CN111570990A - 一种电子束局域重熔诱导钛合金自生复合材料的制备方法 - Google Patents

一种电子束局域重熔诱导钛合金自生复合材料的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于复合材料制备领域，具体涉及一种电子束局域重熔诱导钛合金自生复合材料的制备方法。步骤如下：通过机加工的方式制备出钛合金基板，将基板真空干燥后置于真空室内；采用电子束作为热源，先进行纵向电子束扫描，再进行横向电子束扫描，扫描过程中采用表面聚焦、下聚焦、上聚焦等方式，在钛合金基体表面诱导获得不同厚度的网格状重熔层，重熔层性质与母材差异较大，以重熔层作为强化相，母材作为基体相制备钛合金自生复合材料。本发明通过电子束重熔获得不同厚度的网格状重熔层，实现钛合金自生复合材料的制备，避免了当前钛合金复合材料第二相强化过程中的界面强度低，界面稳定性差等问题。

Description

一种电子束局域重熔诱导钛合金自生复合材料的制备方法
技术领域
本发明属于复合材料制备领域，具体涉及一种电子束局域重熔诱导钛合金自生复合材料的制备方法。
背景技术
复合材料作为最新发展起来的一大类新型材料，对科学技术的发展提供了巨大的帮助，具有承载能力好、力学性能好、减震性强、耐磨耐高温及材料的可设计性强等优点，对航空航天领域的发展影响尤为显著。其中钛合金复合材料以低密度、高强度及优良的抗腐蚀性能，在航空航天等领域均有非常广阔的应用前景。
目前国内外研究开发钛合金复合材料主要有颗粒增强型和长纤维增强型两种。例如通过机械合金化制备的TiB2-TiC复相陶瓷，激光合金化制备TC4钛合金抗高温氧化及耐磨复合涂层等方法均是通过添加增强相来实现钛合金复合材料某项性能的优化，目前国外已经研制出长纤维增强型(SiC/Ti)的典型部件。但是这些方法制造钛合金复合材料不仅存在开发周期冗长，合金化的参数调控复杂等问题，而且存在有界面强度低，界面稳定性差等问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种电子束局域重熔诱导钛合金自生复合材料的制备方法。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种电子束局域重熔诱导钛合金自生复合材料的制备方法，采用电子束为热源在钛合金基板上进行扫描，从而在钛合金基板表面诱导获得网格状重熔层，形成包含强化相的钛合金自生复合材料。
进一步的，采用电子束为热源在钛合金基板上进行扫描具体为先进行横向扫描，再进行纵向扫描；通过调整控制扫描工艺参数，在钛合金基板表面诱导获得不同厚度的网格状重熔层，形成包含不同比例强化相的新型钛合金自生复合材料。
进一步的，所述扫描时采用上聚焦、表面聚焦或下聚焦。
进一步的，所述扫描时采用下聚焦。
所述的方法具体包括如下步骤：
步骤(1)：采用线切割将钛合金板材加工成预设尺寸的基板，并将其打磨，清洗，置于真空中干燥；
步骤(2)：步骤(1)所述的基板采用焊接夹具夹紧，并放入真空室，将真空室内真空抽至2×10-4mbar以下；
步骤(3)：采用电子束进行纵向阵列扫描，扫描时采用下聚焦，使钛合金表面熔化并形成纵向重熔层；
步骤(4)：采用电子束进行横向阵列扫描，扫描时采用下聚焦，使钛合金表面熔化并形成横向重熔层；
步骤(5)：扫描完成后在真空室中冷却后打开真空室，取出构件。
进一步的，所述步骤(1)的钛合金板材选材为α+β型钛合金，优选为TC1、TC2或TC4。
进一步的，所述步骤(3)及步骤(4)的下聚焦焦点位于基板上表面之下1-10mm。
进一步的，所述步骤(3)及步骤(4)的重熔层的厚度可以为1-3mm。
进一步的，所述步骤(3)及步骤(4)的阵列扫描的间距范围为1-10mm。
进一步的，所述步骤(3)及步骤(4)的焊接中电子束流垂直作用于钛合金基板，加速电压30-60kV，扫描速度为600-800mm/min，电子束流为15-25mA；电子束扫描频率50-1000Hz，扫描幅值2-5mm，扫描间距1-10mm；电子束扫描波形为锯齿波、圆形波或三角波。
本发明与现有技术相比，其显著优点在于：
(1)本发明通过电子束重熔的方式使得在钛合金基板上自生强化相，而自生强化相的方式，避免了钛合金材料第二相强化过程中的界面强度不合理，界面稳定性差等问题。
(2)本发明所述制备方法采用电子束扫描，工艺参数可精密调控，精确控制强化相分布，且操作简便，效果显著。
(3)本发明所述的复合材料制备方法，通过控制电子束扫描工艺参数和重熔层间距，便于调整强化相比例，基体相和增强相均匀相间、定向整齐排列，提高力学性能。
(4)本发明所述的复合材料制备方法，生产成本低，可以用于大批量工业化生产。
附图说明
图1为电子束扫描基板原理图。
图2为纵向向电子束扫描阵列图。
图3为横向向电子束扫描阵列图。
附图标记说明：
1-下聚焦电子束，2-钛合金基板，3-纵向电子束扫描方向，4-电子束纵向扫描阵列，5-横向电子束扫描方向，6-横向电子束扫描阵列。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
本发明提供一种电子束局域重熔诱导钛合金自生复合材料的制造方法，其特征在于，通过机加工的方式制备出钛合金基板，将基板真空干燥后置于真空室内。采用电子束作为热源，先进行纵向电子束扫描，再进行横向电子束扫描，扫描过程中采用下聚焦的方式。调整电子束扫描工艺参数，在钛合金基体表面诱导获得不同厚度的网格状重熔层，形成包含不同比例强化相的新型钛合金自生复合材料。
具体包括如下步骤：
第一步：采用线切割将钛合金板材加工成预设尺寸的基板，并将其打磨，清洗，置于真空中干燥；
第二步：步骤1所述的基板采用焊接夹具夹紧，并放入真空室，将真空室内真空抽至2×10-4mbar以下；
第三步：采用电子束进行纵向阵列扫描，扫描时采用下聚焦，使钛合金表面熔化并形成横向重熔层；
第四步：采用电子束进行横向阵列扫描，扫描时采用下聚焦，使钛合金表面熔化并形成纵向重熔层；
第五步：扫描完成后在真空室中冷却后打开真空室，取出构件。
本发明中所述第一步的钛合金板材选材可以为TC1、TC2、TC4等α+β型钛合金。
本发明中所述第三步及第四步的下聚焦焦点位于基板上表面之下1-10mm。
本发明中所述第三步及第四步的重熔层的厚度可以为1-3mm。
本发明中所述第三那步及第四步的阵列扫描的间距范围为1-10mm。
本发明所述第三步及第四步的焊接中电子束流垂直作用于钛合金基板，加速电压30-60kV，扫描速度为600-800mm/min，电子束流为15-25mA；电子束扫描频率50-1000Hz，扫描幅值2-5mm,扫描间距1-10mm；电子束扫描波形为锯齿波、圆形波或三角波。
本发明的原理及依据是：自生复合材料是指共晶合金、包晶合金或偏晶合金等复相合金在定向凝固过程中通过合理地控制工艺参数使基体相和增强相均匀相间、定向整齐排列的一类复合材料，依靠合金化、第二相强化等方法制备的复合材料都有可能存在界面强度不合理，界面稳定性差的界面问题。自生复合材料在液态向固态转变过程中基体和增强体是共生的，因而不存在界面不稳定的问题(界面自适应)。
实施例1
对厚度为3mm的TC4板材进行电子束扫描试验，扫描前采用线切割将TC4板材切割为42×60×3的基板，采用120号砂纸打磨板材正反两面，直至光亮状态，并在工业酒精中清洗去除油污。在清洁干燥柜中干燥后取出，将基板使用夹具夹紧，放入真空室。将真空室内真空抽至2×10-4mbar，采用下聚焦电子束作为热源，聚焦上表面下方1mm处，纵向扫描时采用加速电压60kV，扫描速度650mm/min，电子束流15mA，扫描间距1mm，电子束扫描频率300Hz，扫描幅值3mm，扫描波形为圆形波；然后进行横向电子束扫描，扫描速度650mm/min，电子束流15mA，电子束扫描频率300Hz，扫描幅值3mm，扫描波形为圆形波，焊接完成后在真空室中冷却5min，打开真空室，取出焊接构件。表面成型焊缝完整，表面无裂纹缺陷。
实施例2
对厚度为3mm的TC4板材进行电子束扫描试验，焊前采用线切割将TC4板材切割为42×60×3的板材，采用120号砂纸打磨板材正反两面，直至光亮状态，并在工业酒精中清洗去除油污。在清洁干燥柜中干燥后取出，将板材使用夹具夹紧，放入真空室。将真空室内真空抽至2×10-4mbar，采用下聚焦电子束作为热源，下聚焦上表面下方1mm处，纵向扫描时采用加速电压60kV，扫描速度600mm/min，电子束流25mA，扫描间距1mm，电子束扫描频率300Hz，扫描幅值3mm，扫描波形为圆形波；然后进行横向扫描焊接，扫描速度600mm/min，电子束流25mA，电子束扫描频率300Hz，扫描幅值3mm，扫描波形为圆形波，焊接完成后在真空室中冷却5min，打开真空室，取出焊接构件。表面成型焊缝完整，表面无裂纹缺陷。
本发明有益效果为：发明的一种通过电子束局域重熔诱导钛合金自生复合材料的制造方法，通过合理地控制工艺参数使基体相和增强相均匀相间、定向整齐排列，消除了钛合金复合材料界面强度不合理，界面稳定性差的界面问题，并可以实现高效率短流程开发具备优良综合性能钛合金复合材料。

Claims (10)

1.一种电子束局域重熔诱导钛合金自生复合材料的制备方法，其特征在于，采用电子束为热源在钛合金基板上进行扫描，从而在钛合金基板表面诱导获得网格状重熔层，形成包含强化相的钛合金自生复合材料。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，采用电子束为热源在钛合金基板上进行扫描具体为先进行横向扫描，再进行纵向扫描；通过调整控制扫描工艺参数，在钛合金基板表面诱导获得不同厚度的网格状重熔层，形成包含不同比例强化相的新型钛合金自生复合材料。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述扫描时采用上聚焦、表面聚焦或下聚焦。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述扫描时采用下聚焦。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，具体包括如下步骤：
步骤(1)：采用线切割将钛合金板材加工成预设尺寸的基板，并将其打磨，清洗，置于真空中干燥；
步骤(2)：步骤(1)所述的基板采用焊接夹具夹紧，并放入真空室，将真空室内真空抽至2×10-4mbar以下；
步骤(3)：采用电子束进行纵向阵列扫描，扫描时采用下聚焦，使钛合金表面熔化并形成纵向重熔层；
步骤(4)：采用电子束进行横向阵列扫描，扫描时采用下聚焦，使钛合金表面熔化并形成横向重熔层；
步骤(5)：扫描完成后在真空室中冷却后打开真空室，取出构件。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述步骤(1)的钛合金板材选材为α+β型钛合金，优选为TC1、TC2或TC4。
7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述步骤(3)及步骤(4)的下聚焦焦点位于基板上表面之下1-10mm。
8.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述步骤(3)及步骤(4)的重熔层的厚度可以为1-3mm。
9.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述步骤(3)及步骤(4)的阵列扫描的间距范围为1-10mm。
10.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述步骤(3)及步骤(4)的焊接中电子束流垂直作用于钛合金基板，加速电压30-60kV，扫描速度为600-800mm/min，电子束流为15-25mA；电子束扫描频率50-1000Hz，扫描幅值2-5mm，扫描间距1-10mm；电子束扫描波形为锯齿波、圆形波或三角波。
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