CN111036907A - 一种基于激光选区熔化成形技术制备ta32钛合金零件的方法 - Google Patents

一种基于激光选区熔化成形技术制备ta32钛合金零件的方法 Download PDF

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Abstract

一种基于激光选区熔化成形技术制备TA32钛合金零件的方法。本发明属于钛合金激光增材制造领域。本发明解决了传统铸造和锻造工艺方法加工难度大、制备的TA32结构件内部组织难以消除裂纹、疏松和缩孔等缺陷的技术问题。一、选用TA32球形钛合金粉末作为原材料；二、构建所需目标零件的结构模型，对构建的模型添加支撑，二维切片后导入激光选区熔化成形设备；三、设置激光选区熔化成形加工过程的加工工艺参数，并进行激光选区熔化成形加工；四、将加工完成的零件依次进行线切割、热处理和表面处理，得到TA32钛合金零件。本发明的方法能防止元素偏析，消除材料组织裂纹、疏松、缩孔等缺陷，还有能在一定程度上细化组织晶粒，提升材料的整体性能。

Description

一种基于激光选区熔化成形技术制备TA32钛合金零件的方法
技术领域
本发明属于钛合金激光增材制造领域，具体涉及一种基于激光选区熔化成形技术制备TA32钛合金零件的方法。
背景技术
激光选区熔化成形技术作为增材制造技术的一种实施方式，由粉床选区激光烧结技术发展而来，以金属粉末为加工原料，采用高能密度激光束将铺洒在金属基板上的粉末逐层熔覆堆积，从而形成金属零件的制造技术。其基本原理为：首先，利用切片技术将连续的三维CAD数模离散成具有一定层厚及顺序的分层切片；第二，提取每一层切片所产生的轮廓并根据切片轮廓设计合理的激光器扫描路径、激光扫描速度、激光强度等，并转换成相应的计算机数字控制程序；第三，计算机控制可升降系统上升，粉末碾轮将粉末从粉末储存室推送到零件成形室工作台上的基板，同时激光器在计算机指令控制下，按照预先设置的扫描程序进行扫描，溶化铺洒在基板上的粉末，熔覆生成与这一层形状、尺寸一致的熔覆层；最后，粉末储存室上移而零件成形室下移一个切片厚度并重复上述过程，逐层熔覆堆积直到形成CAD模型所设计的零件。
目前国内工程应用较为成熟的TA15钛合金只能满足低于500℃部位的选材要求，而高于500℃的部位需要使用耐温更高、高温持久强度更高的TA32等热强钛合金。TA32钛合金作为一种近α相的高温钛合金，是在TA12合金的基础上改进得到，新添加了Ta、Nb等元素，在铝当量不变的情况下，增加了β相的稳定性，使其耐热能力突出，热稳定性强，热裂纹敏感系数低，可在低于550℃的温度长时间使用,短时使用温度可达600℃。采用传统铸造和锻造的工艺方法很难达到结构件的一次进净成形，在其内外表面均需留有余量，提高了后续机加工的难度，同时传统工艺制备的TA32结构件内部组织难以消除裂纹、疏松、缩孔等缺陷。
发明内容
本发明解决了传统铸造和锻造工艺方法加工难度大、制备的TA32结构件内部组织难以消除裂纹、疏松和缩孔等缺陷的技术问题，而提供了一种基于激光选区熔化成形技术制备TA32钛合金零件的方法。
本发明的一种基于激光选区熔化成形技术制备TA32钛合金零件的方法具体步骤如下：
一、选用TA32球形钛合金粉末作为激光选区熔化成形用原材料；
二、构建所需目标零件的结构模型，对构建的模型添加支撑，然后进行二维切片，二维切片后导入激光选区熔化成形设备；
三、设置激光选区熔化成形加工过程的加工工艺参数，并进行激光选区熔化成形加工；所述加工工艺参数为：基板预设温度为200～300℃，激光功率为150W～450W，粉末层厚为30μm～60μm，扫描速率为800mm/s～1400mm/s，扫描间距为90μm～130μm；通过该加工工艺参数的限定，获得的成形件性能相对较稳定，在快速的激光熔化冷凝过程，能避免由于体积收缩造成的应力缺陷，减小裂纹和空隙，防止严重的试件断裂裂纹产生；
四、将加工完成的零件依次进行线切割、热处理和表面处理，得到TA32钛合金零件；所述热处理过程为：以5℃/min～10℃/min的升温速率，由室温升温至600～800℃，在该温度下保温1h～2h后，随炉冷却。
进一步限定，步骤一中所述TA32球形钛合金粉末为流动性较好，且成分符合国标要求的TA32球形钛合金粉末，其具体成分为Al：5.0～6.0wt％、Nb：0.2～0.7wt％、Mo：0.3～1.5wt％、Sn：3.0～4.0wt％、Ta：0.2～0.7wt％、Zr：2.5～3.5wt％、Si：0.1～0.5wt％、Fe≤0.25wt％、C≤0.1wt％、H≤0.015wt％、O≤0.15wt％、N≤0.05wt％和余量的Ti。
进一步限定，步骤一中所述TA32球形钛合金粉末由粒径小于15μm的粉末3～6wt％、粒径大于53μm的粉末0～9wt％和余量的粒径为15μm～53μm的粉末组成。
粉末粒径小于15μm的粉末，应该控制其在整体粉末中的含量占比，高占比容易造成粉末粒径分布范围较大，在激光选区熔化成形过程中，造成粉末对激光的吸收率不同，而使成形件性能不稳定，但是细粉末烧结驱动力大，有利于激光烧结的进行，同时细颗粒填充到大颗粒的空隙中，可减少成形件的空隙，提高成形件的致密度和强度，因此，需保留一部分细颗粒粉末。粉末粒径大于53μm的粉末，是造成成形件表面粗糙，成形精度差的主要原因之一，因此在需要通过振动筛分和气流分级技术进行控制，尽可能减少其含量。
进一步限定，步骤一中所述TA32球形钛合金粉末的松装密度为2.1g/cm3～2.5g/cm3，振实密度为2.6g/cm3～2.9g/cm3。
在每层粉末层打印过程中，松装/振实密度影响成形过程的稳定性，符合要求的粉末能避免打印中形成应力开裂，保证良好的组织内部状态。
进一步限定，步骤二中所述激光选区熔化成形设备为华曙FS271M设备。
进一步限定，步骤二中使用三维软件构建所需目标零件的结构模型，并将其保存为STL格式，通过增材制造处理软件对构建的模型添加支撑，然后进行二维切片，二维切片后导入激光选区熔化成形设备。
进一步限定，步骤二中切片厚度为0.01mm～0.03mm。
进一步限定，步骤三中所述的激光选区熔化成形加工过程在氩气气氛下进行，保证成形舱内氧含量不超过0.1％。
进一步限定，步骤三中基板采用TA15钛合金。
进一步限定，步骤四中所述线切割使用反复走丝电火花线切割机床进行，切割速度为6mm/s～10mm/s。
进一步限定，步骤四中所述表面处理依次为表面清洗、表面打磨和表面喷砂，其中所述表面清洗过程为：以无水乙醇为清洗介质进行超声波清洗，清洗时间为10min～60min；所述表面打磨过程为：依次在#600、#1000、#2000和#3000的砂纸上打磨至表面平整光滑；所述表面喷砂采用粒径为0.5mm～1mm的刚玉砂为介质。
采用激光选区熔化成形技术本发明提供一种激光选区熔化成形技术制备TA32钛合金件的方法，选择激光熔化专用TA32钛合金粉末作为原材料，通过优化激光选区熔化工艺参数，制备TA32钛合金结构件，不仅能防止元素偏析，消除材料组织裂纹、疏松、缩孔等缺陷，还有能在一定程度上细化组织晶粒，提升材料的整体性能。本发明的方法成形精度达到±0.05mm，表面粗糙度Ra小于10μm，致密度大于98％，样品显微组织没有明显微裂纹，孔隙缺陷尺寸小于2μm，抗拉强度大于1200MPa延伸率大于10％，最终得到组织致密、缺陷少，综合性能良好的TA32钛合金零件。
附图说明
图1为具体实施方式一得到的TA32钛合金零件显微组织结构图；
图2为腐蚀后的具体实施方式一得到的TA32钛合金零件显微组织结构图；
图3为具体实施方式二得到的TA32钛合金零件显微组织结构图；
图4为腐蚀后的具体实施方式二得到的TA32钛合金零件显微组织结构图；
图5为具体实施方式三得到的TA32钛合金零件显微组织结构图；
图6为腐蚀后的具体实施方式三得到的TA32钛合金零件显微组织结构图。
具体实施方式
具体实施方式一：本实施方式中的一种基于激光选区熔化成形技术制备TA32钛合金零件的方法按以下步骤进行：
一、选用流动性较好，且成分符合国标要求的TA32球形钛合金粉末作为激光选区熔化成形用原材料；其具体成分为Al：5.6wt％、Nb：0.46wt％、Mo：0.64wt％、Sn：3.6wt％、Ta：0.4wt％、Zr：3.23wt％、Si：0.3wt％、Fe≤0.02wt％、C≤0.016wt％、H≤0.001wt％、O≤0.08wt％、N≤0.019wt％和余量的Ti；其粒径分布为：D10为16μm，D90为51μm，粒径范围在15μm～53μm之间；其松装密度为2.4g/cm3，振实密度为2.8g/cm3；
二、使用SolidWorks三维建模软件构建所需目标零件的结构模型，并将其保存为STL格式，通过增材制造处理软件对构建的模型添加支撑，然后进行二维切片，切片厚度为0.01mm，二维切片后导入激光选区熔化成形设备；所述激光选区熔化成形设备为华曙FS271M设备；
三、采用华曙FS271M设备进行激光选区熔化成形加工，启动前保证粉末舱原材料充足，设置激光选区熔化成形加工过程的加工工艺参数，在氩气气氛下进行激光选区熔化成形加工，保证成形舱内氧含量不超过0.1％；所述基板采用TA15钛合金，所述加工工艺参数为：基板预设温度为200℃，激光功率为200W，粉末层厚为60μm，扫描速率为1000mm/s，扫描间距为120μm；
四、将加工完成的零件使用反复走丝电火花线切割机床进行线切割，切割速度为10mm/s，然后在真空烧结炉中以8℃/min的升温速率，由室温升温至800℃，在该温度下保温2h后，随炉冷却，再进行表面处理，得到TA32钛合金零件；所述表面处理依次为表面清洗、表面打磨和表面喷砂，其中所述表面清洗过程为：以无水乙醇为清洗介质进行超声波清洗，清洗时间为30min；所述表面打磨过程为：依次在#600、#1000、#2000和#3000的砂纸上打磨至表面平整光滑；所述表面喷砂采用粒径为0.5mm的刚玉砂为介质。
(一)对本实施方式得到的TA32钛合金零件进行显微组织检测，得到如图1所示的显微组织结构图，从图1可以看出本实施方式得到的TA32钛合金零件组织结构中孔隙缺陷相对更少，没有明显微裂纹。
(二)采用Kroll腐蚀剂(HF：HNO3：H2O＝3：5：92)对本实施方式得到的TA32钛合金零件进行腐蚀，然后观察腐蚀后的TA32钛合金零件显微组织，得到如图2所示的腐蚀后TA32钛合金零件显微组织结构图，从图2可以看出腐蚀后的组织晶粒较细，具备优越的综合打印性能。
具体实施方式二：本实施方式中的一种基于激光选区熔化成形技术制备TA32钛合金零件的方法按以下步骤进行：
一、选用流动性较好，且成分符合国标要求的TA32球形钛合金粉末作为激光选区熔化成形用原材料；其具体成分为Al：5.6wt％、Nb：0.46wt％、Mo：0.64wt％、Sn：3.6wt％、Ta：0.4wt％、Zr：3.23wt％、Si：0.3wt％、Fe≤0.02wt％、C≤0.016wt％、H≤0.001wt％、O≤0.08wt％、N≤0.019wt％和余量的Ti；其粒径分布为：D10为16μm，D90为51μm，粒径范围在15μm～53μm之间；其松装密度为2.4g/cm3，振实密度为2.8g/cm3；
二、使用SolidWorks三维建模软件构建所需目标零件的结构模型，并将其保存为STL格式，通过增材制造处理软件对构建的模型添加支撑，然后进行二维切片，切片厚度为0.02mm，二维切片后导入激光选区熔化成形设备；所述激光选区熔化成形设备为华曙FS271M设备；
三、采用华曙FS271M设备进行激光选区熔化成形加工，启动前保证粉末舱原材料充足，设置激光选区熔化成形加工过程的加工工艺参数，在氩气气氛下进行激光选区熔化成形加工，保证成形舱内氧含量不超过0.1％；所述基板采用TA15钛合金，所述加工工艺参数为：基板预设温度为200℃，激光功率为300W，粉末层厚为30μm，扫描速率为1100mm/s，扫描间距为110μm；
四、将加工完成的零件使用反复走丝电火花线切割机床进行线切割，切割速度为9mm/s，然后在真空烧结炉中以7℃/min的升温速率，由室温升温至800℃，在该温度下保温1.5h后，随炉冷却，再进行表面处理，得到TA32钛合金零件；所述表面处理依次为表面清洗、表面打磨和表面喷砂，其中所述表面清洗过程为：以无水乙醇为清洗介质进行超声波清洗，清洗时间为40min；所述表面打磨过程为：依次在#600、#1000、#2000和#3000的砂纸上打磨至表面平整光滑；所述表面喷砂采用粒径为0.5mm的刚玉砂为介质。
(三)对本实施方式得到的TA32钛合金零件进行显微组织检测，得到如图3所示的显微组织结构图，从图3可以看出本实施方式得到的TA32钛合金零件组织结构中孔隙缺陷相对更少，没有明显微裂纹。
(四)采用Kroll腐蚀剂(HF：HNO3：H2O＝3：5：92)对本实施方式得到的TA32钛合金零件进行腐蚀，然后观察腐蚀后的TA32钛合金零件显微组织，得到如图4所示的腐蚀后TA32钛合金零件显微组织结构图，从图4可以看出腐蚀后的组织晶粒相比具体实施方式一更细，具备更加优越的综合打印性能。
具体实施方式三：本实施方式中的一种基于激光选区熔化成形技术制备TA32钛合金零件的方法按以下步骤进行：
一、选用流动性较好，且成分符合国标要求的TA32球形钛合金粉末作为激光选区熔化成形用原材料；其具体成分为Al：5.6wt％、Nb：0.46wt％、Mo：0.64wt％、Sn：3.6wt％、Ta：0.4wt％、Zr：3.23wt％、Si：0.3wt％、Fe≤0.02wt％、C≤0.016wt％、H≤0.001wt％、O≤0.08wt％、N≤0.019wt％和余量的Ti；其粒径分布为：D10为16μm，D90为51μm，粒径范围在15μm～53μm之间；其松装密度为2.4g/cm3，振实密度为2.8g/cm3；
二、使用SolidWorks三维建模软件构建所需目标零件的结构模型，并将其保存为STL格式，通过增材制造处理软件对构建的模型添加支撑，然后进行二维切片，切片厚度为0.01mm，二维切片后导入激光选区熔化成形设备；所述激光选区熔化成形设备为华曙FS271M设备；
三、采用华曙FS271M设备进行激光选区熔化成形加工，启动前保证粉末舱原材料充足，设置激光选区熔化成形加工过程的加工工艺参数，在氩气气氛下进行激光选区熔化成形加工，保证成形舱内氧含量不超过0.1％；所述基板采用TA15钛合金，所述加工工艺参数为：基板预设温度为200℃，激光功率为400W，粉末层厚为30μm，扫描速率为900mm/s，扫描间距为110μm；
四、将加工完成的零件使用反复走丝电火花线切割机床进行线切割，切割速度为10mm/s，然后在真空烧结炉中以8℃/min的升温速率，由室温升温至800℃，在该温度下保温2h后，随炉冷却，再进行表面处理，得到TA32钛合金零件；所述表面处理依次为表面清洗、表面打磨和表面喷砂，其中所述表面清洗过程为：以无水乙醇为清洗介质进行超声波清洗，清洗时间为30min；所述表面打磨过程为：依次在#600、#1000、#2000和#3000的砂纸上打磨至表面平整光滑；所述表面喷砂采用粒径为0.5mm的刚玉砂为介质。
(五)对本实施方式得到的TA32钛合金零件进行显微组织检测，得到如图5所示的显微组织结构图，从图5可以看出本实施方式得到的TA32钛合金零件组织结构中孔隙缺陷相对更少，没有明显微裂纹。
(六)采用Kroll腐蚀剂(HF：HNO3：H2O＝3：5：92)对本实施方式得到的TA32钛合金零件进行腐蚀，然后观察腐蚀后的TA32钛合金零件显微组织，得到如图6所示的腐蚀后TA32钛合金零件显微组织结构图，从图6可以看出腐蚀后的组织晶粒较细，具备优越的综合打印性能。

Claims (10)

1.一种基于激光选区熔化成形技术制备TA32钛合金零件的方法，其特征在于，该制备方法具体步骤如下：
一、选用TA32球形钛合金粉末作为激光选区熔化成形用原材料；
二、构建所需目标零件的结构模型，对构建的模型添加支撑，然后进行二维切片，二维切片后导入激光选区熔化成形设备；
三、设置激光选区熔化成形加工过程的加工工艺参数，并进行激光选区熔化成形加工；所述加工工艺参数为：基板预设温度为200～300℃，激光功率为150W～450W，粉末层厚为30μm～60μm，扫描速率为800mm/s～1400mm/s，扫描间距为90μm～130μm；
四、将加工完成的零件依次进行线切割、热处理和表面处理，得到TA32钛合金零件；所述热处理过程为：以5℃/min～10℃/min的升温速率，由室温升温至600～800℃，在该温度下保温1h～2h后，随炉冷却。
2.根据权利要求1所述的一种基于激光选区熔化成形技术制备TA32钛合金零件的方法，其特征在于，步骤一中所述TA32球形钛合金粉末由粒径小于15μm的粉末3～6wt％、粒径大于53μm的粉末0～9wt％和余量的粒径为15μm～53μm的粉末组成。
3.根据权利要求1所述的一种基于激光选区熔化成形技术制备TA32钛合金零件的方法，其特征在于，步骤一中所述TA32球形钛合金粉末的松装密度为2.1g/cm3～2.5g/cm3，振实密度为2.6g/cm3～2.9g/cm3。
4.根据权利要求1所述的一种基于激光选区熔化成形技术制备TA32钛合金零件的方法，其特征在于，步骤二中使用三维软件构建所需目标零件的结构模型，并将其保存为STL格式，通过增材制造处理软件对构建的模型添加支撑，然后进行二维切片，二维切片后导入激光选区熔化成形设备。
5.根据权利要求1所述的一种基于激光选区熔化成形技术制备TA32钛合金零件的方法，其特征在于，步骤二中切片厚度为0.01mm～0.03mm。
6.根据权利要求1所述的一种基于激光选区熔化成形技术制备TA32钛合金零件的方法，其特征在于，步骤三中所述加工工艺参数为：基板预设温度为200～300℃，激光功率为200W～400W，粉末层厚为30μm～60μm，扫描速率为900mm/s～1100mm/s，扫描间距为110μm～120μm。
7.根据权利要求1所述的一种基于激光选区熔化成形技术制备TA32钛合金零件的方法，其特征在于，步骤三中所述的激光选区熔化成形加工过程在氩气气氛下进行，保证成形舱内氧含量不超过0.1％。
8.根据权利要求1所述的一种基于激光选区熔化成形技术制备TA32钛合金零件的方法，其特征在于，步骤四中所述线切割使用反复走丝电火花线切割机床进行，切割速度为6mm/s～10mm/s。
9.根据权利要求1所述的一种基于激光选区熔化成形技术制备TA32钛合金零件的方法，其特征在于，步骤四中所述热处理过程为：以7℃/min～8℃/min的升温速率，由室温升温至700℃，在该温度下保温1.5h后，随炉冷却。
10.根据权利要求1所述的一种基于激光选区熔化成形技术制备TA32钛合金零件的方法，其特征在于，步骤四中所述表面处理依次为表面清洗、表面打磨和表面喷砂，其中所述表面清洗过程为：以无水乙醇为清洗介质进行超声波清洗，清洗时间为10min～60min；所述表面打磨过程为：依次在#600、#1000、#2000和#3000的砂纸上打磨至表面平整光滑；所述表面喷砂采用粒径为0.5mm～1mm的刚玉砂为介质。
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