一种梯度策略3D打印TiAl合金的制备方法技术

本发明专利技术提供一种梯度策略3D打印TiAl合金的制备方法，涉及先进制造的技术领域。所述梯度策略3D打印TiAl合金的制备方法是通过在打印前对基板进行原位加热，使基板达到红热状态，之后在红热基板上预打印一种与TiAl合金热膨胀系数相近且易于成形的材料，然后在预打印材料上打印TiAl合金，最后切割掉底部的预打印材料，制备得到表面无宏观裂纹的高抗拉强度的TiAl合金产品。本发明专利技术不需要模具和设备改造，制备的工件致密度高、室温抗拉强度高、易进行室温加工、表面精度高、无裂纹，只需简单的热处理或表面加工就可以实现工程应用，既节约成本又极具应用价值，利于工业大规模生产和推广。利于工业大规模生产和推广。利于工业大规模生产和推广。

【技术实现步骤摘要】
一种梯度策略3D打印TiAl合金的制备方法


[0001]本专利技术涉及先进制造
的
，尤其涉及一种梯度策略3D打印TiAl合金的制备方法，主要用于解决现有通过3D打印制备TiAl合金时，由于凝固过程中冷却速度快导致残余应力大，引起应力集中从而发生开裂的问题，无法直接在合金基板上直接打印出成形性良好的TiAl合金。

技术介绍

[0002]航空航天事业和民用工业的高速发展对高温结构材料的使用提出了更高的要求。特别是对于航空航天领域而言，减重是一个永恒的话题，这也给高温结构材料的使用带来了新的挑战。TiAl合金凭借着低密度(仅为镍基高温合金的一半)、高比强度、高弹性模量、良好的氧化性能和蠕变性能逐渐成为新一代轻质高温结构材料。目前，TiAl合金服役温度为750℃左右，已经成功应用在航空航天领域的高温部件，如叶片和涡轮盘等。但是，TiAl合金的本征脆性和难加工性限制了其更为广泛的工程化应用，也是研究者们亟待解决的难题。
[0003]目前，已经应用的TiAl合金有四种典型的成形工艺，分别是：铸锭冶金、精密铸造、粉末冶金和增材制造。增材制造也被称为三维(3D)打印技术，通过计算机辅助设计(CAD)按需求快速制造近净形状的组件，且制造过程中不需要其他任何特定部件。3D打印设备通过“逐层”方法，逐步沉积材料，从聚合物到金属、复合材料都可以进行打印。
[0004]与其他传统制造技术相比，3D打印可以成形更为复杂的几何结构，实现产品结构的创新性设计以及部件的自由制造。同时，该方法具有较高的原料利用率，无需太多的机加工后处理，极大地减少了生产成本和时间。3D打印具有快速凝固的特点，所以通过该方式制备的TiAl合金，明显降低了组织偏析，同时细化晶粒，也避免了TiAl合金室温脆性带来的难加工的特征。但是，TiAl合金的3D打印过程中由于快速凝固的关系，其所制备的产品热应力较高，并不能够得到及时便捷的释放，从而会有开裂的缺陷存在。
[0005]解决该技术缺陷的技术方案的关键是尽可能地减小残余应力。
[0006]例如：中国专利CN107695350A公开了一种基于电子束3D打印技术制备TiAl合金构件的方法，虽然其所采用的电子束采用的底板预热能在某种程度上降低热应力，但是其所制备TiAl合金不仅抗拉强度较低，而且依然可能存在热应力的释放开裂；且共析转变温度Teu需要通过DSC法测定得到，预热温度为(Teu
‑
400)℃～(Teu
‑
100)℃的选择加大了测量成本和预热成本，工序复杂，操作难度大。
[0007]中国专利CN112872364A公开了一种静磁场下3D打印γ
‑
TiAl合金的方法及其装置，解决了“现有报道中大多在3D打印时使用较高的预热温度来获得致密的γ
‑
TiAl合金，不但增加了工艺流程，提高了生产成本，同时由于温度过高所获得的组织往往与选区电子束熔化技术所得的γ
‑
TiAl合金类似，失去了激光立体成形组织细小的优势”的技术问题，故而其摒弃了预热处理，而是采用在静磁场中3D打印，γ
‑
TiAl合金的室温抗拉强度依然较低。
[0008]中国专利CN113927038A公开了用于3D打印的TiAl合金粉末及其制备方法，其所制备的TiAl合金粉末虽然通过熔融液滴雾化破碎、冷却凝固能够降低粉末空心缺陷，但是还是会存在空心粉末，相比旋转电极法制备的合金粉末的空心率较高，对于3D打印TiAl构件的力学性能改善效果相对来说较差。
[0009]中国专利CN114749678A公开了一种γ基高温TiAl复合材料同轴送粉3D打印的制备方法，所制备的γ基高温TiAl复合材料需要以Si3N4为硅源和氮源，与预合金粉末球磨制备用于3D打印的混合粉末，采用的同样也是对基板进行预热后的3D打印，对热应力所导致的开裂缺陷的解决所起作用不大。
[0010]中国专利CN114769624A公开了原位自热效应辅助3D打印成形TiAl复杂金属构件的装置及其方法，所述方法在采用LDED技术成形TiAl复杂金属构件时，辅以原位自热效应处理工艺，以改善整体构件的使用性能；该方法需要电弧感应加热设备来改善3D打印热应力导致的开裂问题，其装置结构设置复杂，操作难度大，耗能多。
[0011]为解决这一难题，亟需设计一种同轴送粉3D打印的新方法，减小残余应力，避免开裂，从而制备出成形性良好的TiAl合金。

技术实现思路

[0012]本专利技术所要解决的技术问题是现有技术所制备的TiAl合金的室温塑性能较差，导致其加工非常困难。TiAl合金在激光增材制造过程中，使用的通常是高斯激光束，这使能量分布具有不均匀的特点，在中心位置的热量明显高于四周。在凝固过程中熔池周围会因为热效应和相变化产生体积的膨胀或收缩，这种体积变化会被下层已经凝固层限制，导致应力产生。同时，当材料内部应力大于材料的抗拉强度时，就会以开裂的方式释放应力。虽然能够采用基板预热、静磁场3D打印、3D打印粉末雾化制备、电弧感应辅助加热等方式来降低材料内部应力，但是这些方式存在成本高、效率低、降低应力效果差等诸多缺陷。
[0013]为解决上述技术问题，本专利技术提供的技术方案如下：
[0014]一种梯度策略3D打印TiAl合金的制备方法，所述梯度策略3D打印TiAl合金的制备方法是通过在打印前对基板进行原位加热，使基板达到红热状态，之后在红热基板上预打印一种与TiAl合金热膨胀系数相近且易于成形的材料，后在预打印的材料上打印TiAl合金，制备得到表面无宏观裂纹的高抗拉强度的TiAl合金产品。
[0015]优选地，所述基板的材料为TC4钛合金、TA12钛合金或TA15以及其他钛合金，与TiAl合金热膨胀系数相近且易于成形的材料为TC4钛合金、TA12钛合金或TA15以及其他钛合金。
[0016]优选地，所述表面无宏观裂纹的高抗拉强度的TiAl合金产品的致密度为99.5％，室温抗拉强度为648MPa，是同成分粉末冶金合金的1.28倍，是同成分铸造合金的1.34倍；800℃高温的抗拉强度为525MPa，是同成分粉末冶金合金的1.20倍，是同成分铸造合金的1.31倍，800℃高温屈服强度为450MPa，延伸率为10％。
[0017]优选地，所述梯度策略3D打印TiAl合金的制备方法步骤如下：
[0018]S1：预合金粉的制备
[0019]制备3D打印TiAl合金所需的预合金粉末；
[0020]S2：打印前的准备工作
[0021]先进行基板的表面清洗；然后将清洗后的基板放入同轴送粉增材制造设备中；再将S1的预合金粉末进行干燥处理，得到干燥的TiAl合金粉末；最后将与TiAl合金热膨胀系数相近且易于成形的合金材料粉末和干燥的TiAl合金粉末别放入两个送粉筒；
[0022]S3：基板预热
[0023]在开始预打印前，用激光对S2清洗后的基板进行原位加热，并使其达到红热状态时，得到红热状态的基板；<本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种梯度策略3D打印TiAl合金的制备方法，其特征在于，所述梯度策略3D打印TiAl合金的制备方法是通过在打印前对基板进行原位加热，使基板达到红热状态，之后在红热基板上预打印一种与TiAl合金热膨胀系数相近且易于成形的材料，然后在预打印材料上打印TiAl合金，最后切割掉底部的预打印材料，制备得到表面无宏观裂纹的高抗拉强度的TiAl合金产品。2.根据权利要求1所述的梯度策略3D打印TiAl合金的制备方法，其特征在于，所述与TiAl合金热膨胀系数相近且易于成形的材料为TC4钛合金、TA12钛合金或TA15以及其他钛合金。3.根据权利要求1所述的梯度策略3D打印TiAl合金的制备方法，其特征在于，所述表面无宏观裂纹的高抗拉强度的TiAl合金产品的致密度不低于99.5％，室温抗拉强度不低于648MPa，是同成分粉末冶金合金的至少1.28倍，是同成分铸造合金的至少1.34倍；800℃高温的抗拉强度不低于525MPa，是同成分粉末冶金合金的至少1.20倍，是同成分铸造合金的至少1.31倍，800℃高温屈服强度不低于450MPa，延伸率不低于10％。4.根据权利要求1所述的梯度策略3D打印TiAl合金的制备方法，其特征在于，所述梯度策略3D打印TiAl合金的制备方法步骤如下：S1：预合金粉的制备制备3D打印TiAl合金所需的预合金粉末；S2：打印前的准备工作先进行基板的表面清洗；然后将清洗后的基板放入同轴送粉增材制造设备中；再将S1的预合金粉末进行干燥处理，得到干燥的TiAl合金粉末；最后将与TiAl合金热膨胀系数相近且易于成形的合金材料粉末和干燥的TiAl合金粉末别放入两个送粉筒；S3：基板预热在开始预打印前，用激光对S2清洗后的基板进行原位加热，并使其达到红热状态时，得到红热状态的基板；S4：预打印将S2中与TiAl合金热膨胀系数相近且易于成形的合金材料粉末送入并在S3的红热状态的基板上进行激光打印，直到残余应力被释放完全，得到预打印材料；S5：后打印并切割当S4中的残余应力被释放完全，切换送粉筒，停止将S2中与TiAl合金热膨胀系数相近且易于成形的...

【专利技术属性】
技术研发人员：林均品，宋祎，薛辉，梁永锋，佟欣桓，
申请(专利权)人：北京科技大学，
类型：发明
国别省市：