CN107649682A - 超声冲击和感应加热细化激光增材制造钛合金晶粒的方法 - Google Patents

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Abstract

超声冲击和感应加热细化激光增材制造钛合金晶粒的方法。在激光增材制造钛合金技术的基础上，采用超声冲击和感应加热复合细化钛合金晶粒，激光熔覆成形一层后，利用超声冲击装置处理熔覆层，在成形多层样件时，激光熔覆和超声冲击交替进行，使熔覆层发生中温塑性变形，形成一定厚度的塑性变形层，变形层中粗大的柱状晶组织随位错密度的增加形成变形亚晶或织构组织，进一步使熔覆层组织得到细化。解决了钛合金冷态塑性加工时变形抗力大、常温可塑性差、变形回弹大、以及变形容易产生裂纹等缺陷的问题。同时，利用超声冲击实现了激光增材制造钛合金晶粒细化，解决了激光增材制造钛合金柱状晶粗大，各向异性明显的突出问题；提高了钛合金的综合力学性能。

Description

超声冲击和感应加热细化激光增材制造钛合金晶粒的方法
技术领域
本发明涉及一种钛合金晶粒的制备方法，具体涉及一种超声冲击和感应加热细化激光增材制造钛合金晶粒的方法。
背景技术
激光增材制造钛合金技术是近年来的一项新兴技术，该技术通过高功率激光熔化同步输送的钛合金粉末，逐点逐层堆积成形零件，克服了传统技术难以生产复杂钛合金构件、钛合金冷加工变形抗力大等缺点，但是由于钛合金导热性较差，在激光熔覆沉积过程中形成垂直于扫描方向，贯穿整个熔覆沉积层的粗大柱状晶，导致钛合金构件各向异性明显(可达到15％-70％)，疲劳强度和断裂韧性低，从而严重制约其在国防工业和航空航天领域的应用。如何细化激光增材制造钛合金晶粒，减小其各向异性，提高疲劳韧性和断裂韧性是激光增材制造钛合金研究的重点。
超声冲击处理(Ultrasonic Impact Treatment,UIT)是一种被广泛应用于消除焊接结构的残余应力的方法。目前，应用超声冲击来强化钛合金的研究主要有：西北工业大学的杜伟卓、杜随更等(参见：杜伟卓,杜随更,汪志斌,等.超声冲击设备及晶粒细化实验研究[J].科学技术与工程,2010,10(11):2736-2740.)应用超声冲击处理TC4板材，导致近表面晶粒挤压成狭长条状结构，为典型的冷变形组织，晶粒被细化；天津大学的王东坡等(参见：王东坡,霍立兴,张玉凤.超声冲击法对钛合金焊接接头疲劳性能的改善[J].中国有色金属学报,2003,13(6):137-141.)应用超声冲击处理BT20钛合金TIG焊接接头，疲劳强度提高，寿命延长；北京航星机器制造有限公司的何智等(参见：何智,胡洋,曲宏韬,等.超声冲击电弧增材制造钛合金零件的各向异性研究[J].航天制造技术,2016(6).)应用多次超声冲击处理电弧增材制造TC4钛合金零件，减小了力学性能各向异性。然而在以上研究中，塑性变形层厚度很小，具有很大的局限性。在应用超声冲击处理激光熔覆沉积层的相关研究中，自从南京航空航天大学的戚永爱等在中国专利CN103305828A“一种超声冲击强化激光熔覆沉积层的装置及其方发法”中应用超声冲击强化镍基高温合金GH4169激光熔覆沉积层组织之后，一直未见超声冲击在激光增材制造领域的应用。
与以上研究不同之处在于，由于激光增材制造其即热即冷的特性难以控制，造成了其钛合金成形件组织为垂直于扫描方向，长度贯穿整个熔覆层的粗大柱状晶，而且热处理后的效果对其柱状晶的影响不明显，且其组织多为典型马氏体组织。由于钛合金冷加工困难，变形抗力大、常温可塑性差、变形回弹大、以及变形容易产生裂纹等缺陷，直接利用超声冲击处理熔覆层的方法并不可观，塑性变形层厚度远小于100μm，激光增材制造的单层层厚为0.1mm，在激光熔覆成形下一层时，会将细化的晶粒层重新熔化，待凝固后又重新形成粗大的柱状晶组织。因此，将现有的超声冲击技术直接用于激光增材制造钛合金，晶粒细化效果不明显，不能够解决激光增材制造钛合金构件各向异性突出的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种超声冲击和感应加热细化激光增材制造钛合金晶粒的方法，即利用感应加热复合超声冲击，增大塑性变形层厚度，进一步增强钛合金晶粒细化程度和均匀性，提高激光增材制造钛合金力学性能，减小各向异性。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：
1)首先，将钛合金基板和感应加热辅助设备固定在工作台上；
2)密闭工作台形成保护箱，向其中通入氩气保护，使氧含量降低至200ppm；
3)打开感应加热辅助设备加热钛合金基板，然后开始激光熔覆进行成形样件，成型样件成形一层后，在感应加热辅助设备的辅助下，利用超声冲击装置以冲击速度为0.1m～0.3m/min对成形层进行2～3min冲击处理；
4)冲击完成后，继续激光熔覆成形下一层，感应加热辅助设备同步提升对该层进行冲击处理；
5)重复步骤4)直至完成样件成形。
所述步骤1)的钛合金基板是用细砂纸打磨去除基板表面氧化层，用丙酮去除油脂与污渍，再用乙醇清洗并干燥的钛合金基板。
所述的感应加热辅助设备采用25～50KW中频感应加热器，加热温度为600℃。
所述的超声冲击装置采用冲击功率为1000W，冲击频率20～40kHz的超声冲击枪，超声冲击枪的冲击针直径为3～5mm，冲击针个数为1～3。
所述步骤2)的超声冲击为100％覆盖。
所述激光熔覆采用粒度为50～150μm的TC4钛合金粉末，激光功率150～240W，扫描速度10mm/s，送粉量2～2.5g/min，Z轴提升量0.06～0.10mm，扫描间距0.3mm。
本发明在激光增材制造钛合金技术的基础上，采用超声冲击和感应加热复合细化钛合金晶粒，在成形过程中加入感应加热外场，使晶粒细化更加均匀，效果更加充分；同时消除钛合金激光熔覆沉积层裂纹、气孔等宏微观缺陷，综合力学性能显著提高。
本发明首先，利用超声冲击处理激光熔覆沉积层，使熔覆沉积层发生塑性变形，变形层中粗大的柱状晶组织沿垂直于熔覆沉积方向被拉长和破碎，随位错密度的增加形成变形亚晶或织构组织，内应力增大，在成形下一层时，激光熔覆沉积的过程中使上一变形层温度升高，变形晶粒通过形核和长大过程完全转变成均匀的等轴晶粒，实现再结晶的组织转变，使熔覆沉积层组织得到细化。但是，由于钛合金冷态塑性加工比较困难，存在变形抗力大、常温可塑性差、变形回弹大、以及变形容易产生裂纹等缺陷的问题。第一，通过感应加热辅助超声冲击激光熔覆沉积(感应加热温度控制在钛合金塑性变形温度区间500℃～850℃)，有效减小冲击塑性变形过程中的变形抗力，塑性变形更彻底，作用厚度更深，进而使激光增材制造钛合金晶粒显著细化，晶粒大小更加均匀。第二，超声冲击处理后能够消除裂纹、气孔等激光熔覆沉积层的宏微观缺陷，大大提高了激光增材制造钛合金的疲劳强度和断裂韧性，综合力学性能显著改善。第三，依据多元合金柱状晶向等轴晶转换(Columnar toEquiaxed Transition,CET)模型，随温度梯度减小及凝固速率的提高，会出现柱状晶向等轴晶的转变，通过感应加热可以减小温度梯度，抑制粗大柱状晶生长，有利于细化晶粒。
附图说明
图1为超声冲击和感应加热辅助激光增材制造高性能钛合金流程框图；
图2为无超声冲击，也无感应加热的激光增材制造TC4钛合金金相形貌照片；
图3为无感应加热的超声冲击激光增材制造TC4钛合金金相形貌照片；
图4为感应加热600℃的超声冲击激光增材制造TC4钛合金金相形貌照片。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
参见图1，本发明制备过程如下：
1、激光增材制造钛合金基本工艺参数：TC4钛合金粉末粒度50～150μm，激光功率210W，扫描速度10mm/s，送粉量2.5g/min，Z轴提升量0.10mm，扫描间距0.3mm；
感应加热辅助设置基本参数：采用感应线圈为50×150mm的矩形，感应加热设定温度600℃，设计夹具安装于步进电机滑轨端，成形过程中随熔覆层同步提升，保证样件温度基本稳定。
超声冲击工艺参数为冲击功率1000W，冲击频率40kHz，所述超声冲击枪采用冲击针直径为5mm，冲击针个数为3。
2、实验前将TC4粉末置于真空干燥箱中加热到150℃，保温24h，以去除水分并可增强粉末流动性；用细砂纸打磨去除基板表面氧化层，用丙酮去除油脂与污渍，再用乙醇清洗并干燥，固定在工作台上。
制备过程：
1)安装感应线圈，将样件基板置于线圈中间，使温度在加热过程中均匀分布于样件周围，密闭成形保护箱，通入氩气保护，使氧含量降低至200ppm；
2)打开感应加热电源，设定感应加热温度为600℃，加热基板，开始进行成形样件，过程中感应加热装置实时加热，同步提升；
3)成形一层后，在感应加热的辅助下，利用超声冲击装置处理成形层，冲击时间2～3min，冲击速度0.1m～0.3m/min，确保覆盖率达到100％；
4)冲击完成后，继续激光熔覆成形下一层，感应加热辅助设备同步提升对该层进行冲击处理；
5)重复步骤4)直至完成样件成形。
对成形件进行线切割、镶嵌、粗磨、细磨、抛光、腐蚀，最后在KEYENCE VH-600型光学显微镜下观察金相组织形貌。
为了提高钛合金的综合力学性能，对超声冲击和感应加热辅助激光增材制造的钛合金零件和样件进行合理的热处理。对于要求具有高的综合力学性能的钛合金零件采用固溶时效热处理；对于要求具有高的塑性和尺寸稳定性的钛合金零件采用再结晶退火热处理。总之根据实际需求采用相应的热处理工艺。
与现有技术相比，本发明的效果体现在：
1、加入感应加热复合超声冲击，增大塑性变形层厚度。参见图2，3，未加入感应加热时，变形层厚度仅20～50μm，加入感应加热后，变形层厚度提高至100～150μm。解决了只有超声冲击处理钛合金激光熔覆沉积层时，由于变形回弹大塑性变形层厚度低于激光熔覆单层厚度而无法细化晶粒的问题。
2、解决了激光熔覆沉积层内部易产生气孔，以及由于钛合金冷加工变形抗力大而产生加工裂纹等宏微观缺陷的问题，加入感应加热复合超声冲击，使激光熔覆沉积层裂纹、气孔等宏微观缺陷显著减少，理论上致密度提高，综合力学性能得到改善；
3、加入感应加热，减小了钛合金激光熔覆过程中的温度梯度，根据多元合金柱状晶向等轴晶转换(Columnar to Equiaxed Transition,CET)模型，温度梯度的减小有利于等轴晶的形成，从而实现晶粒细化。
最终使塑性变形层中的柱状晶消失，晶粒充分细化，且均匀分布，组织由初生等轴α相和转变β相组成，与原始激光增材制造钛合金的马氏体相比，提高了疲劳强度和断裂韧性；同时晶粒的细化也大大减小激光增材制造钛合金的各向异性问题；超声冲击处理后，激光熔覆沉积层裂纹、气孔等宏微观缺陷明显较少甚至消失，显著提高了激光增材制造钛合金综合力学性能。

Claims (6)

1.超声冲击和感应加热细化激光增材制造钛合金晶粒的方法，其特征在于包括以下步骤：
1)首先，将钛合金基板和感应加热辅助设备固定在工作台上；
2)密闭工作台形成保护箱，向其中通入氩气保护，使氧含量降低至200ppm；
3)打开感应加热辅助设备加热钛合金基板，然后开始激光熔覆进行成形样件，成型样件成形一层后，在感应加热辅助设备的辅助下，利用超声冲击装置以冲击速度为0.1m～0.3m/min对成形层进行2～3min冲击处理；
4)冲击完成后，继续激光熔覆成形下一层，感应加热辅助设备同步提升对该层进行冲击处理；
5)重复步骤4)直至完成样件成形。
2.根据权利要求1所述的超声冲击和感应加热细化激光增材制造钛合金晶粒的方法，其特征在于：所述步骤1)的钛合金基板是用细砂纸打磨去除基板表面氧化层，用丙酮去除油脂与污渍，再用乙醇清洗并干燥的钛合金基板。
3.根据权利要求1所述的超声冲击和感应加热细化激光增材制造钛合金晶粒的方法，其特征在于：所述的感应加热辅助设备采用25～50KW中频感应加热器，加热温度为600℃。
4.根据权利要求1所述的超声冲击和感应加热细化激光增材制造钛合金晶粒的方法，其特征在于：所述的超声冲击装置采用冲击功率为1000W，冲击频率20～40kHz的超声冲击枪，超声冲击枪的冲击针直径为3～5mm，冲击针个数为1～3。
5.根据权利要求1所述的超声冲击和感应加热细化激光增材制造钛合金晶粒的方法，其特征在于：所述步骤2)的超声冲击为100％覆盖。
6.根据权利要求1所述的超声冲击和感应加热细化激光增材制造钛合金晶粒的方法，其特征在于：所述激光熔覆采用粒度为50～150μm的TC4钛合金粉末，激光功率150～240W，扫描速度10mm/s，送粉量2～2.5g/min，Z轴提升量0.06～0.10mm，扫描间距0.3mm。
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