【技术实现步骤摘要】
本专利技术具体涉及一种三态组织钛合金低功率激光增材制造方法及钛合金，属于金属材料激光增材制造。
技术介绍
1、钛合金由于比强度高、高温性能好和耐蚀性好等特点，被广泛应用于制造发动机叶片，飞机壁板、承力框、加强件和运载火箭捆绑接头等重要承力结构件。钛合金特种三态组织由长条初生α相(αp)、球化α相(αg)和二次α相(αs)组成，该组织能在不降低塑性的同时，获得较高的高温性能、低周疲劳性能和断裂韧性，是实际工程应用较为理想的微观组织。如何制备特种三态组织成为钛合金激光增材制造技术的难点。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。高鹏飞等人经过一系列研究，指出通过塑性变形增加了微米薄片组织α/β界面畸变能，使原有稳定薄片α相内部形成亚晶界，亚晶界在后续热处理下，发生转动聚集形成位错墙。在表面张力作用下，β相沿位错墙扩散切断薄片α相，形成新的α/α界面，进而α分离形成新的α相和α/β界面，最终形成特种三态组织(journal of materials science&technology 39(2020)56-73，journal ofalloys and compounds831(3):154851)。孟淼通过局部分段加载辅以同步热处理使微米薄片组织转变为三态组织，指出αs相形态对于温度和加载速率较为敏感(孟淼，钛合金大型构件局部加载近等温成形三态组织形成机制研究，西北工业大学博士论文，2018)。但传统制造钛合金结构件技术(铸造+锻造+机加)存在生产周期长、制造成本高、加工难度大和材
2、激光增材制造技术基于离散堆积成形思想，集成材料科学、光学技术、机械加工技术和流体力学等多学科技术为一体，可实现大尺寸高性能复杂金属构件的快速制造成形。该技术以激光为热源，将同步送入的金属粉末熔化沿规划路径逐层堆积成形致密金属构件。激光增材制造技术具有制造周期短、制造成本低、材料利用率高等特点，特别适合钛合金等难加工材料构件制造。在低功率激光增材制造沉积过程中，大型钛合金经历多次重熔/重复凝固/重复局部热处理等非平衡态物理冶金过程，钛合金构件温度梯度高、冷却速度高，层间停留时间长达50～60min，其微观组织呈细小微米薄片组织，薄片α宽度约0.64～0.92μm。与传统制造钛合金构件相比，低功率激光增材制造钛合金构件呈中等强韧性和高的横纵向塑性各向异性，制约了其在航空航天领域的应用。如何获取激光增材制造钛合金三态组织成为其工程应用面临的重大挑战。因此急需提出一种三态组织钛合金低功率激光增材制造方法及钛合金，在获得优异综合性能的三态组织同时，提高钛合金构件制造效率和降低制造成本。
技术实现思路
1、本申请解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种三态组织钛合金低功率激光增材制造方法及钛合金。该方法基于建立激光增材制造钛合金成形工艺参数与微米薄片畸变能的关系，并精确控制激光同步扫描对已沉积层进行激光淬火，促使原有微米薄片组织向三态组织转变，进而制备出高性能钛合金构件。
2、本申请提供的技术方案如下：
3、一种三态组织钛合金低功率激光增材制造方法，包括：
4、s1:将钛合金粉末装入送粉器；
5、s2:将基板固定在成形仓工作台上；
6、s3:当成形仓内水氧含量低于80ppm后，以激光为热源将钛合金粉末熔化逐层沉积在基板上；待沉积完一层后，间隔设定时间，再进行下一层沉积；
7、s4:连续沉积3～4层后，将激光送粉加工头移开，采用激光对原沉积层进行激光淬火作用；
8、s5:重复步骤s3和s4，连续沉积制造出钛合金构件。
9、所述步骤s3中，沉积时，激光增材制造参数为：激光功率3.5～5.0kw，扫描速率为1300～1600mm/min，光斑直径为3～6mm，搭接率为45％～55％，送粉速率为25～35g/min。
10、在沉积过程中，通过控制激光增材制造的参数，使钛合金沉积区能量密度为51～65j/mm2，搭接率为45％～55％，使成形固液熔池冷却速率为104.5～105k/s，制备得到层高为0.5～0.9mm、位错密度大于10-19.5m-2的钛合金试样，且钛合金试样的结构为体积分数为100％、宽度0.75～1.06μm的微米薄片组织，为后续微观组织α相粗化、球化和αs相形成提供驱动力。
11、所述步骤s3中，设定时间为50～60min。
12、所述步骤s4中，激光淬火的工艺参数为：激光功率为2.2～3.2kw，扫描速率为200～310mm/s，光斑直径为1～3mm，激光淬火扫描时间为25～35min。
13、步骤s4中的激光淬火热处理使原有沉积层细小微米薄片组织发生α相粗化、球化，并且原有细小α相聚集形成αs相，直接获得综合性能优异的三态组织钛合金构件，减少了制造工序流程，降低了制造成本。
14、步骤s4中的激光热源可以为固体激光器、气体激光器、半导体激光器、光纤激光器等。
15、所述步骤s1中，钛合金粉末的粒径规格为55～275μm、氧含量大于0.16wt％。
16、所述步骤s2中，成形室氩气纯度不低于99.99％。
17、所述步骤s1中，钛合金粉末中[al]当量在3.5～6.0范围内。
18、一种三态组织钛合金，根据上述任一所述的一种三态组织钛合金低功率激光增材制造方法制备得到。
19、本专利技术提出一种三态组织钛合金低功率激光增材制造方法及钛合金，主要思路为通过调控激光增材制造凝固热过程获得位错密度大于10-19.5m-2、体积分数为100％、宽度为宽度0.75～1.06μm的微米薄片组织；在此基础上，辅以激光淬火获得宽度不大于3.22μm的长条αp相、直径不大于8.2μm的αg相和体积分数为35％～45％的αs相，可实现高性能钛合金构件激光增材制造。
20、综上所述，本申请至少包括以下有益技术效果：
21、(1)本专利技术依据离散沉积思想，直接无模具近净成形钛合金构件，相比于传统制造技术，该技术无需多次塑性变形和多次热处理加工，可实现大型复杂钛合金构件的快速低成本制造。
22、(2)该技术无需在沉积中或在沉积后再对构件进行塑性变形和热处理，可实现钛合金构件的短流程制造流程，不降低增材制造效率且对于复杂构件适应性强。
23、(3)该技术可在沉积过程中直接制备三态组织钛合金构件，这是其他工艺方法难以实现的。
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1.一种三态组织钛合金低功率激光增材制造方法，其特征在于，包括：
2.根据权利要求1所述的一种三态组织钛合金低功率激光增材制造方法，其特征在于：所述步骤S3中，沉积获得的钛合金沉积层位错密度大于10-19.5m-2，钛合金的结构为体积分数为100％、宽度0.75～1.06μm的微米薄片组织。
3.根据权利要求1所述的一种三态组织钛合金低功率激光增材制造方法，其特征在于：所述步骤S3中，设定时间为50～60min。
4.根据权利要求1所述的一种三态组织钛合金低功率激光增材制造方法，其特征在于：所述步骤S1中，钛合金粉末的粒径规格为55～275μm、氧含量大于0.16wt.％。
5.根据权利要求1所述的一种三态组织钛合金低功率激光增材制造方法，其特征在于：所述步骤S2中，成形室氩气纯度不低于99.99％。
6.根据权利要求1所述的一种三态组织钛合金低功率激光增材制造方法，其特征在于：所述步骤S1中，钛合金粉末中[Al]当量在3.5～6.0范围内。
7.根据权利要求1所述的一种三态组织钛合金低功率激光增材制造方法，
8.一种三态组织钛合金，其特征在于：根据权利要求1-7任一所述的一种三态组织钛合金低功率激光增材制造方法制备得到。
...【技术特征摘要】
1.一种三态组织钛合金低功率激光增材制造方法，其特征在于，包括：
2.根据权利要求1所述的一种三态组织钛合金低功率激光增材制造方法，其特征在于：所述步骤s3中，沉积获得的钛合金沉积层位错密度大于10-19.5m-2，钛合金的结构为体积分数为100％、宽度0.75～1.06μm的微米薄片组织。
3.根据权利要求1所述的一种三态组织钛合金低功率激光增材制造方法，其特征在于：所述步骤s3中，设定时间为50～60min。
4.根据权利要求1所述的一种三态组织钛合金低功率激光增材制造方法，其特征在于：所述步骤s1中，钛合金粉末的粒径规格为55～275μm、氧含量...
【专利技术属性】
技术研发人员：谢勇，周庆军，严振宇，王福德，李东来，刘琦，倪江涛，梁晓康，冯晨，张睿泽，杨凯，马丽翠，韩冰，刘继敏，亢涛涛，
申请(专利权)人：首都航天机械有限公司，
类型：发明
国别省市：
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