CN111215855B - 基于爆炸焊和激光增材制造的钛/镍合金部件及制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了属于双金属构件的连接技术领域的基于爆炸焊和激光增材制造的钛/镍合金部件及制备方法。所述钛/镍合金部件包括连接的爆炸焊接部件和激光增材制造部件，所述爆炸焊接部件为钛/钢复合板或钛/镍复合板，所述激光增材制造部件材质为钛合金或镍基合金。本发明基于爆炸焊和激光增材制造方法制备钛/镍合金部件，中间过渡层采用爆炸焊方法连接，克服了因钛/镍合金直接接触产生的脆性金属间化合物而使界面开裂的问题；以爆炸焊接部件为基体采用激光增材制造工艺制备钛/镍合金部件，成形速度快，柔性好，效率高。

Description

基于爆炸焊和激光增材制造的钛/镍合金部件及制备方法
技术领域
本发明属于双金属构件的连接技术领域，尤其涉及基于爆炸焊和激光增材制造的钛/镍合金部件及制备方法。
背景技术
随着科技的不断进步，单一零件经常要满足多种多样复杂的使用需求，对材料的要求越来越高，梯度结构材料由于不同部位的材料具有不同的性能，逐渐成为研究热点。镍基高温合金材料具有较高的强度和良好的抗氧化、抗燃气腐蚀能力，可在600～1000℃范围内使用，但其密度大，会增加零件的重量；钛合金具有轻质高强、耐热耐蚀的优点，其使用温度通常在650℃以下，广泛应用于航空航天等领域。采用镍基高温合金/钛合金梯度结构，在零件高温部位采用镍基高温合金，低温部位采用钛合金，在满足力学性能的同时，减轻其重量，在航空、航天、机械、兵器等领域有越来越大的应用前景。
但是钛合金中的Ti元素和镍基合金中的Ni元素极易形成TiNi、TiNi3、Ti2Ni等脆性金属间化合物，给钛合金和镍基合金的连接带来了困难。传统的梯度结构制备方法如熔焊、钎焊、扩散焊等工艺，焊缝中形成的金属间化合物使焊缝极易开裂。爆炸焊利用炸药爆炸时的冲击波，使金属受到高速撞击，在十分短暂的冶金过程中实现良好结合。整个过程发生在极短的时间里，被连接的金属整体不承受高温，在结合区不发生扩散，属于固态连接，不加填充金属，对材料有广泛的适应性，适用于难以焊接的异种金属组合件，特别适合钛/镍双合金的连接，但是爆炸焊的复合板厚度通常在1～30mm，难以制备大尺寸零件。
此外，传统的双合金制备工艺难以实现零件的一体成形，越来越难适应零件的设计需求。激光增材制造技术通过高功率激光熔化同步输送的原料合金粉末，逐层堆积出具有致密组织和良好性能的零件，具有成形过程无需重型锻造工业装备及大型锻造模具、材料利用率高、机械加工量小、生产成本低、制造周期短、柔性高效等独特优点，特别适合于成形高性能、难加工、材料成本高，特别是对结构功能有特殊梯度要求的零件，是新材料和先进制造领域的国际研究前沿和竞争热点。现有技术中利用激光增材制造技术制备的金属器件是以单材料为基板(例如Ti基板)进行成形，极大地限制了合金制品的应用。
发明内容
针对上述问题，本发明提出了一种基于爆炸焊和激光增材制造的钛/镍合金部件，所述钛/镍合金部件包括连接的爆炸焊接部件和激光增材制造部件，所述爆炸焊接部件为钛/钢复合板或钛/镍复合板，所述激光增材制造部件材质为钛合金或镍基合金。
所述钛/镍合金部件的抗拉强度为250-400MPa，爆炸焊接部件和激光增材制造部件的界面结合强度≥二者界面材料中强度较小的一个；所述钛/镍合金部件的界面无缺陷，性能良好。
一种基于爆炸焊和激光增材制造的钛/镍合金部件的制备方法，包括如下步骤：
1)采用爆炸焊制备钛/钢复合板或钛/镍复合板；
2)对复合板表面进行清理，去除氧化层及其他杂质，并使用激光增材制造专用工装进行固定；
3)根据所需部件形状分别对复合板两侧进行建模，分别以复合板两侧为基体，依次采用激光增材制造的方法，得到成形部件；
4)将成形部件连同工装放入退火炉退火，得到钛/镍合金部件；
所述爆炸焊的具体步骤为：打磨钢板或镍板表面去除污物和氧化膜，在钢板或镍板上预设钛板，将炸药布置在钛板上面，通过雷管引爆，得到钛/钢或钛/镍复合板；所述钛板、钢板和镍板厚度分别为1～3mm，预设距离为4-6mm；炸药为硝酸铵，爆轰速度为1500-3000m/s，炸药量为1.0-2.0g/cm-2。
所述激光增材制造的具体步骤为：在氩气气氛保护下，以复合板钛板一侧为基体进行钛合金部件的成形；在空气气氛下，以复合板镍板或钢板一侧为基体进行镍基合金部件的成形。
所述激光增材制造的工艺参数为：激光功率：1000W～2000W，成形速率：3～10mm/s，层高：0.3～1.0mm，气体流量：4～6L/min；
钛合金部件原料为钛合金粉末，粒度为-90～+325目，送粉量3～4g/min，所述氩气气氛中氧含量≤100ppm；
镍基合金部件原料为镍基合金粉末，粒度为-90～+325目，送粉量5～10g/min。
所述步骤2)中，清理步骤为：采用W14号金相砂纸研磨复合板两侧，然后将复合板放入99％酒精中超声清洗5分钟。
所述步骤2)中，所述工装具有旋转定位和防止变形作用。
所述步骤4)中，退火炉为箱式电阻炉，控温精度±0.1℃，退火温度为500～600℃，退火时间为2h，空气冷却至室温。
本发明的有益效果在于：
1.本发明基于爆炸焊和激光增材制造的钛/镍合金制备方法，中间过渡层采用爆炸焊方法连接，克服了因钛/镍合金直接接触产生的脆性金属间化合物而使界面开裂的问题；剩余零件部分采用激光增材制造工艺制备，成形速度快，柔性好，效率高。
2.本发明所述方法激光增材制造过程中，钛合金成形过程在氩气气氛中进行，防止钛合金因氧化而导致性能降低；镍基合金成形过程在空气气氛中进行，合金中会形成氧化物而使材料强度提高。
3.本发明所述方法有效的解决了钛/镍材料的连接问题，并能够对零件进行近净成形，所制备钛/镍双合金抗拉强度达到280-350MPa，激光增材制造钛合金部件与爆炸焊接部件的界面结合强度不低于二者界面两侧合金中强度较低的合金，并且三个界面均无缺陷，性能良好，具有较好的应用前景。
4.本发明提供一种基于爆炸焊和激光增材制造的合金制备方法，以复合板为基体，采用激光增材制造工艺，并对其进行优化，在不影响爆炸焊复合板界面的前提下，实现钛/镍双合金的连接和自由成形，具有重要的实际应用价值。
附图说明
图1为本发明所述钛/镍合金结构示意图；
图2为本发明实施例1制备的TA2/Q345R双合金界面的SEM图片
图3为本发明实施例1制备的Q345R/GH4169双合金界面的SEM图片；
图4为本发明实施例1制备的TA15/TA2双合金界面的SEM图片；
其中：
1-复合板，2-钛合金；3-镍基合金；4-钛板；5-镍板或钢板
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明：
实施例1
采用基于爆炸焊和激光增材制造的钛/镍合金制备方法，制备TA15/GH4169双合金，如图1所示，中间复合板1采用TA2/Q345R。
本实施例包括如下步骤：
1)采用爆炸焊方法制备TA2/Q345R复合板，打磨Q345R钢板5表面去除污物和氧化膜，在钢板上预置TA2钛板4，钛板4和钢板5之间距离为4mm；采用硝酸铵作为炸药，炸药的爆轰速度为1500m/s，炸药量为1.0g/cm-2；将炸药布置在钛板上面，通过雷管引爆，TA2板和Q345R板厚均为1mm；
2)采用W14号金相砂纸研磨复合板两侧，去除氧化层及其他杂质，然后将复合板放入99％酒精中超声清洗5分钟；
3)将钛/钢复合板1固定至具有旋转定位和防止变形作用的激光增材制造专用工装；
4)根据所需金属零件形状，采用CAD软件，分别对钛/镍双合金中钛合金、镍基合金一侧零件进行建模、剖分、填充、输出代码，设计出零件的三维CAD模型，将文件的数据信息输送到激光增材制造装备；
5)将钛/钢复合板1中钛板4一侧朝上，采用激光增材制造的方法，将待沉积的钛合金粉末，以钛板4为基体，在氩气保护气氛下，采用同轴送粉沉积方式，利用激光在基体上进行激光扫描逐层沉积，进行模型中TA15钛合金2零件的成形，钛合金粉末粒度为-90～+325目，激光增材制造工艺参数为：激光功率：1000W；成形速率：3mm/s；送粉量3g/min，载气流量4L/min；层高：0.3mm，氩气中氧含量控制在100ppm以下。；
6)利用工装，将钛/钢复合板1旋转180°，使钢板5一侧朝上，采用激光增材制造的方法，以钢板为基体进行模型中GH4169镍基合金3零件的成形，镍基合金粉末粒度为-90～+325目，激光增材制造工艺参数为：激光功率：1000W；成形速率：3mm/s；送粉量5g/min；载气流量4L/min；层高：0.3mm，成形过程在空气下进行；
7)将成形的零件连同工装放入控温精度±0.1℃的箱式电阻炉进行退火处理，工艺为500℃，2h，空气冷却至室温；
8)机械加工及质检：对成形的零件进行机械加工，使其尺寸、形状精度及表面质量达到技术要求。
对制备的钛/镍合金的爆炸焊接的复合板的焊接界面TA2/Q345R，复合板与钛合金激光增材制造界面TA15/TA2、复合板与镍基合金激光增材制造界面Q345R/GH4169进行了SEM测试，如图2、图3、图4所示，结果表明各个界面结合良好，无缺陷。
所制备钛/镍合金部件的抗拉强度为296MPa，爆炸焊接部件TA2和激光增材制造部件TA15的界面结合强度为451MPa≥TA2部件的抗拉强度，爆炸焊接部件Q345R和激光增材制造部件GH4169的界面结合强度为510MPa≥Q345R部件的抗拉强度；钛/镍合金部件的界面无缺陷，性能良好。
实施例2
采用基于爆炸焊和激光增材制造的钛/镍双合金制备方法，制备TC4/GH4169双合金，中间复合板采用TA1/N6。
本实施例包括如下步骤：
1)采用爆炸焊方法制备TA1/N6复合板，打磨N6板表面去除污物和氧化膜，在镍板上预置钛板TA1，距离为6mm；采用硝酸铵作为炸药，炸药的爆轰速度为2000m/s，炸药量为1.5g/cm-2；将炸药布置在钛板上面，通过雷管引爆，TA1板和N6板厚均为2mm；
2)采用W14号金相砂纸研磨复合板两侧，去除氧化层及其他杂质，然后将复合板放入99％酒精中超声清洗5分钟；
3)将钛/钢复合板固定至具有旋转定位和防止变形作用的专用工装；
4)采用CAD方法，分别对钛/镍双合金中钛合金、镍基合金一侧零件进行建模、剖分、填充、输出代码；
5)将钛/钢复合板中钛板一侧朝上，采用激光增材制造的方法，以钛板为基体进行模型中TC4钛合金零件的成形，钛合金粉末粒度为-90～+325目，激光增材制造工艺参数为：激光功率：1500W；成形速率：7mm/s；送粉量3.5g/min，载气流量5L/min；层高：0.6mm，成形过程在氩气保护下进行，氧含量控制在100ppm以下。；
6)利用工装，将钛/钢复合板旋转180°，使钢板一侧朝上，采用激光增材制造的方法，以钢板为基体进行模型中GH4169镍基合金零件的成形，镍基合金粉末粒度为-90～+325目，激光增材制造工艺参数为：激光功率：1500W；成形速率：6mm/s；送粉量7g/min；载气流量5L/min；层高：0.6mm，成形过程在空气下进行；
7)将成形的零件连同工装放入控温精度±0.1℃的箱式电阻炉进行退火处理，工艺为550℃，2h，空气冷却至室温；
8)机械加工及质检：对成形的零件进行机械加工，使其尺寸、形状精度及表面质量达到技术要求。
所制备钛/镍合金部件的抗拉强度为350MPa，爆炸焊接部件TA1和激光增材制造部件TC4的界面结合强度为362MPa≥TA1部件的抗拉强度，爆炸焊接部件N6和激光增材制造部件GH4169的界面结合强度为410MPa≥N6部件的抗拉强度；钛/镍合金部件的界面无缺陷，性能良好。
实施例3
采用基于爆炸焊和激光增材制造的钛/镍双合金制备方法，制备TA15/GH4033双合金，中间复合板采用TA2/Q235B。
本实施例包括如下步骤：
1)采用爆炸焊方法制备TA2/Q235B复合板，打磨Q235B钢板表面去除污物和氧化膜，在钢板上预置TA2钛板，距离为6mm；采用硝酸铵作为炸药，炸药的爆轰速度为2500m/s，炸药量为2.0g/cm-2；将炸药布置在钛板上面，通过雷管引爆，TA2板和Q235B板厚均为3mm；
2)采用W14号金相砂纸研磨复合板两侧，去除氧化层及其他杂质，然后将复合板放入99％酒精中超声清洗5分钟；
3)将钛/钢复合板固定至具有旋转定位和防止变形作用的专用工装；
4)采用CAD方法，分别对钛/镍双合金中钛合金、镍基合金一侧零件进行建模、剖分、填充、输出代码；
5)将钛/钢复合板中钛板一侧朝上，采用激光增材制造的方法，以钛板为基体进行模型中TA15钛合金零件的成形，钛合金粉末粒度为-90～+325目，激光增材制造工艺参数为：激光功率：2000W；成形速率：10mm/s；送粉量4g/min，载气流量6L/min；层高：1.0mm，成形过程在氩气保护下进行，氧含量控制在100ppm以下。；
6)利用工装，将钛/钢复合板旋转180°，使钢板一侧朝上，采用激光增材制造的方法，以GH4033钢板为基体进行模型中镍基合金零件的成形，镍基合金粉末粒度为-90～+325目，激光增材制造工艺参数为：激光功率：2000W；成形速率：10mm/s；送粉量10g/min；载气流量6L/min；层高：1.0mm，成形过程在空气下进行；
7)将成形的零件连同工装放入控温精度±0.1℃的箱式电阻炉进行退火处理，工艺为600℃，2h，空气冷却至室温；
8)机械加工及质检：对成形的零件进行机械加工，使其尺寸、形状精度及表面质量达到技术要求。
所制备钛/镍合金部件的抗拉强度为280MPa，爆炸焊接部件TA2和激光增材制造部件TA15的界面结合强度为453MPa≥TA2部件的抗拉强度，爆炸焊接部件Q235B和激光增材制造部件GH4033的界面结合强度为440MPa≥Q235B部件的抗拉强度；钛/镍合金部件的界面无缺陷，性能良好。

Claims (7)

1.一种基于爆炸焊和激光增材制造的钛/镍合金部件的制备方法，其特征在于，所述钛/镍合金部件包括连接的爆炸焊接部件和激光增材制造部件，所述爆炸焊接部件为钛/钢复合板或钛/镍复合板，所述激光增材制造部件材质为钛合金或镍基合金；
制备方法包括如下步骤：
1）打磨钢板或镍板表面去除污物和氧化膜，在钢板或镍板上预设钛板，将炸药布置在钛板上面，通过雷管引爆，得到钛/钢或钛/镍复合板；所述钛板、钢板和镍板厚度分别为1～3 mm，预设距离为4-6 mm；炸药为硝酸铵，爆轰速度为 1500-3000m/s，炸药量为1.0-2.0 g/cm-2；
2）对复合板表面进行清理，去除氧化层及其他杂质，并使用激光增材制造专用工装进行固定；
3）根据所需部件形状分别对复合板两侧进行建模，分别以复合板两侧为基体，依次采用激光增材制造的方法，得到成形部件；
4）将成形部件连同工装放入退火炉退火，得到钛/镍合金部件。
2.根据权利要求1所述一种基于爆炸焊和激光增材制造的钛/镍合金部件的制备方法，其特征在于，所述钛/镍合金部件的抗拉强度为250-400 MPa，爆炸焊接部件和激光增材制造部件的界面结合强度≥二者界面材料中强度较小的一个；
所述钛/镍合金部件的界面无缺陷，性能良好。
3.根据权利要求1所述一种基于爆炸焊和激光增材制造的钛/镍合金部件的制备方法，其特征在于，所述激光增材制造的具体步骤为：在氩气气氛保护下，以复合板钛板一侧为基体进行钛合金部件的成形；在空气气氛下，以复合板镍板或钢板一侧为基体进行镍基合金部件的成形。
4.根据权利要求3所述一种基于爆炸焊和激光增材制造的钛/镍合金部件的制备方法，其特征在于，所述激光增材制造的工艺参数为：激光功率：1000W～2000W，成形速率：3～10mm/s，层高：0.3～1.0mm，气体流量：4～6L/min；
钛合金部件原料为钛合金粉末，粒度为-90～+325目，送粉量3～4g/min，所述氩气气氛中氧含量≤100ppm；
镍基合金部件原料为镍基合金粉末，粒度为-90～+325目，送粉量5～10g/min。
5.根据权利要求1所述一种基于爆炸焊和激光增材制造的钛/镍合金部件的制备方法，其特征在于，所述步骤2）中，清理步骤为：采用W14号金相砂纸研磨复合板两侧，然后将复合板放入99%酒精中超声清洗5分钟。
6.根据权利要求1所述一种基于爆炸焊和激光增材制造的钛/镍合金部件的制备方法，其特征在于，所述步骤2）中，所述工装具有旋转定位和防止变形作用。
7.根据权利要求1所述一种基于爆炸焊和激光增材制造的钛/镍合金部件的制备方法，其特征在于，所述步骤4）中，退火炉为箱式电阻炉，控温精度±0.1℃，退火温度为500～600℃，退火时间为2h，空气冷却至室温。
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