CN110947960A - 一种激光选区熔化增材制造钛合金部件的热处理方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种激光选区熔化增材制造钛合金部件的热处理方法，(1)激光选区熔化增材制造钛合金部件：选用钛合金基板，将钛合金粉末平整铺于基板上，并通过激光束扫描钛合金部件包络范围内的粉层；(2)对钛合金部件表面涂覆保护层：保护层材料为有机硅、环氧树脂和石墨粉的混合物；(3)将钛合金部件进行热处理去应力，针状马氏体组织变为颗粒状组织；(4)将钛合金部件进行热处理强化，颗粒状组织细化为直径为0.1‑0.5微米，断后延伸率为10％‑18％。本发明采用表面涂隔绝层的方式来保护钛合金表面，操作简单，可以在空气氛围下热处理，降低了对真空热处理炉的要求，降低成本。

Description

一种激光选区熔化增材制造钛合金部件的热处理方法
技术领域
本发明属于加工制造领域，特别涉及一种激光选区熔化增材制造钛合金部件的热处理方法。
背景技术
激光选区熔化增材制造技术属于增材制造技术的一种，其成形过程基于粉末床技术，利用激光微光斑在粉层表面选择性的扫描熔化，实现复杂构件的成形。但是由于激光选区熔化增材制造过程中的非均匀非稳态加热和快速冷却条件，成形后部件往往具有非常大的内应力，容易造成部件变形甚至是开裂，由于内应力的存在，直接成形试样的力学性能往往较差。
通常激光选区熔化增材制造钛合金部件热处理需要使用真空热处理炉，以避免热处理过程钛合金表面氧化和氢脆，真空热处理炉成本较高，需要一种替代方法。
发明内容
本发明的技术解决问题是：为克服现有技术的不足，本发明提出了一种激光选区熔化增材制造钛合金部件的热处理方法，用于在激光选区熔化增材制造后去除内应力。
本发明的技术解决方案是：
一种激光选区熔化增材制造钛合金部件的热处理方法，具体步骤如下：
(1)激光选区熔化增材制造钛合金部件：选用钛合金基板，将钛合金粉末平整铺于基板上，并通过激光束扫描钛合金部件包络范围内的粉层，重复铺粉，重复扫描，逐层在基板上实现筒形部件的三维成型；三维成型包括实体部件和支撑部件；两层之间激光扫描方向旋转45-67°，在扫描熔化道与熔化道之间，熔化层与熔化层之间产生离散分布应力场；钛合金部件表面粗糙度为30-50微米，部件表面留有0.5-1毫米机加余量；成型后部件微观组织含有针状马氏体；
(2)对钛合金部件表面涂覆保护层：保护层材料为有机硅、环氧树脂和石墨粉的混合物，有机硅和环氧树脂的体积比为1:1～2:1，有机硅和石墨粉的质量比为5：1-10：1，涂覆保护层厚度为0.5-1mm；
(3)将钛合金部件进行热处理去应力：将钛合金部件放于空气热处理炉或保护气体热处理炉中，在700℃～900℃温度下保持2～4h，然后冷却至室温，针状马氏体组织变为颗粒状组织；
(4)将钛合金部件进行热处理强化：将钛合金部件置于300℃～400℃空气热处理炉中，保温2～4h，通入氩气或氮气，进行气体淬火强化，然后冷却至室温，颗粒状组织细化为直径为0.1-0.5微米，钛合金的抗拉强度达到900-1100MPa，断后延伸率为10％-18％。
进一步的，步骤(1)中，利用刮刀将粒径为30-53微米的钛合金粉末平整铺于基板上，铺层厚度为40-60微米，选用激光光斑直径为75-100微米，激光功率为200-400瓦的激光束。
进一步的，表面涂覆保护层在步骤(4)热处理之后使用喷砂工艺去除。
进一步的，钛合金部件与激光选区熔化成形基板和支撑部件一起进行热处理，利用基板和支撑部件作钛合金部件的热处理工装。
进一步的，钛合金为TA15钛合金或TC4钛合金。
进一步的，步骤(4)后，对钛合金部件进行表面去粗糙处理，使表面粗糙度低于3.2微米。
进一步的，对钛合金部件进行表面去粗糙处理方法为：
步骤一，设计电解工装：包括内阴极、外阴极，内阴极、外阴极与钛合金部件形状相适应，分别钛合金部件内部和外部，内阴极、外阴极之间通过接线连接，形成电解工装；
步骤二，将电解工装整体浸没在电解液中，电解液成分为1～5％质量分数的盐酸，5～10％质量分数的氢氟酸，其余为蒸馏水；或电解液成分为3～5％质量分数的硫酸，5～15％质量分数的磷酸，其余为蒸馏水；
步骤三，将电解工装中的钛合金部件连接直流电源的阳极，将内阴极连接电源阴极，接通电压为5～20V的电源，钛合金部件表面粗糙处尖端放电，钛离子及铝离子进入电解液，当内阴极、外阴极处无气泡产生，钛合金部件表面粗糙去除完毕。
进一步的，步骤一中，内阴极、外阴极与钛合金部件的距离为1～10mm。
进一步的，步骤一中，内阴极、外阴极和接线使用同种材料，为不锈钢、石墨、铜合金、铝合金中的一种。
进一步的，步骤一中，所述电解工装为柱状或锥状结构。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本发明采用表面涂隔绝层的方式来保护钛合金表面，操作简单，可以在空气氛围下热处理，降低了对真空热处理炉的要求，降低成本；
(2)本发明热处理过程中利用支撑和基板作为热处理工装，也可以节省了热处理工装的成本；此外，将该方法用于去除激光选区熔化增材制造钛合金部件内应力时，可以得到较高的强度和塑性。
附图说明
图1为本发明方法的流程图；
图2是本发明实施例中未经热处理TA15钛合金微观组织；
图3是本发明实施例中经过两步热处理后的TA15钛合金微观组织；
图4是本发明电解工装立体图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步描述。
一种激光选区熔化增材制造钛合金部件的热处理方法，如图1所示，具体步骤如下：
(1)激光选区熔化增材制造钛合金部件：选用钛合金基板，利用刮刀将粒径为30-53微米的钛合金粉末平整铺于基板上，铺层厚度为40-60微米，选用激光光斑直径为75-100微米，激光功率为200-400瓦的激光束，通过激光束扫描钛合金部件包络范围内的粉层，重复铺粉，重复扫描，逐层在基板上实现筒形部件的三维成型；三维成型包括实体部件和支撑部件；两层之间激光扫描方向旋转45-67°，在扫描熔化道与熔化道之间，熔化层与熔化层之间产生离散分布应力场；钛合金部件表面粗糙度为30-50微米，部件表面留有0.5-1毫米机加余量；成型后部件微观组织含有针状马氏体；
(2)对钛合金部件表面涂覆保护层：保护层材料为有机硅、环氧树脂和石墨粉的混合物，有机硅和环氧树脂的体积比为1:1～2:1，有机硅和石墨粉的质量比为5：1-10：1，涂覆保护层厚度为0.5-1mm；
(3)将钛合金部件进行热处理去应力：将钛合金部件放于空气热处理炉或保护气体热处理炉中，在700℃～900℃温度下保持2～4h，然后冷却至室温，针状马氏体组织变为颗粒状组织；
(4)将钛合金部件进行热处理强化：将钛合金部件置于300℃～400℃空气热处理炉中，保温2～4h，通入氩气或氮气，进行气体淬火强化，然后冷却至室温，颗粒状组织细化为直径为0.1-0.5微米，钛合金的抗拉强度达到900-1100MPa，断后延伸率为10％-18％；
(5)表面涂覆保护层在步骤(4)热处理之后对钛合金部件进行表面去粗糙处理，使表面粗糙度低于3.2微米。
对钛合金部件进行表面去粗糙处理方法为：
步骤一，设计电解工装，如图4所示，包括内阴极1、外阴极2，内阴极1、外阴极2与钛合金部件4形状相适应，分别钛合金部件内部和外部，内阴极1、外阴极2之间通过接线3连接，形成电解工装；内阴极1、外阴极2与钛合金部件的距离为1～10mm；内阴极1、外阴极2和接线使用同种材料，为不锈钢、石墨、铜合金、铝合金中的一种；所述电解工装为柱状或锥状结构；
步骤二，将电解工装整体浸没在电解液中，电解液成分为1～5％质量分数的盐酸，5～10％质量分数的氢氟酸，其余为蒸馏水；或电解液成分为3～5％质量分数的硫酸，5～15％质量分数的磷酸，其余为蒸馏水；
步骤三，将电解工装中的钛合金部件连接直流电源的阳极，将内阴极1连接电源阴极，接通电压为5～20V的电源，钛合金部件表面粗糙处尖端放电，钛离子及铝离子进入电解液，当内阴极1、外阴极2处无气泡产生，钛合金部件表面粗糙去除完毕。
钛合金部件与激光选区熔化成形基板和支撑部件一起进行热处理，利用基板和支撑部件作钛合金部件的热处理工装。
钛合金为TA15钛合金或TC4钛合金。
实施例
本实施例中的激光选区熔化钛合金试样是使用铂力特选区激光熔化成形装备实现的，具体过程包括在充满惰性气体的成形室中，利用刮刀铺一层粉，利用高能激光束对TA15钛合金粉层进行选择性的扫描熔化，实现单层成形，成形一层后控制基板下降，再次铺粉，重复激光扫描熔化过程和铺粉过程，最终实现工件的成形，所得工件微观组织如图2所示。
所用TA15钛合金粉末使用商业钛合金粉末。
所配保护涂料的成分为，选用500ml有机硅与500ml环氧树脂均匀混合，然后向其中添加100g石墨粉，混合均匀后刷涂在部件表面。
热处理过程包括以下两步：
第一步，将激光选区熔化增材制造TA15钛合金部件在850℃温度热处理炉中，保温2h，然后冷却至室温；
第二步，重新将钛合金部件置于350℃温度热处理炉中，保温2h，冷却至室温。
最终获得微观组织如图3所示，所得钛合金的抗拉强度达到1082MPa，断后延伸率达到15％。
本发明采用表面涂隔绝层的方式来保护钛合金表面，操作简单，可以在空气氛围下热处理，降低了对真空热处理炉的要求，降低成本。热处理过程中利用支撑和基板作为热处理工装，也可以节省了热处理工装的成本。此外，将该方法用于去除激光选区熔化增材制造钛合金部件内应力时，可以得到较高的强度和塑性。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (10)

1.一种激光选区熔化增材制造钛合金部件的热处理方法，其特征在于，具体步骤如下：
(1)激光选区熔化增材制造钛合金部件：选用钛合金基板，将钛合金粉末平整铺于基板上，并通过激光束扫描钛合金部件包络范围内的粉层，重复铺粉，重复扫描，逐层在基板上实现筒形部件的三维成型；三维成型包括实体部件和支撑部件；两层之间激光扫描方向旋转45-67°，在扫描熔化道与熔化道之间，熔化层与熔化层之间产生离散分布应力场；钛合金部件表面粗糙度为30-50微米，部件表面留有0.5-1毫米机加余量；成型后部件微观组织含有针状马氏体；
(2)对钛合金部件表面涂覆保护层：保护层材料为有机硅、环氧树脂和石墨粉的混合物，有机硅和环氧树脂的体积比为1:1～2:1，有机硅和石墨粉的质量比为5：1-10：1，涂覆保护层厚度为0.5-1mm；
(3)将钛合金部件进行热处理去应力：将钛合金部件放于空气热处理炉或保护气体热处理炉中，在700℃～900℃温度下保持2～4h，然后冷却至室温，针状马氏体组织变为颗粒状组织；
(4)将钛合金部件进行热处理强化：将钛合金部件置于300℃～400℃空气热处理炉中，保温2～4h，通入氩气或氮气，进行气体淬火强化，然后冷却至室温，颗粒状组织细化为直径为0.1-0.5微米，钛合金的抗拉强度达到900-1100MPa，断后延伸率为10％-18％。
2.根据权利要求1所述的一种激光选区熔化增材制造钛合金部件的热处理方法，其特征在于，步骤(1)中，利用刮刀将粒径为30-53微米的钛合金粉末平整铺于基板上，铺层厚度为40-60微米，选用激光光斑直径为75-100微米，激光功率为200-400瓦的激光束。
3.根据权利要求1所述的一种激光选区熔化增材制造钛合金部件的热处理方法，其特征在于，表面涂覆保护层在步骤(4)热处理之后使用喷砂工艺去除。
4.根据权利要求1所述的一种激光选区熔化增材制造钛合金部件的热处理方法，其特征在于，钛合金部件与激光选区熔化成形基板和支撑部件一起进行热处理，利用基板和支撑部件作钛合金部件的热处理工装。
5.根据权利要求1所述的一种激光选区熔化增材制造钛合金部件的热处理方法，其特征在于，钛合金为TA15钛合金或TC4钛合金。
6.根据权利要求1所述的一种激光选区熔化增材制造钛合金部件的热处理方法，其特征在于，步骤(4)后，对钛合金部件进行表面去粗糙处理，使表面粗糙度低于3.2微米。
7.根据权利要求6所述的一种激光选区熔化增材制造钛合金部件的热处理方法，其特征在于，对钛合金部件进行表面去粗糙处理方法为：
步骤一，设计电解工装：包括内阴极(1)、外阴极(2)，内阴极(1)、外阴极(2)与钛合金部件形状相适应，分别钛合金部件内部和外部，内阴极(1)、外阴极(2)之间通过接线连接，形成电解工装；
步骤二，将电解工装整体浸没在电解液中，电解液成分为1～5％质量分数的盐酸，5～10％质量分数的氢氟酸，其余为蒸馏水；或电解液成分为3～5％质量分数的硫酸，5～15％质量分数的磷酸，其余为蒸馏水；
步骤三，将电解工装中的钛合金部件连接直流电源的阳极，将内阴极(1)连接电源阴极，接通电压为5～20V的电源，钛合金部件表面粗糙处尖端放电，钛离子及铝离子进入电解液，当内阴极(1)、外阴极(2)处无气泡产生，钛合金部件表面粗糙去除完毕。
8.根据权利要求7所述的一种激光选区熔化增材制造钛合金部件的热处理方法，其特征在于，步骤一中，内阴极(1)、外阴极(2)与钛合金部件的距离为1～10mm。
9.根据权利要求7所述的一种激光选区熔化增材制造钛合金部件的热处理方法，其特征在于，步骤一中，内阴极(1)、外阴极(2)和接线使用同种材料，为不锈钢、石墨、铜合金、铝合金中的一种。
10.根据权利要求7所述的一种激光选区熔化增材制造钛合金部件的热处理方法，其特征在于，步骤一中，所述电解工装为柱状或锥状结构。
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