CN110653461A - 一种变密度Ti/TiAl梯度材料的快速近净成形方法 - Google Patents

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王大锋
章国伟
田野
王群
郑阳升
杜喜望
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Abstract

本发明公开了一种变密度Ti/TiAl梯度材料的快速近净成形方法，其特征在于：采用熔化极气体保护焊增材制造的方式进行成形，具体包括以下步骤：1)根据Ti/TiAl梯度材料的设计需要，选用纯钛板材作为增材制造的基板；2)采用双丝送丝机构将钛丝及铝丝同时送入或者将钛丝单独送入熔化极气体保护焊焊枪，焊枪放电熔化钛丝与铝丝，形成熔池；3)在基板的冷却作用下，合金熔体冷却凝固，在钛基板上沉积第一层沉积体。制备的Ti/TiAl梯度材料兼有钛的韧性与TiAl合金的耐高温性能显著的特点，有效解决了TiAl这种脆性金属间化合物与异种材料的连接问题。

Description

一种变密度Ti/TiAl梯度材料的快速近净成形方法
技术领域
本发明属于有色金属合金热成形技术领域，特别涉及一种变密度Ti/TiAl梯度材料的快速近净成形方法。
背景技术
相较于传统钛合金，TiAl合金作为一种金属间化合物，具有比强度高、耐高温性能好特点，在航空、航天、兵器、汽车工业等领域具有广阔的应用前景。但是，其室温塑性低、成形难度大等固有属性严重制约了其推广应用。目前，TiAl合金几种典型的应用零部件有涡轮增压器、发动机叶片、汽车排气阀等，这些零部件的服役环境为高温、热冲蚀严重，对其特定部位提出了较为严苛的使用要求。
近年来，研究者们尝试制备梯度材料来满足上述要求，比如金属与(铝合金、钛合金、不锈钢、高温合金等)陶瓷复合、表面改性技术(化学气相沉积、扩散焊、粉末冶金等)。还有研究者从工艺的角度来制备梯度材料，比如离心铸造、粉末熔融成形、放电等离子烧结、自蔓延高温合成、激光熔覆等。
TiAl合金属于金属间化合物，一般通过送粉的激光熔化沉积实现，而通过激光熔化沉积工艺制备变密度的TiAl合金存在工艺调整复杂，而且对于小尺寸的零件存在密度渐变控制性差，产品不能满足生产需求等问题。
基于此，本发明采用熔化极气体保护焊增材制造技术制备变密度Ti/TiAl梯度材料，提供一种兼有Ti与TiAl合金双重属性的梯度材料的制备方法。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种变密度Ti/TiAl梯度材料的快速近净成形方法，具有工艺简单、成形方便的特点，制备的Ti/TiAl梯度材料兼有钛的韧性与TiAl合金的耐高温性能显著的特点，有效解决了TiAl这种脆性金属间化合物与异种材料的连接问题。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种变密度Ti/TiAl梯度材料的快速近净成形方法，其特征在于：采用熔化极气体保护焊增材制造的方式进行成形，具体包括以下步骤：
1)根据Ti/TiAl梯度材料的设计需要，选用纯钛板材作为增材制造的基板；
2)采用双丝送丝机构将钛丝及铝丝同时送入或者先将钛丝送入，然后再送入铝丝到熔化极气体保护焊焊枪，焊枪放电熔化钛丝与铝丝，形成熔池；
3)在基板的冷却作用下，合金熔体冷却凝固，在钛基板上沉积第一层沉积体；
4)焊枪及双丝送丝机构按照设定的轨迹进行前后左右扫描，并经向上提升后，沉积体逐层长大长高；
5)如此循环往复，并在不同阶段调整钛丝或铝丝送丝速度，即得到所需的变密度Ti/TiAl梯度块体材料。
TiAl合金具有优异的耐高温，但其脆性较大，延展性差，与其他异种材料连接存在困难，且产品不易机加工，而Ti具有优异的可塑性，高纯钛的延伸率可达50-60％。而一些TiAl合金作为零部件在实际的应用中并不需要其整体具有耐高温、比强度高，只需要其接触的端面或者局部满足该性能要求即可，因此，通过Ti丝与Al丝送丝速度的配合，制备出密度可以渐变的Ti/TiAl梯度材料，既可以提高材料的整体塑性，而且仍然满足零件对于TiAl合金比强度高、耐高温的优点。
作为优选，所述步骤1)的钛丝的直径为0.4～1.6mm，铝丝的直径为0.4～1.6mm。
作为优选，所述焊枪与双丝送丝机构置于氩气保护装置中，沉积过程通过氩气保护装置进行防氧化和氮的污染。
作为优选，所述沉积过程的电流100～350A，所述前一道沉积层与后一道沉积层温度差控制在50～200℃。
作为优选，所述的Ti/TiAl梯度材料的原子百分比组成为：Al≤50at％，余量为Ti和不可避免的杂质。本发明Ti/TiAl梯度材料中，Al≤50at％，Ti与Al形成原子比为1:1的TiAl金属间化合物。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
1、本发明为丝材微区融化、逐层凝固沉积的思路，通过调整送丝速度、直径，Ti/TiAl材料本体实现沿沉积高度、长度及宽度方向的三维密度渐变，界面形成成分互扩散的冶金结合，呈现较为平缓的准连续变化趋势，有效避免了材料在局部界面密度的突变。
2、本发明制备的Ti/TiAl梯度材料，局部具有TiAl合金的耐高温性能显著的特点，但材料的整体塑性得到提高，很好地解决了成形与性能无法兼顾的难题。
3、本发明工艺简单，有效解决了TiAl这种脆性金属间化合物与异种材料如钛、高温合金、钢等的连接问题，且成形效率高、成本也较低。
附图说明
图1为变密度Ti/TiAl梯度材料剖面层Ti沉积的微观组织；
图2为变密度Ti/TiAl梯度材料剖面层TiAl沉积的微观组织；
图3为变密度Ti/TiAl梯度材料剖面层的EDS检测结果。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明作进一步详细描述。
选用10组实施例按照本发明方法进行制备：采用熔化极气体保护焊增材制造的方式进行成形，具体包括以下步骤：
1)根据Ti/TiAl梯度材料的设计需要，选用纯钛板材作为增材制造的基板；
2)采用双丝送丝机构将钛丝及铝丝同时送入或者先将钛丝送入，然后再送入铝丝到熔化极气体保护焊焊枪，焊枪放电熔化钛丝与铝丝，形成熔池；
3)在基板的冷却作用下，合金熔体冷却凝固，在钛基板上沉积第一层沉积体；
4)焊枪及双丝送丝机构按照设定的轨迹进行前后左右扫描，并经向上提升后，沉积体逐层长大长高；
5)如此循环往复，并在不同阶段调整钛丝或铝丝送丝速度，即得到所需的变密度Ti/TiAl梯度块体材料。
上述先采用钛丝单独送入进行沉积形成沉积层，然后钛丝及铝丝同时送入，在送入过程中调整钛丝及铝丝的速度，得到不同密度的TiAl沉积层，最终形成密度渐变的Ti/TiAl梯度材料。
上述钛丝的直径为0.4～1.6mm，铝丝的直径为0.4～1.6mm。
上述焊枪与双丝送丝机构置于氩气保护装置中，沉积过程通过氩气保护装置进行防氧化和氮的污染。
上述沉积过程的电流100～350A，所述前一道沉积层与后一道沉积层温度差控制在50～200℃。
上述Ti/TiAl梯度材料的原子百分比组成为：Al≤50at％，余量为Ti和不可避免的杂质。
取样方法：对10组实施例的Ti/TiAl梯度材料以堆积方向进行剖面，取样检测。
微观组织检测：从图1、图2检测结果得出，Ti/TiAl梯度材料中Ti沉积、TiAl沉积具有枝晶状、层片团组织，说明Ti/TiAl梯度材料为近净成形。
EDS检测：从图3的检测结果得出，变密度Ti/TiAl梯度材料的成分过度平稳，层与层之间无明显成分波动。
表1实施例的加工工艺
Figure BDA0002196231860000041

Claims (5)

1.一种变密度Ti/TiAl梯度材料的快速近净成形方法，其特征在于：采用熔化极气体保护焊增材制造的方式进行成形，具体包括以下步骤：
1)根据Ti/TiAl梯度材料的设计需要，选用纯钛板材作为增材制造的基板；
2)采用双丝送丝机构将钛丝及铝丝同时送入或者先将钛丝送入，然后再送入铝丝到熔化极气体保护焊焊枪，焊枪放电熔化钛丝与铝丝，形成熔池；
3)在基板的冷却作用下，合金熔体冷却凝固，在钛基板上沉积第一层沉积体；
4)焊枪及双丝送丝机构按照设定的轨迹进行前后左右扫描，并经向上提升后，沉积体逐层长大长高；
5)如此循环往复，并在不同阶段调整钛丝或铝丝送丝速度，即得到所需的变密度Ti/TiAl梯度块体材料。
2.根据权利要求1所述的变密度Ti/TiAl梯度材料的快速近净成形方法，其特征在于：所述步骤1)的钛丝的直径为0.4～1.6mm，铝丝的直径为0.4～1.6mm。
3.根据权利要求1所述的变密度Ti/TiAl梯度材料的快速近净成形方法，其特征在于：所述焊枪与双丝送丝机构置于氩气保护装置中，沉积过程通过氩气保护装置进行防氧化和氮的污染。
4.根据权利要求1所述的变密度Ti/TiAl梯度材料的快速近净成形方法，其特征在于：所述沉积过程的电流100～350A，所述前一道沉积层与后一道沉积层温度差控制在50～200℃。
5.根据权利要求1所述的变密度Ti/TiAl梯度材料的快速近净成形方法，其特征在于：所述的Ti/TiAl梯度材料的原子百分比组成为：Al≤50at％，余量为Ti和不可避免的杂质。
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