CN112170837A - 一种激光增材制造钛合金具有梯度组织特征的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于金属增材制造技术领域，具体提供了一种激光增材制造(LAM)钛合金具有梯度组织的方法，该方法通过调控LAM参数中相邻道次的扫描速度(最外层采用高扫描速度，最内层采用低扫描速度)及特定扫描路径直接获得梯度组织，即最外层为细小的初生β柱状晶，最内层为粗大的初生β柱状晶，β柱状晶内部为层片状(α+β)或网篮状α相，来获得具有高强度、高塑性的LAM钛合金成形件；该发明是对LAM钛合金成形件微观组织的一种优化方法，可以解决目前LAM钛合金成形件强度与塑性不匹配的难题，本发明的思路同样适用于其他类型合金(包括钛合金、高温合金、钢铁材料、铝合金等)的成形件获得梯度组织的制备。

Description

一种激光增材制造钛合金具有梯度组织特征的方法
技术领域
本发明属于金属增材制造技术领域，尤其涉及利用激光增材制造技术制备一种具有梯度组织的钛合金的方法。
背景技术
激光增材制造(laser additive manufacturing，LAM)技术兼具精确成形和高性能成性的特点，在制备钛合金大型整体构件方面具有明显优势；由于增材制造过程中的高能束与金属粉末的短时交互作用，使得材料的凝固速率通常处于近快速凝固(102-105K/s)范围，并且由于熔池底部一般是同一材料，因此熔池金属往往以外延生长方式完成凝固过程；对于增材制造Ti-6Al-4V合金来说，其典型的组织通常由从基材外延生长的初生β柱状晶及晶内细小的α相或针状马氏体α’相组成，其成形件通常具有高的强度(屈服强度σs＞825MPa)和较低的塑性(延伸率δ＜8％)，这极大地限制了LAM钛合金成形件在航空航天领域的广泛应用。
为了使LAM钛合金成形件具有高强度和高塑性的特点，人们采用了众多方法来改善其强塑性，但基本都遵循“强度和塑性”的倒置关系：首先，通过调控LAM成形工艺来优化初生β柱状晶及晶内α相，从而提高其拉伸性能；其次，采用各种后续热处理(如亚临界退火、固溶+时效处理、球化热处理、特殊热处理、热等静压处理)来调控LAM 成形件微观组织和力学性能，其塑性虽有不同程度提高，但都以牺牲强度为代价；再次，通过添加合金元素来增加LAM Ti-6Al-4V合金的过冷倾向，从而促进等轴枝晶的形成；最后，采用超声波处理等辅助方法来调控晶粒形貌及大小。以上方法基本都是建立在细化晶粒或者使初生β柱状晶发生等轴化的基础上，但其结果仍基本遵循“强度和塑性”的倒置关系
研究发现金属材料具有梯度组织时能在一定程度上打破材料“强度和塑性”的倒置关系，可获得优异的强塑性，这主要源于梯度组织可以抑制应变局部化，而目前报道的梯度组织通常采用表面机械轧制等方法。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供了利用激光增材制造法制造一种具有梯度组织的钛合金的方法，包括以下步骤：
S1：选用球形Ti-6Al-4V合金粉末，粉末粒径44～250μm，将所述合金粉末放置于真空干燥箱中进行烘干处理，以减小粉末表面吸附水分对成形过程及成形件质量的影响；
S2：选择激光增材制造设备，并根据所选择的激光增材制造设备确定工艺参数范围，所述工艺参数范围的选择以制备外观质量完好，内部致密的金属试样为准；
S3：确定了工艺参数范围后，在成形加工过程中，确定激光扫描速度的容许范围，并且确保沉积道次最外层采用容许范围内的最大的扫描速度，最内层采用容许范围内的最小的扫描速度，以成形外层细晶、内层粗晶的初生β柱状晶的梯度组织，获得多道单层沉积的钛合金试样；
S4：重复所述步骤S3，以获得多层沉积的钛合金试样，即具有梯度组织特征的钛合金。
作为上述方案的进一步说明，在所述步骤S3中，沉积相邻道次的扫描速度按线性或阶梯状变化，并且其扫描路径为线形或圆形。
作为上述方案的进一步说明，对所述步骤S4中获得多层沉积的钛合金试样进行固溶时效热处理，以调控所述梯度组织中初生β柱状晶内部α相的形态、宽度及分布情况。
作为上述方案的进一步说明，所述激光增材制造设备为激光立体成形设备，所述工艺参数为激光功率为1500～3000W，搭接率40～50％，送粉率6～10g/min，每层堆积高度0.5～1.0mm，所述激光扫描速度的范围为150～1000mm/min。
本发明的有益效果：本发明基于材料具有梯度组织特征时兼具高强度和高塑性的良好匹配的结果，通过调控LAM参数中相邻道次的扫描速度及特定扫描路径直接获得外层细晶、内层粗晶的梯度组织，即最外层为细小的初生β柱状晶，最内层为粗大的初生β柱状晶，β柱状晶内部为层片状(α+β)或网篮状α相，来获得具有高强度、高塑性的LAM钛合金成形件。
附图说明
图1：本发明拟获得梯度组织的扫描速度变化趋势及扫描路径的形状；(a)线形路径的单层；(b)线形路径的多层；(c)圆形路径的单层；(d)圆形路径的多层；
图2：本发明中的扫描速度变化对梯度组织的影响示意图；(a) 扫描速度与扫描路径示意图；(b)扫描速度呈线性递减趋势；(c) 扫描速度线性递减对应的理想梯度组织特征；(d)扫描速度呈阶梯状从最大到最小递减趋势；(e)扫描速度呈阶梯递减对应的理想梯度组织特征；
图3：沉积7道次的成形试块及梯度组织特征示意图；(a)扫描速率变化及沉积7道次的示意图；(b)呈现中部粗大，两边细小的梯度组织特征。
附图标记说明：
Vmax为最大扫描速度；Vmin为最小扫描速度；
GBα为初生β晶晶界；dβ为初生β晶宽度
具体实施方式
为了使本发明的技术方案更加清楚明白，下面将结合附图和实施方式对本发明作进一步说明。
本实施例包含以下步骤：
第一步：选用球形Ti-6Al-4V合金粉末，粉末粒径44～250μm，将所述合金粉末放置于120℃的真空干燥箱中进行烘干处理2小时，以减小粉末表面吸附水分对成形过程及成形件质量的影响；
第二步：选择LAM设备，本实施例中选用激光立体成形设备 (4kW二氧化碳激光器)，并根据所选择的LAM设备确定工艺参数范围，所选工艺参数范围为激光功率为1500-3000W，搭接率 40-50％，送粉率6-10g/min，每层堆积高度0.5-1.0mm，本实施例中选用激光功率1500W，搭接率为50％，送粉率10g/min，每层堆积高度0.5mm，本工艺参数范围可以制备外观质量完好，内部致密的金属试样；
第三步：确定了工艺参数范围后，在成形加工过程中，确定激光扫描速度的容许范围为150-1000mm/min，即Vmax＝1000mm/min，Vmin＝150mm/min，本实施例再加入一个中间值，即Vmid＝300mm/min 作为过渡(参考图3a)。扫描时确保沉积道次最外层采用容许范围内的最大的扫描速度，最内层采用容许范围内的最小的扫描速度，以成形表层细晶、内部粗晶的梯度组织。
以激光束扫描7道次为例，即Vmax＝1000mm/min扫描最外的2 道次，相邻1道以过渡扫描速度Vmid＝300mm/min扫描，心部为最小扫描速度Vmin＝150mm/min扫描1道，其扫描速率变化参考图3a，形成7道单层沉积的钛合金试样。在扫描过程中，扫描路径为线形 (参考图1a)或圆形(参考图1c)，本实施例选择线形，在线形扫描路径的基础上，最外道次和最内道次的扫描速度分布如图2a所示，其相邻沉积道次的扫描速度可以按线性递减(参考图2b)或阶梯状 (参考图2d)变化，其影响表现在柱状晶宽度随扫描速度的减小而减小的趋势不同，本实施例选择阶梯状变化趋势，参考图2a，对于梯度组织特征而言，当扫描速度按线性递减时，扫描速度对梯度组织特征的影响，参考图2c，即β晶的宽度随扫描速度的减小而增加(图2c中dβ1＜dβ2＜dβ3＜…dβn)，当扫描速度按阶梯状从最大递减到最小时，扫描速度对梯度组织特征的影响，参考图2e，即图中dβ1＜dβn。这样，在扫描速度和扫描路径的不同影响下，梯度组织的尺寸分布也会发生变化，可以根据实际需求进行相应调整；
第四步：重复上述第三步，以获得多层沉积的钛合金试样，其中获得的多层沉积的钛合金试样(扫描路径为线形时参考图1b，是圆形时参考图1d)，最终形成7道多层沉积的钛合金试样，其梯度组织特征为中部粗大，两边细小，参考图3b；
以上步骤可获得具有横向梯度组织的多层沉积钛合金试样，该试样为沉积态组织，随后对其进行固溶时效热处理，以调控所述梯度组织晶粒内部组织(即初生β柱状晶内部的α相)的形态、宽度及分布情况，通过后续热处理对其晶内α相组织进行优化，获得具有晶粒和晶粒内部组织更加匹配的梯度组织钛合金成形件，以满足高强度和高塑性的良好配合。
另外，本发明的思路同样适用于其他类型合金(包括钛合金、高温合金、钢铁材料、铝合金等)的成形件获得梯度组织的制备。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效方法或等效流程变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (4)

1.一种激光增材制造钛合金具有梯度组织特征的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：选用球形Ti-6Al-4V合金粉末，粉末粒径44～250μm，将所述合金粉末放置于真空干燥箱中进行烘干处理，以减小粉末表面吸附水分对成形过程及成形件质量的影响；
S2：选择激光增材制造设备，并根据所选择的激光增材制造设备确定工艺参数范围，所述工艺参数范围的选择以制备外观质量完好，内部致密的金属试样为准；
S3：确定了工艺参数范围后，在成形加工过程中，确定激光扫描速度的容许范围，并且确保沉积道次最外层采用容许范围内的最大的扫描速度，最内层采用容许范围内的最小的扫描速度，以成形外层细晶、内层粗晶的初生β柱状晶的梯度组织，获得多道单层沉积的钛合金试样；
S4：重复所述步骤S3，以获得多层沉积的钛合金试样，即具有梯度组织特征的钛合金。
2.如权利要求1所述的一种激光增材制造钛合金具有梯度组织特征的方法，其特征在于，在所述步骤S3中，沉积相邻道次的扫描速度按线性或阶梯状变化，并且其扫描路径为线形或圆形。
3.如权利要求1或2所述的一种激光增材制造钛合金具有梯度组织特征的方法，其特征在于，对所述步骤S4中获得多层沉积的钛合金试样进行固溶时效热处理，以调控所述梯度组织中初生β柱状晶内部α相的形态、宽度及分布情况。
4.如权利要求3所述的一种激光增材制造钛合金具有梯度组织特征的方法，其特征在于，所述激光增材制造设备为激光立体成形设备，所述工艺参数为激光功率为1500～3000W，搭接率40～50％，送粉率6～10g/min，每层堆积高度0.5～1.0mm，所述激光扫描速度的范围为150～1000mm/min。
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