CN107695350B - 基于电子束3D打印技术制备TiAl合金构件的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种基于电子束3D打印技术制备TiAl合金构件的方法，包括以下步骤：一、测定TiAl合金的α相转变温度和共析转变温度；二、建立三维实体模型，切层后的数据导入电子束3D打印机中；三、将TiAl合金粉末加入电子束3D打印机中并对底板进行预热；四、采用电子束按照电子束扫描路径对TiAl合金粉末进行选区熔化扫描，得到单层实体片层；五、重复步骤三和四，得到TiAl合金构件。本发明在TiAl合金复杂构件的制造成本、制造周期等具有无可比拟的优势，并且由于其微区快速凝固，叠层累加成形的技术特点，无需任何的热处理即可获得与常规锻造技术相同致密、细晶和无宏观偏析且具有细小全层片组织的TiAl构件。

Description

基于电子束3D打印技术制备TiAl合金构件的方法
技术领域
本发明属于金属构件的增材制造技术领域，具体涉及一种基于电子束3D打印技术制备TiAl合金构件的方法。
背景技术
TiAl金属化合物合金密度仅3.8g/cm3～4.0g/cm3，是镍基高温合金的1/2，比钛合金还低10％～15％；室温弹性模量高达160GPa～170GPa，比钛合金高33％，而且弹性模量在750℃高温下还能保持150GPa，与GH4169高温合金相当；TiAl合金还具有高比强度，室温至800℃强度保持率达80％；同时高蠕变抗力、优异的抗氧化和阻燃性能，可在温度为760℃～800℃的条件下长期工作，是非常有发展前途的轻质高温结构材料，可广泛应用于航空发动机或汽车的高温部件如叶片、涡轮盘以及气门阀等。
众所周知，TiAl基合金存在着严重的室温脆性、低的断裂韧性以及难加工性的缺点，并且常规铸造方法得到的TiAl基合金易产生强烈的柱状晶和粗大的片层团组织特征，同时存在严重的成分偏析，极大影响了TiAl基合金的力学性能。近年来，随着装备及生产技术的改进，国外虽然采用传统铸造或锻造技术制备除了TiAl合金叶片，但高额的生产制造成本和极低的成品率极大限制了TiAl基合金的实际应用。
电子束选区熔化成形技术是近年来发展起来的一类新型金属3D打印技术之一，其根据目标构件三维数据模型，采用高能电子束在真空条件下选区熔化金属粉末，通过逐层堆积的方式实现三维实体构件的直接制造，相比于铸造、锻造免的优势，并且由于其微区快速凝固，叠层累加成形的技术特点，可达到与常规锻造技术相同致密、细晶和无宏观偏析等功效，尤其适合于钛合金、金属间化合物以及难熔金属复杂构件的快速、洁净成形。因此，电子束3D打印在高性能复杂金属构件的制备方面已经展现出广阔的应用前景。然而，能否通过对电子束3D打印的工艺控制和调节，使TiAl材料的显微形貌实现可控变化，最终获得致密、细晶、无宏观偏析且具有细小全层片组织的理想的合金构件，是前人从未尝试过的。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供一种基于电子束3D打印技术制备TiAl合金构件的方法。该方法是采用逐层堆积的电子束3D打印技术，通过调控电子束的扫描电流和扫描速率，使选区内的TiAl合金粉末快速熔化形成微小熔池，微小熔池的凝固过程中提供发生块状相变所需的温度梯度，以块状γ相作为前驱体，直接获得具有细小层片组织的复杂TiAl合金构件。该方法在TiAl基复杂构件的制造成本、制造周期等方面具有无可比拟的优势，并且由于其微区快速凝固，叠层累加成形的技术特点，无需任何的热处理即可获得与常规锻造技术相同致密、细晶和无宏观偏析且具有细小全层片组织的TiAl构件。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种基于电子束3D打印技术制备TiAl合金构件的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一、对TiAl合金进行相变点测试，得到TiAl合金的α相转变温度Tα和共析转变温度Teu；所述Tα和Teu的单位均为℃；
步骤二、利用三维建模软件建立需制TiAl合金构件的三维实体模型，然后利用切层软件对所建立的三维实体模型进行切层离散化处理，得到各层切片的截面数据，接着将各层切片的截面数据作为电子束扫描路径全部导入电子束3D打印机中，之后在电子束3D打印机上设定加工参数，所述加工参数包括电子束扫描速率和扫描电流；
步骤三、将TiAl合金粉末加入到步骤二中设定加工参数后的电子束3D打印机中，然后采用电子束对电子束3D打印机中的粉末床进行预热，直至粉末床的温度为(Teu-400)℃～(Teu-100)℃；
步骤四、采用电子束按照步骤二中所设定的电子束扫描路径对步骤三中所述TiAl合金粉末进行选区熔化扫描，具体过程为：首先在电子束扫描速率为1.0×104mm/s～6.0×105mm/s且扫描电流为2mA～20mA的条件下进行电子束选区熔化扫描，使选区内的TiAl合金粉末在温度为(Tα+200)℃～(Tα+400)的条件下快速熔化，从而获得TiAl合金的块状γ组织；待TiAl合金粉末熔化完成后，调整电子束扫描速率为1.0×104mm/s～1.0×105mm/s，扫描电流为1mA～8mA，使TiAl合金的块状γ组织在温度为(Teu+50)℃～(Tα-100)℃的条件下分解为(α2+γ)层片组织，得到单层实体片层；
步骤五、重复步骤三中所述的将TiAl合金粉末加入到电子束3D打印机中并对粉末床进行预热的加工工艺以及步骤四中所述的对TiAl合金粉末进行选区熔化扫描形成单层实体片层的加工工艺，直至各层实体片层均制备完成，最终得到平均晶团尺寸为20μm～60μm、抗拉强度为320MPa～580MPa且延伸率为0.8％～3％的TiAl合金构件。
上述的基于电子束3D打印技术制备TiAl合金构件的方法，其特征在于，步骤一中所述TiAl合金的α相转变温度Tα和共析转变温度Teu均通过DSC法测定得到。
上述的基于电子束3D打印技术制备TiAl合金构件的方法，其特征在于，步骤二中经切层离散化处理后的各层切片的厚度均为30μm～150μm，各层切片的截面数据的存储格式均为stl格式或AMF格式。
上述的基于电子束3D打印技术制备TiAl合金构件的方法，其特征在于，步骤三中采用电子束对粉末床进行预热的过程中，控制电子束扫描速率为1.0×103～8.0×104mm/s，扫描电流为20mA～40mA。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1、本发明适用于在凝固过程中可发生α相到块状γ相转变的所有TiAl合金。与TiAl基合金传统的铸造、锻造及粉末冶金方法相比，本发明是基于金属3D打印技术的逐层叠加沉积思想，成形构件的尺寸精确、外形轮廓等参数均可按照用户要求进行定制加工，并且成形精度和效率可满足航空、航天及其他行业对复杂TiAl构件的需要，极大降低了叶片、涡轮盘，气门阀等典型TiAl复杂构件的生产成本和加工周期。
2、由于电子束3D打印过程中微区快速凝固、叠层累加成形的技术特点，可有效的控制Al元素在真空条件下的挥发，并且无需任何的热处理即可获得与常规锻造+复杂热处理技术相同致密、细晶和无宏观偏析且具有的细小全层片TiAl构件。
3、本发明不仅适用于在凝固过程中可以发生块状相变的TiAl合金，同样对于其他类型的TiAl合金，通过调控电子束扫描可有效控制TiAl合金在微熔池的凝固以及相变过程冷却速率，有效的细化晶粒尺寸，同样可以获得均匀细小的全层片组织。
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。
附图说明
图1为本发明实施例1建立的TiAl合金构件的三维模型图。
图2为本发明实施例1经电子束选区熔化扫描形成的微熔池的温度-时间变化曲线。
图3为本发明实施例1基于电子束3D打印技术制备的TiAl合金构件的实物图。
图4为本发明实施例1基于电子束3D打印技术制备的TiAl合金构件的显微形貌图。
图5为本发明实施例2基于电子束3D打印技术制备的TiAl合金构件的显微形貌图。
具体实施方式
实施例1
本实施例提供了一种基于电子束3D打印技术制备TiAl合金构件的方法，本实施例所需制备的TiAl合金构件具体为Ti-48Al-2Cr-2Nb合金叶片。本实施例基于电子束3D打印技术制备TiAl合金构件的方法包括以下步骤：
步骤一、利用DSC法对TiAl合金进行相变点测试，得到TiAl合金的α相转变温度Tα和共析转变温度Teu；所述Tα和Teu的单位均为℃；
本实施例所具体采用的Ti-48Al-2Cr-2Nb合金的Tα为1307℃，Teu为1131℃；
步骤二、利用三维建模软件建立需制TiAl合金构件的三维实体模型，然后利用切层软件对所建立的三维实体模型进行切层离散化处理，得到各层切片的截面数据，接着将各层切片的截面数据作为电子束扫描路径全部导入电子束3D打印机中，之后在电子束3D打印机上设定加工参数，所述加工参数包括电子束扫描速率和电子束扫描电流；
本实施例中具体采用Solidworks软件建立TiAl合金构件的三维实体模型，导入软件用50μm的层厚进行切层处理获得stl格式的数据文件；
步骤三、将TiAl合金粉末加入到步骤二中设定加工参数后的电子束3D打印机中，然后采用电子束对电子束3D打印机中的粉末床进行预热；
本实施例在电子束预热阶段的工艺参数为：电子束扫描速率4.0×104mm/s，电子束扫描电流25mA，粉末床温度保持在800℃左右，达到图2所示的时间点t0；
步骤四、采用电子束按照步骤二中所述电子束扫描路径对步骤三中TiAl合金粉末进行选区熔化扫描，具体过程为：首先进行电子束选区熔化扫描，使选区内的TiAl合金粉末快速熔化，从而获得TiAl合金的块状γ相层片组织；待熔化完成后，调整电子束扫描速率和扫描电流，使得TiAl合金的块状γ相层片组织分解为(α2+γ)层片组织，得到单层实体片层；
本实施例在选区熔化扫描的工艺参数为：首先控制电子束扫描速率8.0×104mm/s，电子束扫描电流8mA，选区内的TiAl合金粉末被快速加热至1450℃形成微熔池，达到图2所示的时间点t1，与粉末床形成的温度差为650℃，使得电子束离开后微熔池区域以超过100℃/s的速率冷却至Tα温度以下，从而在当前层中获得块状γ相，达到图2所示的时间点t2；当前层熔化完成后，电子束扫描速率：9.0×104mm/s，扫描电流：2mA，已熔化区域的温度为1200℃，达到图2所示的时间点t3，使得块状γ相稳定、均匀的分解为细小的(α2+γ)层片组织。
步骤五、重复步骤三中所述的将TiAl合金粉末加入到电子束3D打印机中并对粉末床进行预热的加工工艺以及步骤四中所述的对TiAl合金粉末进行选区熔化扫描形成单层实体片层的加工工艺，直至各层实体片层均制备完成，最终得到TiAl合金构件。
本实施例所获得的Ti-48Al-2Cr-2Nb合金叶片如图3所示，其微观形貌如图4所示，由此可知该合金构件的平均晶团尺寸为40μm，用金属材料力学性能测试平台进行室温拉伸试验，测得该合金构件的抗拉强度为457MPa，延伸率为1.1％。该构件产品致密、细晶、无宏观偏析且具有细小全层片组织，满足设计要求。
实施例2
本实施例提供了一种基于电子束3D打印技术制备TiAl合金构件的方法，本实施例所需制备的TiAl合金构件具体为Ti-45Al-7Nb-0.3W合金构件。本实施例基于电子束3D打印技术制备TiAl合金构件的方法包括以下步骤：
步骤一、利用DSC法对TiAl合金进行相变点测试，得到TiAl合金的α相转变温度Tα和共析转变温度Teu；所述Tα和Teu的单位均为℃；
本实施例所具体采用的Ti-45Al-7Nb-0.3W的Tα为1335℃，Teu为1211℃；
步骤二、利用三维建模软件建立需制TiAl合金构件的三维实体模型，然后利用切层软件对所建立的三维实体模型进行切层离散化处理，得到各层切片的截面数据，接着将各层切片的截面数据作为电子束扫描路径全部导入电子束3D打印机中，之后在电子束3D打印机上设定加工参数，所述加工参数包括电子束扫描速率和电子束扫描电流；
本实施例中具体采用Solidworks软件建立复杂TiAl合金构件的三维实体模型，导入软件用150μm的层厚进行切层处理获得stl格式的数据文件；
步骤三、将TiAl合金粉末加入到步骤二中设定加工参数后的电子束3D打印机中，然后采用电子束对电子束3D打印机中的粉末床进行预热；
本实施例在电子束预热阶段工艺为：电子束扫描速率8.0×104mm/s，电子束扫描电流35mA，粉末床温度保持在950℃左右；
步骤四、采用电子束按照步骤二中所述电子束扫描路径对步骤三中TiAl合金粉末进行选区熔化扫描，具体过程为：首先进行电子束选区熔化扫描，使选区内的TiAl合金粉末快速熔化，从而获得TiAl合金的块状γ相层片组织；待熔化完成后，调整电子束扫描速率和扫描电流，使得TiAl合金的块状γ相层片组织分解为(α2+γ)层片组织，得到单层实体片层；
本实施例在选区熔化扫描的工艺为：首先控制电子束扫描速率4.0×104mm/s，电子束扫描电流5mA，选区内的合金粉末被快速加热至1520℃，与粉末床形成的温度差为570℃，使得电子束离开后微熔池区域以超过50℃/s的速率冷却至Tα温度以下，从而在当前层中获得块状γ相；当前层熔化完成后，电子束扫描速率：1.0×104mm/s，扫描电流：3mA，已熔化区域的温度为1250℃，使得块状γ相稳定、均匀的分解为细小的(α2+γ)层片组织；
步骤五、重复步骤三中所述的将TiAl合金粉末加入到电子束3D打印机中并对粉末床进行预热的加工工艺以及步骤四中所述的对TiAl合金粉末进行选区熔化扫描形成单层实体片层的加工工艺，直至各层实体片层均制备完成，最终得到TiAl合金构件。
本实施例所获得TiAl合金构件的平均晶团尺寸为35μm(其显微形貌如图5所示)，用金属材料力学性能测试平台进行室温拉伸试验，测得TiAl合金的抗拉强度为477MPa，延伸率为1.2％。该构件产品致密、细晶、无宏观偏析且具有细小全层片组织，满足设计要求。
实施例3
本实施例提供了一种基于电子束3D打印技术制备TiAl合金构件的方法，本实施例所需制备的TiAl合金构件具体为Ti-45Al-8Nb合金构件。本实施例基于电子束3D打印技术制备TiAl合金构件的方法包括以下步骤：
步骤一、利用DSC法对TiAl合金进行相变点测试，得到TiAl合金的α相转变温度Tα和共析转变温度Teu；所述Tα和Teu的单位均为℃；
本实施例所具体采用的Ti-45Al-8Nb合金的Tα为1365℃，Teu为1245℃；
步骤二、利用三维建模软件建立需制TiAl合金构件的三维实体模型，然后利用切层软件对所建立的三维实体模型进行切层离散化处理，得到各层切片的截面数据，接着将各层切片的截面数据作为电子束扫描路径全部导入电子束3D打印机中，之后在电子束3D打印机上设定加工参数，所述加工参数包括电子束扫描速率和电子束扫描电流；
本实施例中具体采用Solidworks软件建立复杂TiAl合金构件的三维实体模型，导入软件用100μm的层厚进行切层处理获得stl格式的数据文件；
步骤三、将TiAl合金粉末加入到步骤二中设定加工参数后的电子束3D打印机中，然后采用电子束对电子束3D打印机中的粉末床进行预热；
本实施例在电子束预热阶段工艺为：电子束扫描速率6.0×104mm/s，电子束扫描电流30mA，粉末床温度保持在900℃左右；
步骤四、采用电子束按照步骤二中所述电子束扫描路径对步骤三中TiAl合金粉末进行选区熔化扫描，具体过程为：首先进行电子束选区熔化扫描，使选区内的TiAl合金粉末快速熔化，从而获得TiAl合金的块状γ相层片组织；待熔化完成后，调整电子束扫描速率和扫描电流，使得TiAl合金的块状γ相层片组织分解为(α2+γ)层片组织，得到单层实体片层；
本实施例在选区熔化扫描的工艺为：首先控制电子束扫描速率5.0×104mm/s，电子束扫描电流6mA，选区内的合金粉末被快速加热至1480℃，与粉末床形成的温度差为580℃，使得电子束离开后微熔池区域以超过80℃/s的速率冷却至Tα温度以下，从而在当前层中获得块状γ相；当前层熔化完成后，电子束扫描速率：3.0×104mm/s，扫描电流：2mA，已熔化区域的温度为1200℃，使得块状γ相稳定、均匀的分解为细小的(α2+γ)层片组织；
步骤五、重复步骤三中所述的将TiAl合金粉末加入到电子束3D打印机中并对粉末床进行预热的加工工艺以及步骤四中所述的对TiAl合金粉末进行选区熔化扫描形成单层实体片层的加工工艺，直至各层实体片层均制备完成，最终得到TiAl合金构件。
本实施例所获得TiAl合金构件的平均晶团尺寸为33μm，用金属材料力学性能测试平台进行室温拉伸试验，测得TiAl合金的抗拉强度为580MPa，延伸率为2.0％。该构件产品致密、细晶、无宏观偏析且具有细小全层片组织，满足设计要求。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制。凡是根据发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (4)

1.一种基于电子束3D打印技术制备TiAl合金构件的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一、对TiAl合金进行相变点测试，得到TiAl合金的α相转变温度Tα和共析转变温度Teu；所述Tα和Teu的单位均为℃；
步骤二、利用三维建模软件建立需制TiAl合金构件的三维实体模型，然后利用切层软件对所建立的三维实体模型进行切层离散化处理，得到各层切片的截面数据，接着将各层切片的截面数据作为电子束扫描路径全部导入电子束3D打印机中，之后在电子束3D打印机上设定加工参数，所述加工参数包括电子束扫描速率和扫描电流；
步骤三、将TiAl合金粉末加入到步骤二中设定加工参数后的电子束3D打印机中，然后采用电子束对电子束3D打印机中的粉末床进行预热，直至粉末床的温度为(Teu-400)℃～(Teu-100)℃；
步骤四、采用电子束按照步骤二中所设定的电子束扫描路径对步骤三中所述TiAl合金粉末进行选区熔化扫描，具体过程为：首先在电子束扫描速率为1.0×104mm/s～6.0×105mm/s且扫描电流为2mA～20mA的条件下进行电子束选区熔化扫描，使选区内的TiAl合金粉末在温度为(Tα+200)℃～(Tα+400)℃的条件下快速熔化，选区内的TiAl合金粉末被快速加热形成微熔池，电子束离开后微熔池区域以超过50℃/s、超过80℃/s或超过100℃/s的速率冷却至Tα温度以下，从而在当前层中获得TiAl合金的块状γ组织；待TiAl合金粉末熔化完成后，调整电子束扫描速率为1.0×104mm/s～1.0×105mm/s，扫描电流为1mA～8mA，使TiAl合金的块状γ组织在温度为(Teu+50)℃～(Tα-100)℃的条件下分解为(α2+γ)层片组织，得到单层实体片层；
步骤五、重复步骤三中所述的将TiAl合金粉末加入到电子束3D打印机中并对粉末床进行预热的加工工艺以及步骤四中所述的对TiAl合金粉末进行选区熔化扫描形成单层实体片层的加工工艺，直至各层实体片层均制备完成，最终得到平均晶团尺寸为20μm～60μm、抗拉强度为320MPa～580MPa且延伸率为1.1％～2％的TiAl合金构件。
2.根据权利要求1所述的基于电子束3D打印技术制备TiAl合金构件的方法，其特征在于，步骤一中所述TiAl合金的α相转变温度Tα和共析转变温度Teu均通过DSC法测定得到。
3.根据权利要求1所述的基于电子束3D打印技术制备TiAl合金构件的方法，其特征在于，步骤二中经切层离散化处理后的各层切片的厚度均为30μm～150μm，各层切片的截面数据的存储格式均为stl格式或AMF格式。
4.根据权利要求1所述的基于电子束3D打印技术制备TiAl合金构件的方法，其特征在于，步骤三中采用电子束对粉末床进行预热的过程中，控制电子束扫描速率为1.0×103～8.0×104mm/s，扫描电流为20mA～40mA。
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