CN110449581B - 一种TiAl+Ti2AlNb复合材料激光熔化沉积制备的方法 - Google Patents

一种TiAl+Ti2AlNb复合材料激光熔化沉积制备的方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于激光增材制造技术领域，涉及一种TiAl+Ti2AlNb复合材料激光熔化沉积制备的方法。本发明采用的激光熔化沉积方法进行TiAl+Ti2AlNb复合材料的成形，是通过调整Ti2AlNb的添加量，使其在复合材料组织中起到“钉扎”作用，调高材料整体塑性。同时选择成形圆形试样，扫描路径改为同心圆弧，避免了矩形试样的直线扫描路径的拉应力，并且在每层同心圆开口转换60°‑90°，即每层扫描起始点变焕位置，减少热应力集中，避免裂纹的形成。控制成形工艺中的热输入量，并调节成形过程中基板的预热温度，减缓成形金属的凝固速度与冷却速度，使得应力有更长的时间去释放。

Description

一种TiAl+Ti2AlNb复合材料激光熔化沉积制备的方法
技术领域
本发明属于激光增材制造技术领域，涉及一种TiAl+Ti2AlNb复合材料激光熔化沉积制备的方法。
背景技术
激光熔化沉积是一种新型的增材制造技术，在新材料、新结构研制、复杂结构制造和承力构件修复等领域具有巨大的优势，因此在航空、航天和生物等领域应用广泛。TiAl基合金密度较低，约3.9g/cm3，其抗蠕变和抗高温氧化性远优于高温钛合金，与镍基高温合金相当，具有高比刚度、比强度和热导性。然而，基体γ-TiAl相因具有方向性强键合及基于有序结构的变形行为的低对称性也导致了此类合金的室温低塑性，添加Ti2AlNb可通过在γ-TiAl相中固溶，置换，降低γ-TiAl本征脆性，同时利用其自身的良好塑性，提高复合材料中的塑性相含量。
然而采用激光熔化沉积方法，成形过程冷却速度较快，应力不易释放，而引起裂纹缺陷(见图1)。激光熔化沉积成形试样中的裂纹缺陷，对后续的组织及性能分析有影响，无法测量其室高温力学性能，难以确定激光增材制造添加 Ti2AlNb对TiAl基合金的增塑机理。
因此为制备激光熔化沉积的TiAl+Ti2AlNb复合材料的无裂纹试样，以研究其塑性变化，测量其力学性能，有必要寻求或开发激光熔化沉积制备工艺及成形方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种TiAl+Ti2AlNb复合材料激光熔化沉积制备的方法。其通过激光熔化沉积，原材料的配比、扫描路径的控制和工艺参数调节，从而避免裂纹的产生，获得形貌与组织良好的成形材料。
本发明的技术方案是：一种TiAl+Ti2AlNb复合材料激光熔化沉积制备的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)用于激光熔化沉积成形的原材料为TiAl和Ti2AlNb粉末，采用双通道同轴送粉，使TiAl粉末与Ti2AlNb粉末以7：3的体积比均匀混合进入熔池，送粉同时进行激光熔化沉积；
(2)激光熔化沉积的每层扫描路径为由外至内的同心圆弧，在每一层中，每个同心圆弧的开口方向一致，在相邻层沉积时，每层同心圆弧的开口方向顺时针转换60°-90°，如此循环重复扫描，即获得添加30vol％Ti2AlNb的TiAl 基合金复合材料。
所述每层同心圆弧的开口方向顺时针转换60°时，每6层为一个成形周期，当转换角度为90°时，每4层为一个成形周期。
所述TiAl和Ti2AlNb粉末，均为球形粉末，粉末粒径为53-106μm。
所述相邻同心圆弧之间径向搭接率为35％-50％。
所述每个同心圆弧在开口处周向搭接率为40％。
所述激光熔化沉积的激光功率为600～1000W、激光扫描速度为500～ 800mm/min。
所述送粉方式为同轴的高纯度氩气送粉、送粉速度为3～12g/min。
所述激光熔化沉积采用同轴双通道的高纯度氩气保护、内保护氩气流量为 15～35L/min、外保护氩气流量为10～40L/min。
所述激光熔化沉积基板预热温度600℃，打印过程中温度变化控制在± 50℃以内。
本发明具有的优点和有益效果：
本发明采用的激光熔化沉积方法进行TiAl+Ti2AlNb复合材料的成形，是通过调整Ti2AlNb的添加量，使其在复合材料组织中起到“钉扎”作用，调高材料整体塑性。同时选择成形圆形试样，扫描路径改为同心圆弧，避免了矩形试样的直线扫描路径的拉应力，并且在每层同心圆开口转换60°-90°，即每层扫描起始点变焕位置，减少热应力集中，避免裂纹的形成。控制成形工艺中的热输入量，并调节成形过程中基板的预热温度，减缓成形金属的凝固速度与冷却速度，使得应力有更长的时间去释放。
附图说明
图1是采用矩形扫描路径与常规工艺的TiAl+Ti2AlNb复合材料试样(存在明显的裂纹缺陷)荧光检测图。
图2是本发明方法获得的激光熔化沉积的TiAl+Ti2AlNb复合材料(无裂纹缺陷)的宏观形貌图与荧光检测图。
图3是本发明方法的激光扫描路径示意图。
具体实施方式：
以下将结合附图和实例对本发明技术方案作进一步详述：
(1)实验设备为Arnold 6KW三维激光加工制造系统，用于激光熔化沉积成形的原材料选用球形TiAl和Ti2AlNb粉末，粉末粒径为53-106μm，采用双通道同轴送粉，使TiAl粉末与Ti2AlNb粉末以7：3的体积比混合进入熔池，即调控两个送粉通道的送粉体积速度比为7：3。
(2)成形过程的扫描路径为由外至内的同心圆弧，同心圆弧之间的搭接间距留有0.7mm，同心圆弧之间径向搭接0.7mm(约为搭接率43％)，每个同心圆弧在开口处的周向搭接弧长为0.7mm。在每一层中，每个同心圆弧的开口方向一致，在相邻层沉积时，每层同心圆弧的开口方向顺时针转换90°，扫描路径示意图如图3所示，即每4层为一个成形周期，第1，5，…，4n+1层同心圆弧开口方向为12点钟方向，第2，6，…，4n+2层同心圆弧开口方向为3点钟方向，第3，7，…，4n+3层同心圆弧开口方向为6点钟方向，第4，8，…，4n+4 层开口方向为9点钟方向，此重复循环扫描。若选择每层同心圆弧的开口方向顺时针旋转60°，即6层为一个成形周期，进行重复循环扫描。
(3)采用激光熔化沉积制备TiAl+Ti2AlNb复合材料的工艺参数为：激光功率为700W、激光扫描速度为600mm/min、成形线能量为1.17KJ/cm、送粉方式为双通道同轴的高纯度氩气送粉，相邻熔覆道间的搭接率约为43％、气体保护方式为同轴双通道的高纯度氩气保护、内保护氩气流量为15L/min、外保护氩气流量为15L/min，以尺寸为200mm×200mm×10mm的TiAl合金试板为成形基板，基板下部放置陶瓷加热带，加热温度为600℃，在成形过程中控制温度误差不超过50℃。
图2是采用本发明方法获得的激光熔化沉积成形试样宏观形貌及荧光检测图，从图中可以看出，通过本发明方法成形的TiAl+Ti2AlNb复合材料试样，在荧光检测下无裂纹、未熔合以及表面气孔缺陷，实现了对TiAl+Ti2AlNb复合材料激光熔化沉积过程中的裂纹控制，为试样的力学性能测试奠定了基础。

Claims (9)

1.一种TiAl+Ti2AlNb复合材料激光熔化沉积制备的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)用于激光熔化沉积成形的原材料为TiAl和Ti2AlNb粉末，采用双通道同轴送粉，使TiAl粉末与Ti2AlNb粉末以7：3的体积比均匀混合进入熔池，送粉同时进行激光熔化沉积；
(2)激光熔化沉积的每层扫描路径为由外至内的同心圆弧，在每一层中，每个同心圆弧的开口方向一致，在相邻层沉积时，每层同心圆弧的开口方向顺时针转换60°-90°，如此循环重复扫描，即获得添加30vol％Ti2AlNb的TiAl基合金复合材料。
2.如权利要求1所述的TiAl+Ti2AlNb复合材料激光熔化沉积制备的方法，其特征在于，所述每层同心圆弧的开口方向顺时针转换60°时，每6层为一个成形周期，当转换角度为90°时，每4层为一个成形周期。
3.如权利要求1所述的TiAl+Ti2AlNb复合材料激光熔化沉积制备的方法，其特征在于，所述TiAl和Ti2AlNb粉末，均为球形粉末，粉末粒径为53-106μm。
4.如权利要求1所述的TiAl+Ti2AlNb复合材料激光熔化沉积制备的方法，其特征在于，相邻同心圆弧之间径向搭接率为35％-50％。
5.如权利要求1所述的TiAl+Ti2AlNb复合材料激光熔化沉积制备的方法，其特征在于，所述每个同心圆弧在开口处周向搭接率为40％。
6.如权利要求1所述的TiAl+Ti2AlNb复合材料激光熔化沉积制备的方法，其特征在于，所述激光熔化沉积的激光功率为600～1000W、激光扫描速度为500～800mm/min。
7.如权利要求1所述的TiAl+Ti2AlNb复合材料激光熔化沉积制备的方法，其特征在于，送粉方式为同轴的高纯度氩气送粉、送粉速度为3～12g/min。
8.如权利要求1所述的TiAl+Ti2AlNb复合材料激光熔化沉积制备的方法，其特征在于，所述激光熔化沉积采用同轴双通道的高纯度氩气保护、内保护氩气流量为15～35L/min、外保护氩气流量为10～40L/min。
9.如权利要求1所述的TiAl+Ti2AlNb复合材料激光熔化沉积制备的方法，其特征在于，所述激光熔化沉积基板预热温度600℃，打印过程中温度变化控制在±50℃以内。
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