合金柱状晶显著细化至56
‑
139μm；华中科技大学张海鸥教授开发了以电弧、等离子束为热源的智能微铸锻铣复合制造技术，取得了一定的效果；西安交大、燕山大学、沈阳航空航天大学等人采用点式锻压、过程锤击等方式引入塑性变形取得了一定效果。
[0005]塑性变形及其回复再结晶细化是增材制造的重要解决办法，但目前存在变形量显著不足，特别是对于钛合金来说，常规的塑性变形加工产生的细晶化效果较差，难以获得纳米晶，因此，改善增材制造钛合金组织并保留在构件内的工艺方法亟待发掘。

技术实现思路

[0006]本专利技术目的在于针对现有技术的不足，提供一种具有纳米级细晶粒组织的钛合金构件的搅拌摩擦增材制造方法，以依次经过置氢处理、固溶处理和等径角挤压处理的钛合金棒材为原料，结合搅拌摩擦增材制造工艺加工成形，直接获得具有纳米级细晶粒组织的钛合金构件，且降低了加工难度，且钛合金组织性能更稳定，纳米晶得到良好的保留。
[0007]为实现上述目的，本专利技术所采用的技术方案如下：
[0008]一种具有纳米级细晶粒组织的钛合金构件的搅拌摩擦增材制造方法，包括以下步骤：
[0009]将第一钛合金棒材依次进行置氢处理和高温固溶处理，得到第二钛合金棒材；
[0010]将第二钛合金棒材进行等径角挤压处理，使钛合金的晶粒尺寸细化至第一纳米晶粒区间，得到第三钛合金棒材；
[0011]以第三钛合金棒材为原料，采用搅拌摩擦增材制造工艺，按照预设程序从第一层开始以向上生长的方式逐层沉积，直到沉积最后一层，获得钛合金构件中间体；
[0012]将钛合金构件中间体进行退火与除氢热处理，得到具有纳米级细晶粒组织的钛合金构件，且钛合金的晶粒尺寸在第二纳米晶粒区间；
[0013]其中，通过置氢处理和固溶处理降低了钛合金的加工应力，并提高了钛合金组织的稳定性。
[0014]在可选的方式中，所述第一纳米晶粒区间为(200nm,500nm]。
[0015]在可选的方式中，所述第二纳米晶粒区间为[50nm,200nm]。
[0016]在可选的方式中，置氢处理的具体工艺包括：
[0017]将第一钛合金棒材至于管式置氢热处理炉内，抽真空至1.5*10
‑3Pa后以10～20℃/min的速度加热至700℃～800℃，保温10～30min后根据钛合金棒材的重量百分比充入0.1～0.8％的氢气，保温1～4h后，再以5～15℃/min的速度冷却至室温。
[0018]在可选的方式中，高温固溶处理的具体工艺包括：
[0019]将置氢处理后的第一钛合金棒材放进热处理炉内，以10～20℃/min的速度加热至钛合金相变温度T
p
℃+10℃，保温20～40min后，再经过水冷快速冷却至室温，得到第二钛合金棒材。
[0020]在可选的方式中，等径角挤压处理的具体工艺包括：
[0021]将第二钛合金棒材以10～20℃/min的速度加热至预热至600℃并保温至少20min，将等径角挤压模具以10～20℃/min的速度加热至350℃后立即将预热的第二钛合金棒材转移到等径角挤压模具中，第二钛合金棒材在模具的挤压作用下以5～10mm/s的速度进行一个道次的挤出。
[0022]在可选的方式中，采用模具内角范围为90～130
°
，模具外角ψ为0～30
°
的模具进行等径角挤压处理。
[0023]在可选的方式中，搅拌摩擦增材制造的工艺参数包括：
[0024]搅拌头前进速度：100～2000mm/min；搅拌头转速：500～3000r/mm；送料速度：1～200mm/min；搅拌头下压力：10～500KN；搅拌头压入量：0.1～10mm。
[0025]在可选的方式中，退火与除氢热处理的具体工艺包括：
[0026]将钛合金构件中间体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700℃～800℃并调节炉内真空度，保持炉内真空度高于3*10
‑3Pa，保温2～4h后以5～15℃/min冷却至室温。
[0027]由以上本专利技术的技术方案可见，本专利技术提出的具有纳米级细晶粒组织的钛合金构件的搅拌摩擦增材制造方法，在置氢固溶的前提下，再利用等径角挤压工艺的大塑性变形特点实现在不改变材料化学成分的条件下获得纳米级细晶粒，在经过等径角挤压工艺后，
晶粒尺寸减小，晶界密度增大，晶内位错密度升高，晶粒转动和滑动可协调性加强，同时，晶粒越细小，等轴性越好，产生的空洞尺寸和密度也越小，晶粒的滑动和转动也越容易，提升了钛合金的力学性能，在此基础上再结合搅拌摩擦增材制造技术进一步细化晶粒，且由于搅拌摩擦过程的热输入大幅降低，材料受热或冷却过程中发生膨胀和收缩成都不大，不均匀变形程度很小，材料内的残余应力很小，从而达到获得拥有纳米级细晶粒组织与良好力学性能的目的。
[0028]而本专利技术通过置氢固溶先改变钛合金的相组成与微观结构，使本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种具有纳米级细晶粒组织的钛合金构件的搅拌摩擦增材制造方法，其特征在于，包括以下步骤：将第一钛合金棒材依次进行置氢处理和高温固溶处理，得到第二钛合金棒材；其中，置氢处理是将第一钛合金棒材置于热处理炉中，并通入与第一钛合金棒材的重量成一定百分比的氢气后保温处理，再冷却至室温；将第二钛合金棒材进行等径角挤压处理，使钛合金的晶粒尺寸细化至第一纳米晶粒区间，得到第三钛合金棒材；以第三钛合金棒材为原料，采用搅拌摩擦增材制造工艺，按照预设程序从第一层开始以向上生长的方式逐层沉积，直到沉积最后一层，获得钛合金构件中间体；将钛合金构件中间体进行退火与除氢热处理，得到具有纳米级细晶粒组织的钛合金构件，且钛合金的晶粒尺寸在第二纳米晶粒区间；其中，通过置氢处理和固溶处理降低了钛合金的加工应力，并提高了钛合金组织的稳定性。2.根据权利要求1所述的具有纳米级细晶粒组织的钛合金构件的搅拌摩擦增材制造方法，其特征在于，所述第一纳米晶粒区间为(200nm,500nm]。3.根据权利要求1所述的具有纳米级细晶粒组织的钛合金构件的搅拌摩擦增材制造方法，其特征在于，所述第二纳米晶粒区间为[50nm,200nm]。4.根据权利要求1所述的具有纳米级细晶粒组织的钛合金构件的搅拌摩擦增材制造方法，其特征在于，置氢处理的具体工艺包括：将第一钛合金棒材至于管式置氢热处理炉内，抽真空至1.5*10
‑3Pa后以10～20℃/min的速度加热至700℃～800℃，保温10～30min后根据钛合金棒材的重量百分比充入0.1～0.8％的氢气，保温1～4h后，再以5～15℃/min的速度冷却至室温。5.根据权利要求1所述的具有纳米级细晶粒组织的钛合金构件的搅拌摩擦增材制造方法，其特征在于，高温固溶处理的具体工艺包括：将置氢处理后的第一...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙中刚，陈刘冰，郭艳华，戴国庆，董月成，罗开玉，
申请(专利权)人：南京工业大学，
类型：发明
国别省市：