CN104233144A - 一种大幅度提高钛铝合金表面硬度的激光熔凝工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及到一种大幅度提高钛铝合金表面硬度的激光熔凝工艺，其特征在于包括下述步骤：在真空非自耗电弧炉中制备Al含量为46at％的Ti-Al合金，将配好的合金切割成20mm×7mm×2mm长方体试样，样品表面处理，设置激光束移动路径及其实验参数，进行激光熔凝。与现有技术相比本方法具有操作过程简单快捷、加工效率高、处理方便，试样变小形等的优点，其同时又具有快速凝固的特点，能够大幅度提高合金表面的硬度，从而增加合金表面的弹性变形抗力、塑性变形抗力等使其使用寿命增长。
Description
技术领域
本发明属于金属材料技术领域，具体是通过激光熔凝Ti-Al合金，提高Ti-Al合金的硬度。
背景技术
钛铝合金密度低、比强度高、比刚度高、耐热性好，具有高的抗高温蠕变性能和抗氧化能力，是综合性能较好的轻质高温合金，因此成为轻质合金中研究的重点。它在生产生活中的应用主要在飞机发动机高压压气机及低压涡轮叶片等方面，同时也用于做大梁、起落架部件、隔征、压缩机导风叶轮、静叶片等部件。
由于飞机的飞行高度和速度受到自身重量的影响，而高速的运动又决定了飞机必须要同时具备质量轻和坚硬度高的特性，所以近年来该合金的研究主要集中在通过合金化以及快速凝固技术提高合金的硬度。Ti-Al合金目前实际应用的最大障碍一方面是该类合金的硬度不够高，另一方面则是850℃以上的抗氧化性不足，制约了Ti-Al合金的应用和推广。因此，提高Ti-Al合金的硬度具有很高的实用价值。
NASA报告指出，到2020年钛铝合金及其复合材料的用量在航空、航天发动机中将占有20％左右的份额。此外，钛铝合金在体育用品和日常消费品领域(如高尔夫球棒、自行车或珠宝饰物等)中的需求量也越来越大，已经成为人们日常生活中的一部分。总之，由于钛铝合金的优良性能，其应用和发展前景广阔。现在人们对影响Ti-Al合金硬度的因素及如何影响了解的较少，在激光熔凝过程中，激光的功率和扫描速度会直接影响材料的微观组织，从而改变材料的物理化学性能，因此本发明通过控制扫描速度制备出了表面硬度提高4-5倍的Ti-Al合金。
发明目的
由于一般提高钛铝合金硬度的方法比较复杂、耗时，在应用中受限制，本发明是针对其问题提出了更简单有效地提高钛铝合金表面硬度的方法。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的现状提供一种操作简单、效率高、工件变形小、表面无裂纹和气孔、易于实现自动化控制并且能大幅度提高Ti-Al合金表面硬度的激光熔凝工艺。
本发明是采用如下技术方案实现的：
①配置母合金：采用钛(99.97％)和铝(99.99％)在真空非自耗电弧炉中配为合金，控制其中的铝为46at％，为了保证合金熔炼均匀，每个合金锭至少翻转重熔4次。
②表面处理：把样品用线切割方法切成20mm×7mm×2mm的长方体试样，然后打磨至800#的金相砂纸，继而在酒精中反复清洗，确保所有激光重熔表面都具有相同的状况。
③激光熔凝前期准备：把长方体的样品放置加工平台之上，并由两端夹持装置固定，然后移动工作台使样品加工的起点对准激光器He-Ne准直光斑。设定工作台移动路径，使激光按照所设定的路径进行扫描，移动只是单一方向。
④设置激光熔凝工艺参数：室内环境温度为20℃，保护气为高纯氩气，气流为5.0L/min，激光半径为1mm、激光功率为300W，扫描速度分别为0.5mm/s和1mm/s。
以上所述的激光熔凝都是采用1000W CW Nd：YAG大功率连续固体激光器。
有益效果
Ti-Al合金因具有良好的低密度和耐热性能在机动器械领域有广泛的应用，Ti-Al合金的硬度成为限制其作为机械活动部位(如发动机叶片，压气机叶片，发动机排气阀等)零部件材料的重要因素。在特定扫描速度下经过激光熔凝后的Ti-Al合金表面硬度显著调高4-5倍，从而提高了试样的强度和耐磨性等性能。此方法较之传统方法可以提高生产效率，适合大规模生产。这为Ti-Al合金在航天航空，汽车发动机领域的广泛应用提供了可能。
附图说明
图1为本发明实施例激光表面熔凝的加工示意图
图2为本发明实施例1、2和其合金未经激光处理前的硬度测量值
具体实施方式
以下结合附图施例对本发明作进一步详细描述，但本发明绝非仅局限于实施例。激光扫描时工作状态的的示意图如图1所示。图1中，1：激光束，2：反光镜，3：样品，4：保护气，5：加工台，6：工作台。Ti-Al合金未处理前的硬度如图2中的黑色空心点所示，大多集中在维氏硬度274.7Hv。
实施例1
①采用钛(99.97％)和铝(99.99％)在真空非自耗电弧炉中配为合金，控制其中的铝为46at％，为了保证合金熔炼均匀，每个合金锭至少翻转重熔4次。②把样品用线切割方法切成20mm×7mm×2mm的长方体试样，然后打磨至800#的金相砂纸，继而在酒精中反复清洗，确保所有激光重熔表面都具有相同的状况。③把长方体的样品放置加工平台之上，并由两端夹持装置固定，然后移动工作台使样品加工的起点对准激光器He-Ne准直光斑。设定工作台移动路径，使激光按照所设定的路径进行扫描，移动只是单一方向。④进行激光熔凝实验，具体参数：室内环境温度为20℃，保护气为高纯氩气，气流为5.0L/min，激光半径为1mm、激光功率为300W，扫描速率为0.5mm/s。⑤采用维氏硬度计测量激光扫过的熔池的硬度如图2中的实心菱形点所示。
实施例2
①采用钛(99.97％)和铝(99.99％)在真空非自耗电弧炉中配为合金，控制其中的铝为46at％，为了保证合金熔炼均匀，每个合金锭至少翻转重熔4次。②把样品用线切割方法切成20mm×7mm×2mm的长方体试样，然后打磨至800#的金相砂纸，继而在酒精中反复清洗，确保所有激光重熔表面都具有相同的状况。③把长方体的样品放置加工平台之上，并由两端夹持装置固定，然后移动工作台使样品加工的起点对准激光器He-Ne准直光斑。设定工作台移动路径，使激光按照所设定的路径进行扫描，移动只是单一方向。④进行激光熔凝实验，具体参数：室内环境温度为20℃，保护气为高纯氩气，气流为5.0L/min，激光半径为1mm、激光功率为300W，扫描速率为1mm/s。⑤采用维氏硬度计测量激光扫过的熔池的硬度如图2中的实心正方形点所示。
产业上应用的可能性：
本发明具有过程简单、处理方便、成形快捷的优点，且大幅度的提高了合金表面的硬度，可以广泛的应用在高硬度的抵抗弹性变形、塑性变形的合金材料领域。
Claims (2)
1.一种大幅度提高钛铝合金表面硬度的激光熔凝工艺，其特征在于步骤如下：
步骤1：采用钛(99.97％)和铝(99.99％)在真空非自耗电弧炉中配为合金，控制其中的Al为46at％，翻转重熔至少四次；
步骤2：把合金样品表放置面打磨平整至800#的金相砂纸，继而在酒精中反复清洗，确保所有激光重熔表面都具有相同的状况；
步骤3：把合金样品放置于加工平台之上，两端夹持固定，然后移动工作台使样品加工的起点对准激光器He-Ne准直光斑，设定工作台移动路径，使激光按照所设定的路径进行扫描，移动只是单一方向；
步骤4：设置室内环境温度为20℃，保护气为高纯氩气，气流为5.0L/min，激光半径为1mm、激光功率为300W。进行扫描，扫描速率分别为0.5mm/s和1mm/s。
2.根据权利要求1所述的大幅度提高Ti-Al合金表面硬度的激光熔凝工艺，其特征在于：合金成分为Ti-46at％Al，所述激光熔凝是采用1000W CW Nd：YAG大功率连续固体激光器，实验过程中功率为300W。
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| CN201410333129.4A CN104233144A (zh) | 2014-07-10 | 2014-07-10 | 一种大幅度提高钛铝合金表面硬度的激光熔凝工艺 |
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2014
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