CN111790984A - 一种基于激光焊接和激光增材的异种钛合金复合部件的制备方法 - Google Patents

一种基于激光焊接和激光增材的异种钛合金复合部件的制备方法 Download PDF

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Abstract

一种基于激光焊接和激光增材的异种钛合金复合部件的制备方法，涉及一种异种钛合金复合部件的制备方法。本发明是要解决现有的采用焊接工艺直接进行Ti2AlNb钛合金与TA15钛合金的连接焊缝中非常容易形成宏观与微观裂纹，为结构的服役带来较大隐患的技术问题。本发明通过激光增材制造Ti2AlNb/TA15梯度过渡段，使得两种材料逐渐过渡为相近或相同材质，然后采用激光焊接技术进行同种材料的连接，实现异种钛合金复杂结构的一体化制造，不仅能够解决异种材料零部件之间的连接和密封问题，还能提高零部件的整体刚度和强度，实现减重，克服了界面容易出现的宏观与微观裂纹问题。

Description

一种基于激光焊接和激光增材的异种钛合金复合部件的制备 方法
技术领域
本发明涉及一种异种钛合金复合部件的制备方法。
背景技术
Ti2AlNb钛合金材料以耐高温、高强度、高刚度的优点成为高温部分结构的首选材料。由于非高温部分采用了密度较低的TA15钛合金材料，所以存在着Ti2AlNb钛合金与TA15钛合金异种材料之间的连接问题。传统制造方式中，异种的连接一般采用焊接、螺栓连接、铆接的连接方式，采用焊接工艺直接进行Ti2AlNb钛合金与TA15钛合金的连接焊缝中非常容易形成宏观与微观裂纹，为结构的服役带来较大隐患；采用螺栓等机械连接方式需要在连接端制造法兰或端框，这样不仅增加了重量，而且又产生了密封问题。
目前，钛合金材料的激光增材制造技术发展日益成熟，激光熔化沉积增材制造技术越来越多地应用于航空零件的制造中。利用激光熔化沉积技术不仅可以灵活实现零件形状的设计与制造，还可灵活实现梯度材料零件的设计与制造，这也为异种材料的制造提供了新的技术选择。
发明内容
本发明是要解决现有的采用焊接工艺直接进行Ti2AlNb钛合金与TA15钛合金的连接焊缝中非常容易形成宏观与微观裂纹，为结构的服役带来较大隐患的技术问题，而提供一种基于激光焊接和激光增材的异种钛合金复合部件的制备方法。
本发明的基于激光焊接和激光增材的异种钛合金复合部件的制备方法是按以下步骤进行的：
一、采用激光焊接制备TA15圆管和Ti2AlNb圆管：将TA15平板和Ti2AlNb平板的四个侧面去除氧化膜和杂质，根据预成型圆管部件的尺寸，分别对TA15平板和Ti2AlNb平板进行真空热弯处理至变形为圆管形，弯成圆管后采用激光焊接的方法分别焊接两个圆管的纵缝使得圆管的侧壁完全封闭，分别得到TA15圆管和Ti2AlNb圆管；对TA15圆管和Ti2AlNb圆管待焊接的端面进行处理去除氧化层和杂质；
所述的TA15平板和Ti2AlNb平板的尺寸完全相同；
二、采用激光增材制造制备TA15和Ti2AlNb梯度过渡圆环：选择钛合金板作为基板，进行表面清理去除氧化层和杂质；将TA15粉末和Ti2AlNb粉末分别放入激光增材制造设备的两个粉筒中，采用激光增材制造的方法在基板上得到过渡圆环；然后采用线切割的方法将基板与过渡圆环切割分离；
所述的过渡圆环的直径与步骤一制备的TA15圆管的直径相同；所述的过渡圆环的厚度与步骤一制备的TA15圆管的厚度相同；
在激光增材制造的过程中粉末是由TA15粉末和Ti2AlNb粉末按照六种不同的质量比组成的：按激光熔化沉积的先后顺序，粉末依次是完全由TA15粉末组成、按TA15粉末和Ti2AlNb粉末的质量比为4:1组成、按TA15粉末和Ti2AlNb粉末的质量比为3:2组成、按TA15粉末和Ti2AlNb粉末的质量比为2:3组成、按TA15粉末和Ti2AlNb粉末的质量比为1:4组成和完全由Ti2AlNb粉末组成；上述六种粉末均激光熔化沉积5层～10层，每一层的厚度为0.3mm～1mm；
三、将步骤二制备的过渡圆环中完全由TA15粉末组成的一端与步骤一制备的TA15圆管的一端进行激光焊接，然后将过渡圆环的另一端与步骤一制备的Ti2AlNb圆管的一端进行激光焊接，得到成形部件；将成形部件放入退火炉中进行退火，空气冷却至室温，得到异种钛合金复合制造部件。
本发明通过激光增材制造Ti2AlNb/TA15梯度过渡段，使得两种材料逐渐过渡为相近或相同材质，然后采用激光焊接技术进行同种材料的连接，实现异种钛合金复杂结构的一体化制造，不仅能够解决异种材料零部件之间的连接和密封问题，还能提高零部件的整体刚度和强度，实现减重。
Ti2AlNb钛合金以其高抗拉强度作为航空航天用的优异材料，但其延展性很差，延伸率为1％～10％；而TA15钛合金的抗拉强度比Ti2AlNb低，但延展性好。两种材料如果直接焊接会导致界面性能很差，甚至于难以成型，以至于无法保证在承受载荷条件下的结构稳定性。因此本发明采用降低直接沉积的Ti2AlNb浓度梯度，以梯度比例混粉这种较为缓和的方式制造样件有利于成型，易于保证界面结合状态良好。
本发明的有益效果在于：
1、本发明基于激光焊接和激光增材制造的异种钛合金复合制造部件，中间的过渡圆环采用激光增材制造方法制备，并以梯度的质量比例混粉的方式克服了界面容易出现的宏观与微观裂纹问题；剩余部件采用激光焊接工艺制备，成形速度快，焊接可靠性好，效率高；
2、本发明所述方法激光增材制造过程中，过渡圆环成形过程是在氩气气氛中进行，可以有效避免钛合金的氧化，从而导致性能降低；
3、本发明所述方法有效的解决了异种钛合金的连接问题，有效替代法兰铆接，能对一体成形的部件进行近净成形，所制备的异种钛合金复合制造部件的抗拉强度达到800MPa～1000MPa，激光焊接圆管与激光增材制造梯度过渡圆环的界面结合强度不低于两侧合金中强度的最低者，并且两个界面及增材制造内部无缺陷，性能良好，在使用温度相差较大的领域有重要的实际应用价值；
4、本发明以两种钛合金圆管的端面为基体，采用激光焊接技术对梯度过渡圆环和圆管进行连接，在不影响圆管纵缝的前提下，实现异种钛合金的复合制造及自由成形，具有重要的实际应用价值。
附图说明
图1为试验一制备的异种钛合金复合制造部件的示意图；
图2为图1中1和2的界面处的金相图片；
图3为图1中3和2的界面处的金相图片。
具体实施方式
具体实施方式一：本实施方式为一种基于激光焊接和激光增材的异种钛合金复合部件的制备方法，具体是按以下步骤进行的：
一、采用激光焊接制备TA15圆管和Ti2AlNb圆管：将TA15平板和Ti2AlNb平板的四个侧面去除氧化膜和杂质，根据预成型圆管部件的尺寸，分别对TA15平板和Ti2AlNb平板进行真空热弯处理至变形为圆管形，弯成圆管后采用激光焊接的方法分别焊接两个圆管的纵缝使得圆管的侧壁完全封闭，分别得到TA15圆管和Ti2AlNb圆管；对TA15圆管和Ti2AlNb圆管待焊接的端面进行处理去除氧化层和杂质；
所述的TA15平板和Ti2AlNb平板的尺寸完全相同；
二、采用激光增材制造制备TA15和Ti2AlNb梯度过渡圆环：选择钛合金板作为基板，进行表面清理去除氧化层和杂质；将TA15粉末和Ti2AlNb粉末分别放入激光增材制造设备的两个粉筒中，采用激光增材制造的方法在基板上得到过渡圆环；然后采用线切割的方法将基板与过渡圆环切割分离；
所述的过渡圆环的直径与步骤一制备的TA15圆管的直径相同；所述的过渡圆环的厚度与步骤一制备的TA15圆管的厚度相同；
在激光增材制造的过程中粉末是由TA15粉末和Ti2AlNb粉末按照六种不同的质量比组成的：按激光熔化沉积的先后顺序，粉末依次是完全由TA15粉末组成、按TA15粉末和Ti2AlNb粉末的质量比为4:1组成、按TA15粉末和Ti2AlNb粉末的质量比为3:2组成、按TA15粉末和Ti2AlNb粉末的质量比为2:3组成、按TA15粉末和Ti2AlNb粉末的质量比为1:4组成和完全由Ti2AlNb粉末组成；上述六种粉末均激光熔化沉积5层～10层，每一层的厚度为0.3mm～1mm；
三、将步骤二制备的过渡圆环中完全由TA15粉末组成的一端与步骤一制备的TA15圆管的一端进行激光焊接，然后将过渡圆环的另一端与步骤一制备的Ti2AlNb圆管的一端进行激光焊接，得到成形部件；将成形部件放入退火炉中进行退火，空气冷却至室温，得到异种钛合金复合制造部件。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤一中所述的TA15平板和Ti2AlNb平板的厚度均为1mm～2mm。其他与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：步骤一中的激光焊接的工艺参数为：激光功率为1000W～2000W，焊接速率为3mm/s～10mm/s，保护气流量为10L/min～20L/min。其他与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：步骤一中两处去除氧化膜和杂质的方法均为：采用#200目金相砂纸研磨，然后用含无水乙醇的无纺布擦拭。其他与具体实施方式一至三之一相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式四不同的是：步骤二中所述的钛合金板为TA15板或Ti2AlNb板。其他与具体实施方式四相同。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤二中激光增材制造的工艺参数为：激光功率为1000W～2000W，成形速率为3mm/s～10mm/s，送粉量为3g/min～4g/min，氩气的流量为4L/min～6L/min。其他与具体实施方式一相同。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤二中去除氧化膜和杂质的方法为：采用#200目金相砂纸研磨，然后用含无水乙醇的无纺布擦拭。其他与具体实施方式一相同。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤二中所述的TA15粉末的粒度为45目～150目。其他与具体实施方式一相同。
具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤二中所述的Ti2AlNb粉末的粒度为45目～150目。其他与具体实施方式一相同。
具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤三中退火的工艺参数为：退火温度为500℃～600℃，退火时间为2h。其他与具体实施方式一相同。
用以下试验对本发明进行验证：
试验一：本试验为一种基于激光焊接和激光增材的异种钛合金复合部件的制备方法，具体是按以下步骤进行的：
一、采用激光焊接制备TA15圆管和Ti2AlNb圆管：将TA15平板和Ti2AlNb平板的四个侧面去除氧化膜和杂质，根据预成型圆管部件的尺寸，分别对TA15平板和Ti2AlNb平板进行真空热弯处理至变形为圆管形，弯成圆管后采用激光焊接的方法分别焊接两个圆管的纵缝使得圆管的侧壁完全封闭，分别得到TA15圆管和Ti2AlNb圆管；对TA15圆管和Ti2AlNb圆管待焊接的端面进行处理去除氧化层和杂质；
所述的真空热弯处理采用感应加热煨弯法进行热推弯成形，加热温度为1035℃，弯制推进速度为27mm/min，加热区宽度为60mm，冷却水压为0.3MPa，保温时间为2.5min；
所述的TA15平板和Ti2AlNb平板的尺寸完全相同；
步骤一中所述的TA15平板和Ti2AlNb平板的厚度均为1mm；
步骤一中的激光焊接的工艺参数为：激光功率为1000W，焊接速率为8mm/s，保护气(氩气)流量为20L/min；
步骤一中两处去除氧化膜和杂质的方法均为：采用#200目金相砂纸研磨，然后用含无水乙醇的无纺布擦拭；
二、采用激光增材制造制备TA15和Ti2AlNb梯度过渡圆环：选择钛合金板作为基板，进行表面清理去除氧化层和杂质；将TA15粉末和Ti2AlNb粉末分别放入激光增材制造设备的两个粉筒中，采用激光增材制造的方法在基板上得到过渡圆环；然后采用线切割的方法将基板与过渡圆环切割分离；
步骤二中所述的TA15粉末的粒度为100目～130目；
步骤二中激光增材制造的工艺参数为：激光功率为1000W，成形速率为8mm/s，送粉量为4g/min，氩气的流量为6L/min；
步骤二中去除氧化膜和杂质的方法为：采用#200目金相砂纸研磨，然后用含无水乙醇的无纺布擦拭；
步骤二中所述的钛合金板为TA15板；
所述的过渡圆环的直径与步骤一制备的TA15圆管的直径相同；所述的过渡圆环的厚度与步骤一制备的TA15圆管的厚度相同；
在激光增材制造的过程中粉末是由TA15粉末和Ti2AlNb粉末按照六种不同的质量比组成的：按激光熔化沉积的先后顺序，粉末依次是完全由TA15粉末组成、按TA15粉末和Ti2AlNb粉末的质量比为4:1组成、按TA15粉末和Ti2AlNb粉末的质量比为3:2组成、按TA15粉末和Ti2AlNb粉末的质量比为2:3组成、按TA15粉末和Ti2AlNb粉末的质量比为1:4组成和完全由Ti2AlNb粉末组成；上述六种粉末均激光熔化沉积10层，每一层的厚度为1mm；
三、将步骤二制备的过渡圆环中完全由TA15粉末组成的一端与步骤一制备的TA15圆管的一端进行激光焊接，然后将过渡圆环的另一端与步骤一制备的Ti2AlNb圆管的一端进行激光焊接，得到成形部件；将成形部件放入退火炉中进行退火，空气冷却至室温，得到异种钛合金复合制造部件；
步骤三中退火的工艺参数为：退火温度为500℃～600℃，退火时间为2h。
图1为试验一制备的异种钛合金复合制造部件的示意图，1为TA15圆管，2为梯度激光增材制造过渡圆环，3为Ti2AlNb圆管。
图2为图1中1和2的界面处的金相图片；图3为图1中3和2的界面处的金相图片，图中可以看出各个界面结合良好，无缺陷。
试验一制备的异种钛合金复合制造部件的抗拉强度为900MPa，TA15圆管与梯度增材制造过渡圆环的焊接界面结合强度为952MPa≥TA15圆管的抗拉强度910MPa，梯度增材制造过渡圆环与Ti2AlNb圆管的焊接界面结合强度为1048MPa≥Ti2AlNb圆管的抗拉强度1012MPa，界面无缺陷，性能良好。

Claims (10)

1.一种基于激光焊接和激光增材的异种钛合金复合部件的制备方法，其特征在于基于激光焊接和激光增材的异种钛合金复合部件的制备方法是按以下步骤进行的：
一、采用激光焊接制备TA15圆管和Ti2AlNb圆管：将TA15平板和Ti2AlNb平板的四个侧面去除氧化膜和杂质，根据预成型圆管部件的尺寸，分别对TA15平板和Ti2AlNb平板进行真空热弯处理至变形为圆管形，弯成圆管后采用激光焊接的方法分别焊接两个圆管的纵缝使得圆管的侧壁完全封闭，分别得到TA15圆管和Ti2AlNb圆管；对TA15圆管和Ti2AlNb圆管待焊接的端面进行处理去除氧化层和杂质；
所述的TA15平板和Ti2AlNb平板的尺寸完全相同；
二、采用激光增材制造制备TA15和Ti2AlNb梯度过渡圆环：选择钛合金板作为基板，进行表面清理去除氧化层和杂质；将TA15粉末和Ti2AlNb粉末分别放入激光增材制造设备的两个粉筒中，采用激光增材制造的方法在基板上得到过渡圆环；然后采用线切割的方法将基板与过渡圆环切割分离；
所述的过渡圆环的直径与步骤一制备的TA15圆管的直径相同；所述的过渡圆环的厚度与步骤一制备的TA15圆管的厚度相同；
在激光增材制造的过程中粉末是由TA15粉末和Ti2AlNb粉末按照六种不同的质量比组成的：按激光熔化沉积的先后顺序，粉末依次是完全由TA15粉末组成、按TA15粉末和Ti2AlNb粉末的质量比为4:1组成、按TA15粉末和Ti2AlNb粉末的质量比为3:2组成、按TA15粉末和Ti2AlNb粉末的质量比为2:3组成、按TA15粉末和Ti2AlNb粉末的质量比为1:4组成和完全由Ti2AlNb粉末组成；上述六种粉末均激光熔化沉积5层～10层，每一层的厚度为0.3mm～1mm；
三、将步骤二制备的过渡圆环中完全由TA15粉末组成的一端与步骤一制备的TA15圆管的一端进行激光焊接，然后将过渡圆环的另一端与步骤一制备的Ti2AlNb圆管的一端进行激光焊接，得到成形部件；将成形部件放入退火炉中进行退火，空气冷却至室温，得到异种钛合金复合制造部件。
2.根据权利要求1所述的一种基于激光焊接和激光增材的异种钛合金复合部件的制备方法，其特征在于步骤一中所述的TA15平板和Ti2AlNb平板的厚度均为1mm～2mm。
3.根据权利要求1所述的一种基于激光焊接和激光增材的异种钛合金复合部件的制备方法，其特征在于步骤一中的激光焊接的工艺参数为：激光功率为1000W～2000W，焊接速率为3mm/s～10mm/s，保护气流量为10L/min～20L/min。
4.根据权利要求1所述的一种基于激光焊接和激光增材的异种钛合金复合部件的制备方法，其特征在于步骤一中两处去除氧化膜和杂质的方法均为：采用#200目金相砂纸研磨，然后用含无水乙醇的无纺布擦拭。
5.根据权利要求1所述的一种基于激光焊接和激光增材的异种钛合金复合部件的制备方法，其特征在于步骤二中所述的钛合金板为TA15板或Ti2AlNb板。
6.根据权利要求1所述的一种基于激光焊接和激光增材的异种钛合金复合部件的制备方法，其特征在于步骤二中激光增材制造的工艺参数为：激光功率为1000W～2000W，成形速率为3mm/s～10mm/s，送粉量为3g/min～4g/min，氩气的流量为4L/min～6L/min。
7.根据权利要求1所述的一种基于激光焊接和激光增材的异种钛合金复合部件的制备方法，其特征在于步骤二中去除氧化膜和杂质的方法为：采用#200目金相砂纸研磨，然后用含无水乙醇的无纺布擦拭。
8.根据权利要求1所述的一种基于激光焊接和激光增材的异种钛合金复合部件的制备方法，其特征在于步骤二中所述的TA15粉末的粒度为45目～150目。
9.根据权利要求1所述的一种基于激光焊接和激光增材的异种钛合金复合部件的制备方法，其特征在于步骤二中所述的Ti2AlNb粉末的粒度为45目～150目。
10.根据权利要求1所述的一种基于激光焊接和激光增材的异种钛合金复合部件的制备方法，其特征在于步骤三中退火的工艺参数为：退火温度为500℃～600℃，退火时间为2h。
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