CN111390338A - 一种异质双丝TOP-TIG电弧增材制造TiAl金属间化合物的方法 - Google Patents

一种异质双丝TOP-TIG电弧增材制造TiAl金属间化合物的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种异质双丝TOP‑TIG电弧增材制造TiAl金属间化合物的方法，属于增材制造技术领域。本发明解决了现有电弧增材制造工艺制备TiAl金属间化合物时，由于钛合金焊丝和铝焊丝的熔化特性差异大，使同一电弧加热下两丝熔化不同步，获得的金属间化合物成份组织不均匀的问题。本发明通过调节焊丝的角度、位置以及钨极伸出长度，保证两根异质焊丝在同一个电弧的加热下吸收的热量不同，使各自处于合理的加热条件，实现两根焊丝同步连续熔化，获得成份组织均匀的TiAl金属间化合物构件。本方法有效地解决了现有TIG电弧增材制造金属间化合物时异质双丝熔化不同步的问题，扩宽了金属间化合物制造工艺区间，提升制造过程稳定性。

Description

一种异质双丝TOP-TIG电弧增材制造TiAl金属间化合物的 方法
技术领域
本发明涉及一种异质双丝TOP-TIG电弧增材制造TiAl金属间化合物的方法，属于增材制造技术领域。
背景技术
金属间化合物是由两个或多个金属组元按比例组成的具有不同于其组成元素的晶体结构与金属基本特征的化合物。TiAl金属间化合物具有低密度，抗氧化的特点以及优异的高温力学性能，且耐蚀性和抗氧化性均优于钛合金，是一种适合于600℃-1000℃应用的高温结构材料，有望应用于下一代高性能航空发动机中。
然而由于TiAl基合金在室温下塑性较低，断后延伸率仅为1％-2％，导致其在应用过程中加工工艺十分复杂，现有传统的材料加工和成型手段对TiAl基合金的适应性很差，容易造成开裂，制造复杂形状的TiAl结构件工艺复杂且成本高。增材制造技术是一种具有潜力的适用于TiAl基合金制造的方法。
目前电弧增材制造金属间化合物的方法通常采用焊接过程相对稳定的TIG电弧焊，但是现有技术中两根焊丝均以相同的送进角度从电弧前方送进熔池，当两根焊丝具有不同的熔点以及熔化特性时，要使两根焊丝在相同的加热条件下按既定的不同速度持续稳定的送进，则所利用的工艺参数区间很窄，很难保证所得合金符合预定要求。而且，对于一些熔化特性差异较大的两根异质焊丝则很难找到一个合适的工艺参数来制造预定的合金。如果两根焊丝在焊枪的同侧以不同角度送进熔池时，处于上方的焊丝会阻碍热量向下方的焊丝传输，进而使得下方焊丝受热不充分，尤其两根焊丝为不同材质时，无法保证下方焊丝持续送进熔化。
发明内容
本发明为了解决现有电弧增材制造工艺制备TiAl金属间化合物时，由于钛合金焊丝和铝焊丝的熔化特性差异大，所导致获得的金属间化合物成份组织不均匀的问题，提供一种异质双丝TOP-TIG电弧增材制造TiAl金属间化合物的方法。
本发明的技术方案：
一种异质双丝TOP-TIG电弧增材制造TiAl金属间化合物的方法，该方法使用集成有第一送丝机和第二送丝机的TOP-TIG焊枪，第一送丝机和第二送丝机分别位于TOP-TIG焊枪的两侧，该方法包括以下步骤：
步骤一，预热基板，第二送丝机送出的铝焊丝的轴线与TOP-TIG焊枪内钨极的轴线间的夹角为30°，调整第一送丝机送出的钛合金焊丝的轴线与TOP-TIG焊枪内钨极的轴线间的夹角为60°～85°，调整TOP-TIG焊枪内钨极伸出长度；
步骤二，接通TOP-TIG焊枪，设定焊接电流和焊接电压；接通第一送丝机和第二送丝机并设置送丝速度；
步骤三，接通保护气，启动焊接电源引燃电弧，启动第一送丝机和第二送丝机将焊丝送进电弧，启动行走平台，使行走平台与TOP-TIG焊枪产生相对运动，按预设路径行走，开始沉积；预设路径沉积完成后，停止送丝，熄灭电弧，继续通保护气至液态金属完全凝固，移动行走平台，焊枪回到预设路径起点；
步骤四，间隔一段时间后，重复上述步骤二至步骤三，直至构件尺寸达到预定设计，获得TiAl金属间化合物。
进一步限定，第一送丝机包括外置送丝导管，通过外置送丝导管将钛合金焊丝送入电弧，第二送丝机包括内置送丝导管，通过内置送丝导管将铝焊丝送入电弧。
更进一步限定，行走平台的行走方向为前方，钛合金焊丝从TOP-TIG焊枪的前方送入电弧，铝焊丝从TOP-TIG焊枪的后方送入电弧。
进一步限定，步骤一中基板为纯钛板，基板加热至450℃后保温。
进一步限定，步骤一中钛合金焊丝牌号为Ti6Al4V，铝焊丝牌号为ER1100。
进一步限定，TOP-TIG焊枪内钨极伸出长度为5-8mm。
进一步限定，步骤二中焊接电流为120A，焊接电压为9～10V。
进一步限定，步骤二中第一送丝机的送丝速度为700～800mm/min，第二送丝机的送丝速度为400～600mm/min。
进一步限定，步骤二中TOP-TIG焊枪相对行走平台的移动速度为100mm/min。
进一步限定，TOP-TIG焊枪的钨极及电弧周围通过保护气拖罩充满惰性保护气。
本发明具有以下有益效果：本发明提供的方法通过调节焊丝的角度、位置以及钨极伸出长度来使得两根焊丝各自处于合理的加热条件，使两根焊丝处于不同的加热状态，使熔点高的焊丝处于高温加热，熔点低的焊丝处于较低温的加热，保证熔化特性差异较大的钛合金焊丝与铝焊丝同步稳定的熔化，使得异质双丝TOP-TIG电弧增材制造出TiAl金属间化合物构件外观完整无裂纹，内部组织均匀，且为典型TiAl金属间化合物的组织形态。并且本方法有效地解决了现有TIG电弧增材制造金属间化合物时异质双丝熔化不同步的问题，扩宽了金属间化合物制造工艺区间，提升制造过程稳定性。
附图说明
图1为本发明的方法增材制造TiAl金属间化合物的加工过程示意图；
图2为本发明的异质双丝的送丝角度及位置示意图；
图3为实施例1制得的TiAl金属间化合物的实物图；
图4为实施例1制得的TiAl金属间化合物的断面的宏观和微观图像；
图5为实施例2制得的TiAl金属间化合物的实物图；
图6为实施例3制得的TiAl金属间化合物的实物图；
图中1-第一送丝机，2-外置送丝导管，3-TOP-TIG焊枪，4-第二送丝机，5-内置送丝导管，6-保护气拖罩，7-基板，8-加热板，9-行走平台。
具体实施方式
下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明均为常规方法。所用材料、试剂、方法和仪器，未经特殊说明，均为本领域常规材料、试剂、方法和仪器，本领域技术人员均可通过商业渠道获得。
具体实施方式1：
如图1所示，本实施例方法使用集成有第二送丝机4的TOP-TIG焊枪3完成增材制造，还包括第一送丝机1。本实施例墙体构件设计尺寸为：130mm×10mm×30mm，所采用的钛合金焊丝是直径为1.2mm的Ti6Al4V，铝焊丝是直径为1.2mm的ER1100。具体增材制造TiAl金属间化合物的步骤如下：
(1)选择纯钛板作为基板7，将基板7置于加热板8上，根据所需金属间化合物构件的形状确定TOP-TIG焊枪3的行走路径，并选择合适的沉积起点，打开加热板8的电源对基板7进行预热，基板7温度达到450℃后保温；
(2)以行走平台9的行走方向为前方，第一送丝机1的钛合金焊丝从TOP-TIG焊枪3的前方通过外置送丝导管2送入电弧。如图2所示，调整第一送丝机1送出的钛合金焊丝的轴线与TOP-TIG焊枪3内钨极的轴线间的夹角为60°；第二送丝机4的铝焊丝从TOP-TIG焊枪3的后方通过内置送丝导管5送入电弧，调整第二送丝机4送出的铝焊丝的轴线与TOP-TIG焊枪3内钨极的轴线间的夹角为30°；调整TOP-TIG焊枪3内钨极伸出长度为6mm；
(3)接通TOP-TIG焊枪3，设定焊接电流为120A，焊接电压为9-10V；接通第一送丝机1和第二送丝机4，并设置第一送丝机1送丝速度为700mm/min；第二送丝机4的送丝速度为481.6mm/min；
(4)在TOP-TIG焊枪3后加置保护气拖罩6，接通保护气氩气以减少高温金属与空气接触发生氧化，氩气流量为15L/min，启动焊接电源引燃电弧，启动第一送丝机1和第二送丝机4将焊丝送进电弧，启动行走平台9，使行走平台9与TOP-TIG焊枪3产生相对运动，按预设路径行走，开始沉积；预设路径沉积完成后，停止送丝，熄灭电弧，继续通保护气15s，提高TOP-TIG焊枪3移动行走平台9，使TOP-TIG焊枪3回到预设路径的沉积起点；
(5)间隔90s，重复上述步骤三至步骤四，进行第二层沉积，继续重复步骤三至步骤四操作，直至构件尺寸达到预定设计值，获得TiAl金属间化合物墙体构件，如图3所示，该墙体构件完整无裂纹。对该墙体构件进行内部组织分析，图4为墙体构件的断面光镜图像，其中图4(a)为整个断面的宏观图像，图4(b)为图4(a)的顶部图像，图4(c)为(b)的局部放大图，由图4(c)可知该墙体构件顶部为γ/α2片层结构；图4(d)为图4(a)的中部图像，图4(e)为(d)的局部放大图，由图4(e)可知该墙体构件中部包含层带区与层间区；图4(f)为图4(a)的底部图像，图4(g)为(f)的局部放大图，由图4(f)可知该墙体构件底部为α2晶粒伴随晶内与晶界析出的γ片层。综上可知，该墙体构件内部组织分布均匀，呈现电弧丝材金属增材制造的微观结构特征，生成的组织为TiAl金属间化合物。
具体实施方式2：
该具体实施方式与具体实施方式1不同之处为：第一送丝机1送丝速度为800mm/min；第二送丝机4的送丝速度为480mm/min，其余参数设定及操作步骤均与具体实施方式1相同。该具体实施方式获得的TiAl金属间化合物墙体构件，如图5所示，该墙体构件完整无裂纹。
具体实施方式3：
该具体实施方式与具体实施方式1不同之处为：第一送丝机1送丝速度为800mm/min；第二送丝机4的送丝速度为600mm/min，其余参数设定及操作步骤均与具体实施方式1相同。该具体实施方式获得的TiAl金属间化合物墙体构件，如图6所示，该墙体构件完整无裂纹。

Claims (10)

1.一种异质双丝TOP-TIG电弧增材制造TiAl金属间化合物的方法，该方法使用集成有第二送丝机的TOP-TIG焊枪，其特征在于，还包括外置的第一送丝机，所述的第一送丝机和第二送丝机分别位于TOP-TIG焊枪的两侧，该方法包括以下步骤：
步骤一，打开加热板预热基板，第二送丝机送出的铝焊丝的轴线与TOP-TIG焊枪内钨极的轴线间的夹角固定为30°，调整第一送丝机送出的钛合金焊丝的轴线与TOP-TIG焊枪内钨极的轴线间的夹角为60°～85°，调整TOP-TIG焊枪内钨极伸出长度；
步骤二，接通TOP-TIG焊枪，设定焊接电流和焊接电压；接通第一送丝机和第二送丝机并设置送丝速度；
步骤三，接通保护气，启动焊接电源引燃电弧，启动第一送丝机和第二送丝机将焊丝送进电弧，启动行走平台，使行走平台与TOP-TIG焊枪产生相对运动，按预设路径行走，开始沉积；预设路径沉积完成后，停止送丝，熄灭电弧，继续通保护气待金属完全凝固后，移动行走平台，焊枪回到预设路径起点；
步骤四，间隔一段时间后，重复上述步骤二和步骤三，直至构件尺寸达到预定设计，获得TiAl金属间化合物。
2.根据权利要求1所述的一种异质双丝TOP-TIG电弧增材制造TiAl金属间化合物的方法，其特征在于，所述的第一送丝机包括外置送丝导管，通过外置送丝导管将钛合金焊丝送入电弧，第二送丝机包括内置送丝导管，通过内置送丝导管将铝焊丝送入电弧。
3.根据权利要求2所述的一种异质双丝TOP-TIG电弧增材制造TiAl金属间化合物的方法，其特征在于，所述的行走平台的行走方向为前方，钛合金焊丝从TOP-TIG焊枪的前方送入电弧，铝焊丝从TOP-TIG焊枪的后方送入电弧。
4.根据权利要求1所述的一种异质双丝TOP-TIG电弧增材制造TiAl金属间化合物的方法，其特征在于，所述的步骤一中基板为纯钛板，基板预热至450℃后保温。
5.根据权利要求1所述的一种异质双丝TOP-TIG电弧增材制造TiAl金属间化合物的方法，其特征在于，所述的步骤一中钛合金焊丝牌号为Ti6Al4V，铝焊丝牌号为ER1100。
6.根据权利要求1所述的一种异质双丝TOP-TIG电弧增材制造TiAl金属间化合物的方法，其特征在于，所述的TOP-TIG焊枪内钨极伸出长度为5-8mm。
7.根据权利要求1所述的一种异质双丝TOP-TIG电弧增材制造TiAl金属间化合物的方法，其特征在于，所述的步骤二中焊接电流为120A，焊接电压为9～10V。
8.根据权利要求1或7所述的一种异质双丝TOP-TIG电弧增材制造TiAl金属间化合物的方法，其特征在于，所述的步骤二中第一送丝机的送丝速度为700～800mm/min，第二送丝机的送丝速度为400～600mm/min。
9.根据权利要求1所述的一种异质双丝TOP-TIG电弧增材制造TiAl金属间化合物的方法，其特征在于，所述的步骤二中TOP-TIG焊枪相对行走平台的移动速度为100mm/min。
10.根据权利要求1所述的一种异质双丝TOP-TIG电弧增材制造TiAl金属间化合物的方法，其特征在于，所述的TOP-TIG焊枪的钨极及电弧周围通过焊枪喷嘴和保护气拖罩充满保护气。
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