CN109261964A - 一种钛合金结构件及其激光熔化沉积成形方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种钛合金结构件及其激光熔化沉积成形方法，属于增材制造技术领域。所述方法包括以下步骤：根据钛合金结构件的尺寸及结构，确定所述钛合金构件的易开裂区域；采用激光熔化沉积成形法获得钛合金结构件，其中，对所述易开裂区域成形时控制晶粒形态为等轴晶，对其他区域成形时控制晶粒形态为柱状晶。本发明提高了易开裂区域沉积态塑性及延伸率，有效规避和消除了钛合金结构件成形过程严重开裂风险，同时保证具有较高的成形效率；与现有技术相比，本发明无互连过程，无需装夹定位等特殊工装，不涉及小尺寸结构互连前的多次机械加工等，可实现钛合金结构件一次性整体快速制造，显著缩短成形周期。

Description

一种钛合金结构件及其激光熔化沉积成形方法
技术领域
本发明涉及一种钛合金结构件及其激光熔化沉积成形方法，属于增材制造技术领域。
背景技术
目前，我国长征系列运载火箭大型钛合金主承力结构件加工工艺均采用锻件/机加方式，普遍面临大型钛合金铸锭真空熔铸、大规格锻坯制备、大型锻造模具加工等制造工序繁多、工艺复杂，机加余量大、材料利用率极低(一般低于5-10％)、数控加工周期长等突出问题，已逐渐难以满足未来新一代运载火箭及航空航天武器装备高性能、高可靠性制造需求。激光熔化沉积技术，以合金粉末为原材料，通过高功率激光原位冶金熔化/快速凝固逐层堆积，由零件三维CAD模型直接驱动，一步实现大型复杂结构近净成形制造，是一种先进的激光快速成形技术，在航空航天大型钛合金主承力结构的快速高性能整体制造方面具有突出优势，可有效解决上述诸多难题。
然而，由于逐点逐线逐面加工特点，大型结构件(激光熔化沉积成形平面内至少有一边的包络尺寸大于1000mm)在激光熔化沉积制造过程中热应力累积极为严重，极易导致产品严重变形开裂失效。
目前，解决该类问题的主要方案是，首先对大型结构进行尺度离散，将其拆解为多个小尺寸结构，然后逐一分别加工制造，最后通过激光熔化沉积工艺实现多个小尺寸结构互连，该类方案可有效解决上述难题，但仍面临相接的两个小尺寸结构基体部位与互连区组织性能一致性调控难度大、互连过程需装夹定位等特殊工装、互连前各个小尺寸结构激光熔化沉积成形后须穿插多次机械加工、工序复杂繁琐、生产及周转周期显著增加等诸多问题。此外，很多大型钛合金整体结构几乎无明显过渡结构，无法分割成多个小尺寸结构。
发明内容
为解决现有技术中存在的问题，本发明提供了一种钛合金结构件及其激光熔化沉积成形方法，有效规避和消除了钛合金结构件成形过程严重开裂风险，可实现钛合金结构件一次性高质量、高可靠性整体制造，工艺简单易操作，能够显著缩短成形周期。
为实现上述发明目的，本发明提供如下技术方案：
一种钛合金结构件激光熔化沉积成形方法，包括以下步骤：
(1)根据钛合金结构件的尺寸及结构，确定所述钛合金构件的易开裂区域；
(2)采用激光熔化沉积成形法获得钛合金结构件，其中，对所述易开裂区域成形时控制晶粒形态为等轴晶，对其他区域成形时控制晶粒形态为柱状晶。
在一可选实施例中，步骤(2)所述的对所述易开裂区域成形时控制晶粒形态为等轴晶，包括：
对所述易开裂区域成形时控制激光功率3000-4000W、扫描速度400-700mm/min、光斑尺寸5-6mm、送粉速率25-35g/min及搭接率35％-60％。
在一可选实施例中，步骤(2)所述的对其他区域成形时控制晶粒形态为柱状晶，包括：
对其他区域成形时控制激光功率为3000-4000W、扫描速度为800-1200mm/min、光斑尺寸为5-6mm、送粉速率10-20g/min及搭接率35％-60％。
在一可选实施例中，所述钛合金为TC4、TC6、TC11、TA15或TC18。
在一可选实施例中，步骤(1)所述的易开裂区域包括激光熔化沉积成形平面内至少有一边的包络尺寸≥1000mm的区域、单层沉积时间≥30min的区域、两个不同成形方向的交界区域、与基板结合的区域和/或截面形状类型发生变化的区域。
在一可选实施例中，步骤(2)采用粒径为60-185μm的钛合金粉末进行激光熔化沉积成形。
在一可选实施例中，步骤(2)激光熔化沉积成形用钛合金粉末在150-180℃温度范围内真空烘干不少于3h。
在一可选实施例中，步骤(2)所述的对所述易开裂区域成形时控制晶粒形态为等轴晶，且每个所述易开裂区域成形完成后在550-850℃下、保温3-6h进行退火处理。
在一可选实施例中，步骤(2)中在700-850℃下、保温3-6h进行退火处理。
在一可选实施例中，所述钛合金结构件的成形平面内至少有一边的包络尺寸大于1000mm。
上述方法制备的钛合金结构件。
本发明具有如下有益效果：
(1)本发明实施例提供的钛合金结构件激光熔化沉积成形方法，通过在成形时控制易开裂区域晶粒形态为等轴晶，控制其他区域晶粒形态为柱状晶，提高了易开裂区域沉积态塑性及延伸率，有效规避和消除了钛合金结构件成形过程严重开裂风险，同时保证具有较高的成形效率；与现有技术相比，本发明无互连过程，无需装夹定位等特殊工装，不涉及小尺寸结构互连前的多次机械加工等，可实现钛合金结构件一次性整体快速制造，显著缩短成形周期；
(2)本发明提供的易开裂区域既能避免开裂，又避免了对易开裂区域保守判断导致的加工时长增加的问题，提高了成形效率；
(3)本发明提供的等轴晶成形工艺参数确保成形平面内温度分布均匀、温度梯度小，可有效抑制柱状晶的生长趋势，得到形态一致的等轴晶；
(4)本发明提供的柱状晶成形工艺参数确保成形平面内温度梯度大，柱状晶沿热流方向生长趋势显著，得到形态一致的柱状晶。
(5)本发明提供的激光熔化沉积成形用钛合金粉末烘干方法，可消除钛合金粉末表面残存水汽，避免成形中产生孔洞类缺陷影响产品力学性能。
附图说明
图1为本发明一实施例提供的钛合金结构件成形原理示意图；
图2为本发明另一实施例提供的钛合金结构件成形原理示意图；
图3为本发明实施例1提供的钛合金结构件的光镜照片。
具体实施方式
以下将结合附图和具体实施例对本发明的具体实施方式做进一步详细说明。
本发明实施例提供了一种钛合金结构件激光熔化沉积成形方法，包括以下步骤：
步骤(1)：根据钛合金结构件的尺寸及结构，确定所述钛合金构件的易开裂区域；
具体地，本发明实施例中，所述的易开裂区域为构件在成形过程中易产生裂纹的区域，可以根据钛合金结构件的设计尺寸及结构得到激光熔化沉积成形三维模型，利用剖分软件对三维模型进行剖分，得到成形时每一层的二维截面信息，根据各层轮廓尺寸及相邻层的轮廓差异即可确定易开裂区域；
本发明实施例中，所述钛合金优选TC4、TC6、TC11、TA15或TC18；
在一可选实施例中，所述的易开裂区域包括激光熔化沉积成形平面(X-Y平面，Z向为沉积高度方向)内至少有一边的包络尺寸≥1000mm的区域、单层沉积时间≥30min的区域、两个不同成形方向的交界区域、与基板结合的区域和/或截面形状类型发生变化(例如截面由正方形变成三角形)的区域；将上述区域作为易开裂区域，既能避免开裂，又避免了对易开裂区域保守判断导致的加工时长增加的问题，提高了成形效率；
例如，如图1所示，钛合金基板A与钛合金结构件小端B的结合区域为第一易开裂区域1，包络尺寸≥1000mm的区域C为第二易开裂区域2，第一易开裂区域1和第二易开裂区域2均为等轴晶，其余区域为柱状晶。
步骤(2)：采用激光熔化沉积成形法获得钛合金结构件，其中，对所述易开裂区域成形时控制晶粒形态为等轴晶，对其他区域成形时控制晶粒形态为柱状晶。
具体地，本发明实施例中，各层成形顺序等条件与常规激光熔化沉积成形工艺一致，通过增加单位时间的送粉量、减慢扫描速度以增加温度分布均匀性、降低温度梯度，使晶粒形成等轴晶；通过减少单位时间送粉量、加快扫描速度以增大温度梯度，增强柱状晶沿热流方向生长趋势，使晶粒形成柱状晶；
本发明实施例提供的钛合金结构件激光熔化沉积成形方法，通过在成形时控制易开裂区域晶粒形态为等轴晶，控制其他区域晶粒形态为柱状晶，提高了易开裂区域沉积态塑性及延伸率，有效规避和消除了钛合金结构件成形过程严重开裂风险，同时保证具有较高的成形效率；与现有技术相比，本发明无互连过程，无需装夹定位等特殊工装，不涉及小尺寸结构互连前的多次机械加工等，可实现钛合金结构件一次性整体快速制造，显著缩短成形周期。
在一可选实施例中，步骤(2)所述的对所述易开裂区域成形时控制晶粒形态为等轴晶，包括：
对所述易开裂区域成形时控制激光功率为3000-4000W、扫描速度为400-700mm/min、光斑尺寸为5-6mm、送粉速率25-35g/min及搭接率35％-60％。
该工艺参数确保成形平面内温度均匀、温度梯度小，可有效抑制柱状晶的生长趋势，得到形态一致的等轴晶。
在一可选实施例中，步骤(2)所述的对其他区域成形时控制晶粒形态为柱状晶，包括：
对其他区域成形时控制激光功率为3000-4000W、扫描速度为800-1200mm/min、光斑尺寸为5-6mm、送粉速率10-20g/min及搭接率35％-60％。
该工艺参数确保成形平面内温度梯度大，柱状晶沿热流方向生长趋势显著，得到形态一致的柱状晶。
在一可选实施例中，步骤(2)采用粒径为60-185μm的钛合金粉末进行激光熔化沉积成形。该粒度粉末既能避免成形过程中被吹散影响沉积高度和沉积效率，又能避免过大粒径导致出现未熔透等缺陷。
在一可选实施例中，步骤(2)激光熔化沉积成形用钛合金粉末在150-180℃温度范围内真空烘干不少于3h，消除钛合金粉末表面残存水汽，避免成形中产生孔洞类缺陷影响产品力学性能。
在一可选实施例中，步骤(2)所述的对所述易开裂区域成形时控制晶粒形态为等轴晶，且每个所述易开裂区域成形完成后在550-850℃下、保温3-6h进行退火处理，以适时降低应力水平，进一步避免开裂。
在一可选实施例中，步骤(2)中在700-850℃下、保温3-6h进行退火处理，既降低了应力水平、避免开裂又避免了合金组织粗化、性能下降。
本发明实施例还提供了上述方法制备的钛合金结构件。
以下为本发明的几个具体实施例：
实施例1
如图1所示，本实施例提供了一种变截面异型结构的钛合金结构件，其在X-Y平面的单向最大尺寸为1500mm，最大高度(Z向)为1000mm，其成形方法包括：
步骤1：根据钛合金结构件的尺寸及结构，确定所述钛合金构件的易开裂区域，其中，钛合金结构件的小端B与基板A的结合部位为第一易开裂区域1，包络尺寸≥1000mm的区域C为第二易开裂区域2；
步骤2：采用粒径为75-185μm的经过真空烘干的TC11钛合金粉末，通过激光熔化沉积成形法获得钛合金结构件，其中：
真空烘干时在155℃温度范围内烘干3h；
对所述易开裂区域成形时控制晶粒形态为等轴晶，成形时激光功率为3000W、扫描速度为500mm/min、光斑尺寸为5mm、送粉速率30g/min及搭接率50％；每个所述易开裂区域成形完成后均在800℃下、保温3h进行退火处理。
对其他区域成形时控制晶粒形态为柱状晶，成形时激光功率为3000W、扫描速度为1000mm/min、光斑尺寸为5mm、送粉速率10g/min及搭接率50％。
本发明实施例得到的变截面异型结构的钛合金结构件的小端以及小端与基板的结合位置处的金相结构如图3所示。
本发明实施例得到的变截面异型结构大型钛合金结构件无任何开裂，经950℃保温1h及550℃保温2h双重退火后各区域力学性能均匀一致，具体地，1500mm×1000mm幅面内不同部位100组试样室温力学性能实测数据为：平均室温抗拉强度、屈服强度及延伸率依次为1075MPa、980MPa、16.0％，标准差依次为14.5、29.5、1.86，变异系数依次为0.014、0.031、0.116，室温性能与TC11钛合金模锻件几乎一致，但标准差及变异系数均明显低于TC11钛合金模锻件(中国航空材料手册第二版第四卷实测数据为平均室温抗拉强度、屈服强度及延伸率1076MPa、980MPa、15.7％，标准差依次为25、45、1.9，变异系数依次为0.023、0.046、0.121)，组织性能更加均匀。
实施例2
如图2所示，本实施例提供了一种运载火箭典型大型钛合金主承力结构件，其包含子结构A、B，子结构A与子结构B成形方向互相垂直，子结构A沿A沉积方向成形时在X-Y平面的最大尺寸为1500mm，最大高度(Z向)为1000mm，子结构B沿B沉积方向成形时在X-Y平面的最大尺寸为600mm，最大高度(Z向)为300mm，其成形方法包括：
步骤1：根据钛合金结构件的尺寸及结构，确定所述钛合金构件的易开裂区域，其中，钛合金结构件子结构A与子结构B的结合部位为第一易开裂区域1，该区域为A成形方向与B成形方向两个不同成形方向的交界区域；
步骤2：采用粒径为75-150μm的经过真空烘干的TC11钛合金粉末，通过激光熔化沉积成形法获得钛合金结构件，其中：
真空烘干时在165℃温度范围内烘干3h；
对所述易开裂区域成形时控制晶粒形态为等轴晶，成形时激光功率为3500W、扫描速度为600mm/min、光斑尺寸为5mm、送粉速率35g/min及搭接率50％；易开裂区域成形完成后在700℃下、保温5h进行退火处理。
对其他区域成形时控制晶粒形态为柱状晶，成形时激光功率为3500W、扫描速度为1200mm/min、光斑尺寸为5mm、送粉速率15g/min及搭接率50％。
本发明实施例得到的运载火箭大型钛合金主承力结构件无任何开裂，经最终热处理后大型钛合金主承力结构件子结构A、B及子结构A、B结合区域力学性能均匀一致，具体地，子结构A在1500mm×1000mm幅面内不同部位100组试样、子结构B在600mm×400mm幅面内不同部位50组试样及子结构A、B结合区域不同部位50组试样共计200组试样的室温力学性能实测数据为：平均室温抗拉强度、屈服强度及延伸率依次为1090MPa、985MPa、15.8％，标准差依次为15.5、28.5、1.88，变异系数依次为0.015、0.030、0.119，室温性能与TC11钛合金模锻件几乎一致，但标准差及变异系数均明显低于TC11钛合金模锻件(中国航空材料手册第二版第四卷实测数据为平均室温抗拉强度、屈服强度及延伸率1076MPa、980MPa、15.7％，标准差依次为25、45、1.9，变异系数依次为0.023、0.046、0.121)，组织性能更加均匀。
以上所述，仅为本发明一个具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
本发明未详细说明部分属于本领域技术人员公知常识。

Claims (11)

1.一种钛合金结构件激光熔化沉积成形方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)根据钛合金结构件的尺寸及结构，确定所述钛合金构件的易开裂区域；
(2)采用激光熔化沉积成形法获得钛合金结构件，其中，对所述易开裂区域成形时控制晶粒形态为等轴晶，对其他区域成形时控制晶粒形态为柱状晶。
2.根据权利要求1所述的钛合金结构件激光熔化沉积成形方法，其特征在于，步骤(2)所述的对所述易开裂区域成形时控制晶粒形态为等轴晶，包括：
对所述易开裂区域成形时控制激光功率3000-4000W、扫描速度400-700mm/min、光斑尺寸5-6mm、送粉速率25-35g/min及搭接率35％-60％。
3.根据权利要求1所述的钛合金结构件激光熔化沉积成形方法，其特征在于，步骤(2)所述的对其他区域成形时控制晶粒形态为柱状晶，包括：
对其他区域成形时控制激光功率为3000-4000W、扫描速度为800-1200mm/min、光斑尺寸为5-6mm、送粉速率10-20g/min及搭接率35％-60％。
4.根据权利要求1-3任一项所述的钛合金结构件激光熔化沉积成形方法，其特征在于，所述钛合金为TC4、TC6、TC11、TA15或TC18。
5.根据权利要求1-3任一项所述的钛合金结构件激光熔化沉积成形方法，其特征在于，步骤(1)所述的易开裂区域包括激光熔化沉积成形平面内至少有一边的包络尺寸≥1000mm的区域、单层沉积时间≥30min的区域、两个不同成形方向的交界区域、与基板结合的区域和/或截面形状类型发生变化的区域。
6.根据权利要求1-3任一项所述的钛合金结构件激光熔化沉积成形方法，其特征在于，步骤(2)采用粒径为60-185μm的钛合金粉末进行激光熔化沉积成形。
7.根据权利要求1-3任一项所述的钛合金结构件激光熔化沉积成形方法，其特征在于，步骤(2)激光熔化沉积成形用钛合金粉末在150-180℃温度范围内真空烘干不少于3h。
8.根据权利要求5所述的钛合金结构件激光熔化沉积成形方法，其特征在于，步骤(2)所述的对所述易开裂区域成形时控制晶粒形态为等轴晶，且每个所述易开裂区域成形完成后在550-850℃下、保温3-6h进行退火处理。
9.根据权利要求7所述的钛合金结构件激光熔化沉积成形方法，其特征在于，步骤(2)中在700-850℃下、保温3-6h进行退火处理。
10.根据权利要求1所述的钛合金结构件激光熔化沉积成形方法，其特征在于，所述钛合金结构件的成形平面内至少有一边的包络尺寸大于1000mm。
11.由权利要求1-10任一项所述的方法制备的钛合金结构件。
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