CN108356266B - 一种超声辅助激光近净成形钛-镍合金梯度材料的方法 - Google Patents

一种超声辅助激光近净成形钛-镍合金梯度材料的方法 Download PDF

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Abstract

一种超声辅助激光近净成形钛‑镍合金梯度材料的方法，属于增材制造技术领域。利用超声辅助激光近净成形系统增材制造钛‑镍基合金梯度材料，步骤包括：将超声波发生器固定在机床工作台上，预热装置固定在超声波发生器上，再将基板固定在预热装置上。在成形过程中以体积分数10％为步长不断改变两种粉末的比例，逐步实现从钛合金到镍基合金的梯度过渡。通过辅助超声和预热，能够减少样件内部的气孔、缩孔等缺陷，使得脆性相均匀分布在基体上，与此同时还能够增强基体的硬度和磨损等性能，辅助预热能够降低成形过程中的温度梯度，大大降低裂纹出现的可能性，该方法制备的梯度材料不受形状和尺寸的限制，在降低成本的同时提高了生产效率。

Description

一种超声辅助激光近净成形钛-镍合金梯度材料的方法
技术领域
本发明属于增材制造技术领域，尤其涉及一种超声辅助激光近净成形钛-镍合金梯度材料的方法。
背景技术
随着我国航空航天技术的不断发展，对高速甚至超高速飞行器上的关键零部件有着越来越特殊的性能要求。目前广泛应用于航空航天的材料有钛合金和镍基高温合金等；钛合金具有比强度高、抗疲劳性能好、线膨胀系数小等优点，其缺点在于高温抗氧化性差，因此在高温条件下限制了其应用；镍基高温合金在高温下具有较高的强度和抗氧化腐蚀性能，缺点在于其密度为钛合金的近两倍，过多使用会导致成本的大大增加。在使役过程中，材料不同部位对性能的要求不同，在迎风面要承受较高的温度，而在背风面承受的温度较低，采用梯度过渡的形式，在迎风面采用耐高温的镍基合金，在背风面采用比强度高的钛合金就能够满足材料高强度-轻量化的使役要求。利用激光近净成形方法制备钛-镍合金梯度材料，在制造过程中利用激光高温熔粉，并在制造过程中不断改变粉末的配送比例从而能够制备复杂过渡形式的梯度样件，相比其他梯度材料制备手段能够大大提高生产效率，因此激光近净成形法制备功能梯度材料成为研究热点。
超声辅助激光近净成形制备钛-镍合金梯度材料，利用超声的声流效应、空化效应、机械振动等效应能够有效填补材料内部的孔隙，有利于将材料内部存在的脆性相均匀的分布在基体中，减少了脆性相集中引起开裂的几率，同时能够发挥脆性相高硬度，弥散强化的作用，提高材料的硬度和耐磨损性能；在激光近净成形过程由于其急冷急热的特点，极易产生开裂，因此，在制造过程中采用预热辅助，能够降低成形过程中的温度梯度，能够降低成形件的残余热应力，从而能够降低裂纹产生的可能性；综上，在预热的基础上，采用超声辅助激光近净成形钛-镍合金梯度材料具有高度均匀的组织，在有效抑制裂纹、气孔、缩孔等产生的同时还能够有效提高其硬度、耐磨性等性能，相关报道如下：
大连理工大学申请号为CN201410290489.0一种超声辅助激光近净成形陶瓷件的方法，将基板实施预热缓冷，利用超声辅助激光近净成形系统制备陶瓷件，利用预热缓冷与超声振动两种辅助效果耦合强化，通过两种手段耦合能够降低三维陶瓷件的缺陷；在底部施加超声，随着成形高度的增加，超声衰减明显，等效超声辅助作用不明显，对于制备大尺寸的零部件具有一定的局限性。
中国学者张雷洋：“感应加热辅助钛合金激光沉积修复热行为研究”，沈阳航空航天大学研究硕士学位论文，2016年。利用感应加热方法来降低钛合金激光沉积修复过程中沉积区域温度梯度，分析表明：感应加热可以有效降低激光沉积修复过程中的温度梯度及工件受热产生的热应力，进而达到控制变形开裂，提高沉积。其方法与超声辅助激光近净成形技术相比，其组织不够均匀，不具备优良的综合性能。
大连理工大学申请号为CN201610390878.X一种超声辅助激光近净成形Al2O3基共晶陶瓷刀具的方法。利用超声辅助能够改善陶瓷内部的缺陷，但是由于激光近净成形过程中具有很高的温度梯度，尤其是在制备大尺寸样件时极易产生裂纹等缺陷。
发明内容
为解决传统加工方式制备梯度材料结构多缺陷(开裂、气孔、缩孔等)、组织不均匀、制造尺寸受限等问题，本发明提供一种超声辅助激光近净成形钛-镍基合金梯度材料的方法，相比于其他的方法，该方法在降低温度梯度的同时，还通过不断增加超声功率密度来补偿超声通过固体/液体介质的衰减，该方法在提高传统制造方法效率的基础上，极大降低了样件内部气孔、开裂等出现的可能性，同时提高了样件的硬度，耐磨损性能；能够满足材料高强度-轻量化的使役要求，降低了成本，提高了精度。
本发明的技术方案：
一种超声辅助激光近净成形钛-镍合金梯度材料的方法，将超声波发生器5固定在数控机床工作台1上，预热装置2固定在超声波发生器5上，再将基板3固定在预热装置2上；成形过程中，通过控制两个送粉筒不断改变两种粉末的配比，逐步实现从钛合金向镍基合金的梯度过渡，制造方法包括以下步骤：
A.在超声频率20-35kHz范围内，找出基板3的谐振点；预热温度调至50-400℃；根据送粉筒10数显和送粉量的关系，控制在成形过程中以体积分数10％为步长不断改变两种粉末的比例；在上述基础上，成形体积分数0％-30％镍基合金时，超声功率密度为0.5-0.9W/cm2，线能量密度范围在0.9-1.6W/(mm/min)，在提升量Z轴方向上高度每增加6mm超声功率密度增加0.05-0.1W/cm2；成形体积分数40％-60％镍基合金时，超声功率密度范围为0.9～1.3W/cm2，线能量密度范围在0.7-1.4W/(mm/min)，在提升量Z轴方向上高度每增加6mm超声功率密度增加0.1-0.15W/cm2；成形体积分数70％-100％镍基合金时，超声功率密度范围为1.3～1.7W/cm2；线能量密度范围在0.5-1.2W/(mm/min)，在提升量Z轴方向上高度每增加6mm超声功率密度增加0.15-0.2W/cm2，通过数控系统对不同成分分别采用上述的工艺参数逐渐实现从钛合金到镍基合金的过渡；
B.成形结束后，依次关闭激光器、送粉筒和保护气体，超声功率密度以0.1(W/cm2)/min的速率逐渐降低至零，通过温度控制装置，0-5min内以5-10℃/min的冷却速度缓慢冷却，10min以后冷却至室温。
本发明的有益效果：
1.本发明中所采用的制备方法与以往报道的方法相比，超声辅助激光近净成形钛-镍合金梯度材料的方法中通过数控控制能够不断改变粉末的比例，能够实现复杂的梯度过渡形式；所施加的超声和预热两种耦合机制能够进一步减少成形件的气孔、缩孔等缺陷，同时避免了传统超声施加不均匀造成的塌陷问题。
2.本发明中所采用的制备方法与以往报道的方法相比，通过超声和预热耦合强化可以制备形状大小不受限制的复杂梯度样件，提高了梯度材料的质量。
3.本发明中所采用的制备方法与以往报道的方法相比，超声辅助激光近净成形法可高效制备性能优异的梯度材料，在超声的声流效应、空化效应、和机械振动等作用下能够均匀成形件内部的物相，使得脆性相均匀分布在基体内，在减小裂纹开裂的同时还提高了材料的硬度和耐磨损性能。
附图说明
图1是钛合金-镍基合金梯度材料的超声辅助激光近净成形系统示意图：
图中：1数控机床工作台；2预热装置；3基板；4喷嘴；5超声波发生器；6插排；7工控机；8激光器；9送粉器；10送粉筒；11高纯氩。
具体实施方式
下面结合附图和技术方案，进一步说明本发明的具体实施方式。
实施例1
采用Nd:YAG固体连续激光器8、超声辅助装置5、预热装置2对TC4和GH4169粉末进行激光近净成形，具体成形步骤如下：
A、实验基板3用砂纸打磨并依次用丙酮、去离子水清洗、吹干，用筛网筛选粒度为45～90μm的TC4和GH4169粉末，将筛选好的45～90μm的粉末放至电热式鼓风干燥箱中100-120℃下干燥4-6h，将两种金属粉末分别放入送粉器11的两个筒10中。
B.开启激光近净成形系统，具体包括先后开启数控机床、激光器、冷却系统、控制机；将超声波发生器5固定在机床工作台上，预热装置2固定在超声波发生器5上，再将基板3固定在预热装置2上。在超声频率20-35kHz范围内，找出基板的谐振点。预热温度调至300℃，开启高纯氩气11，调示数至0.35MPa，调整送粉气压为0.1-0.2MPa，流量为5L/min，保护气压为0.1-0.2MPa，流量为15L/min，待温度稳定后开启超声发生装置5，将超声功率密度调至0.7W/cm2，送粉量设置为1.5g/min，激光功率为420W，线能量密度为1.2W/(mm/min)，Z轴提升量设置为0.25mm，成形单道24层，通过控制系统采用上述工艺参数实现从TC4到30％GH4169体积分数的梯度过渡；同理，采用超声功率密度1.0W/cm2，送粉量设置为1.5g/min，激光功率为400W，线能量密度为1.0W/(mm/min)，Z轴提升量设置为0.25mm，成形单道24层，通过控制系统采用上述工艺参数成形40％到60％GH4169体积分数的梯度过渡；同上，采用超声功率密度1.4W/cm2，送粉量设置为1.5g/min，激光功率为350W，线能量密度为0.8W/(mm/min)，Z轴提升量设置为0.25mm，成形单道24层，通过控制系统采用上述工艺参数成形70％到100％GH4169体积分数的梯度过渡。最终实现从TC4到GH4169的梯度过渡。
C、成形结束后，依次关闭激光器、送粉筒和保护气体，超声功率密度以0.1(W/cm2)/min的速率逐渐降低至零，通过温度控制装置，0-5min内以5-10℃/min的冷却速度缓慢冷却，10min以后冷却至室温。

Claims (1)

1.一种超声辅助激光近净成形钛-镍合金梯度材料的方法，其特征在于，将超声波发生器(5)固定在数控机床工作台(1)上，预热装置(2)固定在超声波发生器(5)上，再将基板(3)固定在预热装置(2)上；成形过程中，通过控制两个送粉筒不断改变两种粉末的配比，逐步实现从钛合金向镍基合金的梯度过渡；其特征在于，方法包括以下步骤：
A.在超声频率20-35kHz范围内，找出基板(3)的谐振点；预热温度调至50-400℃；根据送粉筒(10)数显和送粉量的关系，控制在成形过程中以体积分数10％为步长不断改变两种粉末的比例；在上述基础上，成形体积分数0％-30％镍基合金时，超声功率密度为0.5-0.9W/cm2，线能量密度范围在0.9-1.6W/(mm/min)，在提升量Z轴方向上高度每增加6mm超声功率密度增加0.05-0.1W/cm2；成形体积分数40％-60％镍基合金时，超声功率密度范围为0.9～1.3W/cm2，线能量密度范围在0.7-1.4W/(mm/min)，在提升量Z轴方向上高度每增加6mm超声功率密度增加0.1-0.15W/cm2；成形体积分数70％-100％镍基合金时，超声功率密度范围为1.3～1.7W/cm2；线能量密度范围在0.5-1.2W/(mm/min)，在提升量Z轴方向上高度每增加6mm超声功率密度增加0.15-0.2W/cm2，通过数控系统对不同成分分别采用上述的工艺参数逐渐实现从钛合金到镍基合金的过渡；
B.成形结束后，依次关闭激光器、送粉筒和保护气体，超声功率密度以0.1(W/cm2)/min的速率逐渐降低至零，通过温度控制装置，0-5min内以5-10℃/min的冷却速度缓慢冷却，10min以后冷却至室温。
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