CN108505033A - 感应辅助喷丸细化激光增材制造轻合金晶粒的方法 - Google Patents

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张安峰
张晓星
李丽君
张金智
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Abstract

本发明公开了一种感应辅助喷丸细化激光增材制造轻合金晶粒的方法，包括以下步骤：1)根据待成形轻合金零部件的轮廓外形确定感应线圈的形状；2)调整红外测温头的位置，使红外测温头形成的测温光斑位于基体的成形表面上；3)打开激光增材制造系统，在基体上成形第一层熔覆层；4)将感应线圈及红外测温头跟随激光增材制造系统提升一个熔覆层的高度，然后进行下一层熔覆层的成形；5)重复步骤4)，并每隔N层熔覆层通过喷丸装置对成形的熔覆层进行喷丸强化，其中，在喷丸强化时，通过感应线圈对熔覆层进行加热，直至完成整个轻合金零部件的成形为止，该方法成形的轻合金成形部件综合力学性能优良，并且各向异性突出的问题得到有效控制。

Description

感应辅助喷丸细化激光增材制造轻合金晶粒的方法
技术领域
本发明属于激光增材制造领域，涉及一种感应辅助喷丸细化激光增材制造轻合金晶粒的方法。
背景技术
随着航空航天技术的不断进步和发展，对于高性能材料的需求和质量要求进一步提高，以轻合金中最具代表性的钛合金为例，自发现之日起，由于其具有比强度高、耐腐蚀性好以及耐高温等一系列优异性能特点，在航空航天领域得到广泛应用。而激光增材制造技术由于具备复杂零部件的直接成形，且成形件的力学性能与锻件相当，是航空航天、生物医用等领域加工制造钛合金零部件的最优选择。按照激光增材制造钛合金的成形理论，在激光成形过程中，熔池和基板之间存在自上而下的较大温度梯度(Z方向)，同时熔池水平方向也存在由内向外的温度梯度(X方向)。在该温度场下，熔池瞬间凝固，形成沿温度梯度方向的贯穿数个熔覆层的粗大柱状晶，最终导致成形件综合力学性能不佳，各向异性突出等问题。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种感应辅助喷丸细化激光增材制造轻合金晶粒的方法，该方法成形的轻合金成形部件综合力学性能优良，并且不存在各向异性突出的问题。
为达到上述目的，本发明所述的感应辅助喷丸细化激光增材制造轻合金晶粒的方法包括以下步骤：
1)根据待成形轻合金零部件的轮廓外形确定感应线圈的形状，使感应线圈的高度与待成形钛合金零部件的高度齐平；
2)调整红外测温头的位置，使红外测温头形成的测温光斑位于基体的成形表面上；
3)打开激光增材制造系统，在基体上成形第一层熔覆层；
4)将感应线圈及红外测温头跟随激光增材制造系统提升一个熔覆层的高度，然后进行下一层熔覆层的成形；
5)重复步骤4)，并每隔N层熔覆层通过喷丸装置对成形的熔覆层进行喷丸强化，其中，在喷丸强化时，通过感应线圈对熔覆层进行加热，直至完成整个轻合金零部件的成形为止。
步骤5)中喷丸装置在工作过程中，喷丸喷枪的扫描速度为5-80mm/s，喷丸气体压力为1.0-4.5MPa，喷枪采用长度为100-500mm的拉瓦尔管，喷丸距离为10-40mm，送粉速率为10-50g/min，喷丸时间20-120s。
喷丸的材质为不锈钢、铸钢、陶瓷或者玻璃，且粒径为50-300μm。
轻合金为钛合金、铝合金或镁合金。
N为1或者2。
本发明具有以下有益效果：
本发明所述的感应辅助喷丸细化激光增材制造轻合金晶粒的方法在具体操作时，大量研究表明，喷丸强化处理可以有效的消除轻合金内部组织缺陷，促进组织的球化过程，细化合金晶粒，提高疲劳强度，改善合金的力学性能，因此本发明在具体操作时，通过感应线圈对熔覆层进行加热，然后每隔N层熔覆层通过喷丸装置对成形的熔覆层进行喷丸强化，以提高喷丸作用的深度，改善喷丸效果，阻断柱状晶贯穿熔覆层沿成形高度方向无限制外延生长，使轻合金成型件内部获得均匀细化的近等轴晶组织，从而减弱各向异性，改善成形部件的综合力学性能，为轻合金零件的激光直接成形及修复提供了指导作用，为激光增材制备轻合金(尤其是钛合金)领域带来明显的经济效益。
附图说明
图1为本发明的结构原理图；
图2为激光增材制造的TC4(Ti-6Al-4V)局部区域的金相图；
图3为喷丸强化辅助激光增材制造TC4局部区域的金相图。
其中，1为基体、2为红外测温头、3为感应线圈、4为熔覆层、5为激光增材制造系统。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
参考图1，本发明所述的感应辅助喷丸细化激光增材制造轻合金晶粒的方法包括以下步骤：
1)根据待成型轻合金零部件的轮廓外形确定感应线圈3的形状，使感应线圈3的高度与待成形合金零部件的高度齐平；
2)调整红外测温头2的位置，使红外测温头2形成的测温光斑位于基体1的成形表面上；
3)打开激光增材制造系统5，在基体1上成形第一层熔覆层4；
4)将感应线圈3及红外测温头2跟随激光增材制造系统5提升一个熔覆层4的高度，然后进行下一层熔覆层4的成形；
5)重复步骤4)，并每隔N层熔覆层4通过喷丸装置对成形的熔覆层4进行喷丸强化，其中，在喷丸强化时，通过感应线圈3对熔覆层4进行加热，直至完成整个轻合金零部件的成形为止，优选的，N为1或者2。
步骤5)中喷丸装置在工作过程中，喷丸喷枪的扫描速度为5-80mm/s，喷丸气体压力为1.0-4.5MPa，喷枪采用长度为100-500mm的拉瓦尔管，喷丸距离为10-40mm，送粉速率为10-50g/min，喷丸时间为20-120s。
喷丸的材质为不锈钢、铸钢、陶瓷或者玻璃，且粒径为50-300μm。轻合金为钛合金、铝合金或镁合金。
实施例一
本实施例制备TC4(Ti-6Al-4V)，喷丸装置采用西安交通大学自主研发的CS-2000型冷喷系统，工艺参数为：粉末粒度为30～60μm，激光功率为180W，激光光斑直径为0.5mm，扫描速度为8mm/s，送粉量为2.5g/min，Z轴提升量搭接率为25％；喷丸颗粒为不锈钢，粒度为300μm，扫描速度为10mm/s，送粉速率为20g/min，气体压力为2.7MPa，喷丸时间为40s；
沉积100层后对成形的熔覆层4进行喷丸处理，完成零件成形后，则将成形的零件进行抛磨及腐蚀处理，然后放置到数字光学显微镜下观察零件的成形组织。
如图2所示，没有感应加热辅助喷丸成形的TC4试样内部柱状晶非常粗大，而且沿沉积方向贯穿熔覆层4连续生长。参考图3，本发明制备的TC4试样表层晶粒组织得到明显的细化，形成近等轴晶，而柱状晶的生长受阻。
在实际工业应用过程中，为获得理想的等轴组织，需要在沉积较少层数后进行一次喷丸操作，最好的是每成形一层进行喷丸处理一次，而且相对于冷态下的喷丸强化，利用感应加热等加热装置实现高温下的喷丸强化，可显著增加喷丸作用的深度，改善喷丸的效果；而通过提高喷丸扫描速度及强度，可有效降低喷丸的时间，提高生产的效率，必要时可对喷丸载气加热，进一步提高强度及作用深度，缩短喷丸的时间。

Claims (5)

1.一种感应辅助喷丸细化激光增材制造轻合金晶粒的方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)根据待成形轻合金零部件的轮廓外形确定感应线圈(3)的形状，其中，感应线圈(3)利用石棉套管保护，使感应线圈(3)的高度与待成形轻合金零部件的高度齐平；
2)调整红外测温头(2)的位置，使红外测温头(2)形成的测温光斑位于基体(1)的成形表面上；
3)打开激光增材制造系统(5)，在基体(1)上成形第一层熔覆层(4)；
4)将感应线圈(3)及红外测温头(2)跟随激光增材制造系统(5)提升一个熔覆层(4)的高度，然后进行下一层熔覆层(4)的成形；
5)重复步骤4)，并每隔N层熔覆层(4)通过喷丸装置对成形的熔覆层(4)进行喷丸强化，其中，在喷丸强化时，通过感应线圈(3)对熔覆层(4)进行加热，直至完成整个轻合金零部件的成形为止。
2.根据权利要求1所述的感应辅助喷丸细化激光增材制造轻合金晶粒的方法，其特征在于，步骤5)中感应加热温度为700℃-950℃，喷丸装置在工作过程中，喷丸喷枪的扫描速度为5-80mm/s，喷丸气体压力为1.0-4.5MPa，喷枪采用长度为100-500mm的拉瓦尔管，喷丸距离为10-40mm，送粉速率为10-50g/min，喷丸时间为20-120s。
3.根据权利要求1所述的感应辅助喷丸细化激光增材制造轻合金晶粒的方法，其特征在于，喷丸的材质为不锈钢、铸钢、陶瓷或者玻璃，且粒径为50-300μm。
4.根据权利要求1所述的感应辅助喷丸细化激光增材制造轻合金晶粒的方法，其特征在于，轻合金为钛合金、铝合金或镁合金。
5.根据权利要求1所述的感应辅助喷丸细化激光增材制造轻合金晶粒的方法，其特征在于，N为1或者2。
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