CN112427652B - 一种钛合金结构件及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及金属增材制造技术领域，公开了一种钛合金结构件及其制备方法，该钛合金结构件包括等轴细晶组织的钛合金材料和外部轮廓结构，外部轮廓结构包覆在等轴细晶组织的钛合金材料外，等轴细晶组织的钛合金材料为钛合金原材料经热等静压处理后得到的，外部轮廓结构的轮廓线是根据钛合金零件的轮廓设定的，外部轮廓结构为钛合金原材料按照轮廓线熔覆后形成的封闭包套。本发明提供钛合金结构件的制备方法制备出的零件具有优良的力学性能，同时还可以通过后续的热处理对零件的组织和性能进行调控。

Description

一种钛合金结构件及其制备方法
技术领域
本发明涉及金属增材制造技术领域，特别是涉及一种钛合金结构件及其制备方法。
背景技术
目前常用的金属增材制造方法主要有激光选区熔化(SLM)、电子束选区熔化(SES)等，上述金属增材制造方法具体步骤如下：采用激光、电子束等热源，以粉末、丝材等为原材料，通过送丝、送粉或铺粉的方法来成形钛合金等金属零件。
除了上述提到的可以采用激光、电子束等方法熔化金属，还可以采用真空电弧自耗熔炼、电渣重熔、等离子熔炼、真空感应熔炼等方法熔化金属，因而这些方法也可以用于金属的增材制造。
然而这些基于熔覆的增材制造技术制造的钛合金材料具有铸态组织，也即钛合金材料组织状态是网篮或板条组织，并且钛合金材料还存在较大的晶界，导致基于熔覆的增材制造技术制造的钛合金材料的塑性、韧性、抗疲劳性能存在不足。
发明内容
本发明的目的在于克服基于熔覆的增材制造技术制造的零件存在的如下缺陷：
(1)现有基于熔覆的增材制造技术制造的零件具有铸态组织，钛合金组织状态是网篮或板条组织；
(2)现有基于熔覆的增材制造技术制造的钛合金材料存在较大的晶界，导致基于熔覆的增材制造技术制造的钛合金材料的塑性、韧性、抗疲劳性能存在不足。
为了实现上述目的，本发明的第一方面提供一种钛合金结构件，其中，包括：
等轴细晶组织的钛合金材料和外部轮廓结构，所述外部轮廓结构包覆在所述等轴细晶组织的钛合金材料外，所述等轴细晶组织的钛合金材料为钛合金原材料经热等静压处理后得到的，所述外部轮廓结构的轮廓线是根据钛合金零件的轮廓设定的，所述外部轮廓结构为钛合金原材料按照所述轮廓线熔覆后形成的封闭包套。
进一步地，所述钛合金原材料为钛合金粉末或丝材。
进一步地，所述等轴细晶组织的钛合金材料为经过烘焙和热等静压处理的钛合金粉末或钛合金丝材。
进一步地，所述钛合金零件分层设计，所述外部轮廓结构的轮廓线轨迹具有多层。
进一步地，多层的所述轮廓线轨迹均被熔覆，所述轮廓线轨迹的层宽范围为0.05mm～0.3mm。
本发明的第二方面提供了第一种制备第一方面所述的钛合金结构件的方法，该方法包括以下步骤：
(1)将钛合金原材料装入电子束选区熔覆的粉末仓中；
(2)对钛合金零件进行分层设计，根据钛合金零件的轮廓形成轮廓线轨迹；
(3)按照底层的轮廓线轨迹对粉末仓中的钛合金原材料进行熔覆，成形出底层的预制坯；
(4)按照中间各层的轮廓线轨迹逐层对粉末仓中的钛合金原材料进行熔覆，成形出中间各层的外轮廓，然后对中间各层的外轮廓内的钛合金原材料进行扫描烘焙，获得中间各层的预制坯；
(5)按照顶层的轮廓线轨迹对粉末仓中的钛合金原材料进行熔覆，成形出顶层的预制坯；
(6)将整体的预制坯放入到热等静压炉中处理，获得等轴细晶组织的预制坯，完成钛合金结构件的制备。
进一步地，所述钛合金原材料为TC4粉末，所述整体的预制坯放入到热等静压炉中处理时，在温度为900℃～930℃，压强为150MPa～200MPa，时间为2h～4h的工艺条件下进行，以使TC4粉末之间扩散连接；或所述钛合金原材料为TiAl粉末，所述整体的预制坯放入到热等静压炉中处理时，在温度为1050℃～1200℃，压强为150MPa～200MPa，时间为2h～4h的工艺条件下进行，以使TiAl粉末之间扩散连接。
进一步地，前述方法还包括步骤：对获得等轴细晶组织的预制坯进行表面化铣或热处理，制备出钛合金零件。
本发明的第三方面提供了第二种制备第一方面所述的钛合金结构件的方法，该方法包括以下步骤：
(1)将钛合金原材料装入电子束自由成形的送丝辊上；
(2)对钛合金零件进行分层设计，根据钛合金零件的轮廓形成轮廓线轨迹；
(3)按照底层的轮廓线轨迹对钛合金原材料进行熔覆，成形出底层的预制坯；
(4)按照中间各层的轮廓线轨迹逐层对钛合金原材料进行熔覆，成形出中间各层的外轮廓，逐层填充外轮廓内的空间，对钛合金原材料不完全熔覆，获得中间各层的预制坯；
(5)按照顶层的轮廓线轨迹对钛合金原材料进行熔覆，成形出顶层的预制坯；
(6)将整体的预制坯放入到热等静压炉中处理，获得等轴细晶组织的预制坯，完成钛合金结构件的制备。
进一步地，前述第二种制备第一方面所述的钛合金结构件的方法还包括所述钛合金原材料为TC4丝材；所述整体的预制坯放入到热等静压炉中处理时，在温度为900℃～930℃，压强为150MPa～200MPa，时间为2h～4h的工艺条件下进行，以使TC4丝材之间扩散连接；对钛合金原材料不完全熔覆时，每间隔一段距离对该点的TC4丝材熔覆，与下面一层铺覆的钛合金焊接在一起；还包括步骤：对获得等轴细晶组织的预制坯进行表面化铣或热处理，制备出钛合金零件。
本发明的有益效果：
(1)采用与传统的电子束选区熔覆或电子束自由成形不同的工艺路径，制备出了完全细小的等轴细晶组织。
(2)该工艺路径适用的材料范围广，适用于各种钛合金、钛铝金属间化合物材料。
(3)制备的材料和零件具有优良的力学性能，同时还可以通过后续的热处理对材料的组织和性能进行调控。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明钛合金结构件的轮廓熔覆轨迹示意图。
图2为本发明钛合金结构件的最底层或最顶层的扫描方式示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例的详细描述和附图用于示例性地说明本发明的原理，但不能用来限制本发明的范围，即本发明不限于所描述的实施例，在不脱离本发明的精神的前提下覆盖了零件、部件和连接方式的任何修改、替换和改进。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参照附图并结合实施例来详细说明本申请。
第一方面
如前所述，本发明的第一方面提供了一种钛合金结构件及其轮廓熔覆轨迹的总体结构示意图和最底层或最顶层的扫描方式示意图，如图1-2所示，该钛合金结构件包括了等轴细晶组织的钛合金材料和外部轮廓结构，所述外部轮廓结构包覆在所述等轴细晶组织的钛合金材料外，所述等轴细晶组织的钛合金材料为钛合金原材料经热等静压处理后得到的，所述外部轮廓结构的轮廓线是根据钛合金零件的轮廓设定的，所述外部轮廓结构为钛合金原材料按照所述轮廓线熔覆后形成的封闭包套。
优选情况下，在上述钛合金结构件中，钛合金原材料为钛合金粉末或丝材。
优选地，等轴细晶组织的钛合金材料为经过烘焙和热等静压处理的钛合金粉末或钛合金丝材。
本发明中，钛合金零件分层设计，外部轮廓结构的轮廓线轨迹具有多层。
优选情况下，多层的所述轮廓线轨迹均被熔覆，轮廓线轨迹的层宽范围为0.05mm～0.3mm。
本发明通过采用与传统的电子束选区熔覆或电子束自由成形不同的工艺路径，制备出了完全细小的等轴细晶组织，从而能够使得钛合金材料的塑性、韧性、抗疲劳性能更好。
第二方面
如前所述，本发明的第二方面提供了第一种制备第一方面所述的钛合金结构件的方法，
该方法包括以下步骤：
(1)将钛合金原材料装入电子束选区熔覆的粉末仓中；
(2)对钛合金零件进行分层设计，根据钛合金零件的轮廓形成轮廓线轨迹；
(3)按照底层的轮廓线轨迹对粉末仓中的钛合金原材料进行熔覆，成形出底层的预制坯；
(4)按照中间各层的轮廓线轨迹逐层对粉末仓中的钛合金原材料进行熔覆，成形出中间各层的外轮廓，然后对中间各层的外轮廓内的钛合金原材料进行扫描烘焙，获得中间各层的预制坯；其中外轮廓内的钛合金原材料进行扫描烘焙，相当于对进行粉末或丝材进行烘焙，释放粉末或丝材表面吸附的气体。
(5)按照顶层的轮廓线轨迹对粉末仓中的钛合金原材料进行熔覆，成形出顶层的预制坯；
(6)将整体的预制坯放入到热等静压炉中处理，获得等轴细晶组织的预制坯，完成钛合金结构件的制备。
优选情况下，所述整体的预制坯放入到热等静压炉中处理时，在温度为1050℃～1200℃，压强为150MPa～200MPa，时间为2h～4h的工艺条件下进行，以使TiAl粉末之间扩散连接。
优选情况下，前述方法还包括步骤：对获得等轴细晶组织的预制坯进行表面化铣或热处理，制备出钛合金零件。
第三方面
如前所述，本发明的第三方面提供了第二种制备第一方面所述的钛合金结构件的方法，该方法包括以下步骤：
(1)将钛合金原材料装入电子束自由成形的送丝辊上；
(2)对钛合金零件进行分层设计，根据钛合金零件的轮廓形成轮廓线轨迹；
(3)按照底层的轮廓线轨迹对钛合金原材料进行熔覆，成形出底层的预制坯；
(4)按照中间各层的轮廓线轨迹逐层对钛合金原材料进行熔覆，成形出中间各层的外轮廓，逐层填充外轮廓内的空间，对钛合金原材料不完全熔覆，获得中间各层的预制坯；
(5)按照顶层的轮廓线轨迹对钛合金原材料进行熔覆，成形出顶层的预制坯；
(6)将整体的预制坯放入到热等静压炉中处理，获得等轴细晶组织的预制坯，完成钛合金结构件的制备。
本发明中，优选情况下，前述第二种制备第一方面所述的钛合金结构件的方法还包括所述钛合金原材料为TC4丝材；所述整体的预制坯放入到热等静压炉中处理时，在温度为900℃～980℃，压强为150MPa～200MPa，时间为2h～4h的工艺条件下进行，以使TC4丝材之间扩散连接；对钛合金原材料不完全熔覆时，每间隔一段距离对该点的TC4丝材熔覆，与下面一层铺覆的钛合金焊接在一起；
优选情况下，前述方法还包括步骤还包括步骤：对获得等轴细晶组织的预制坯进行表面化铣或热处理，制备出钛合金零件。
本申请中，预制坯的最底层和最顶层，需要采用熔覆的方法，按照图中的轨迹，将粉末或丝材完全熔覆；本申请中放入热等静压炉中处理之前的预制坯内部是粉末或金属丝材，而外部轮廓是一个粉末或丝材熔覆后的封闭的包套。对热等静压成形后的预制坯的外包套，可以采用化铣的方法去除，也可以保留包套，主要是包套的厚度比较薄，对整体的性能影响比较小。
以下将通过实施例对本发明进行详细描述。
实施例1
1.将TC4粉末装入电子束选区熔覆的粉末仓中；
2.对钛合金零件进行分层设计，根据钛合金零件的轮廓形成轮廓线轨迹，轮廓线轨迹的层宽为0.05mm；
3.按照底层的轮廓线轨迹对TC4粉末进行熔覆，成形出底层的预制坯；
4.按照中间各层的轮廓线轨迹逐层对粉末仓中的钛合金原材料进行熔覆，成形出中间各层的外轮廓，然后对中间各层的外轮廓内的钛合金原材料进行扫描烘焙，获得中间各层的预制坯；
5.按照顶层的轮廓线轨迹对钛合金原材料进行熔覆，成形出顶层的预制坯；
6.将整体的预制坯放入到热等静压炉中处理，在温度为900℃，压强为150MPa，时间为2h的工艺条件下进行，以使TC4粉末之间扩散连接获得等轴细晶组织的预制坯，完成钛合金结构件的制备；
7.对钛合金结构件进行后续处理，包括表面化铣或热处理，制备出TC4钛合金零件。
上述实施例中，如图1所示，1为按照轮廓线轨迹对外轮廓熔覆形成的轮廓线熔覆轨迹；2为对中间各层的外轮廓内的钛合金原材料进行扫描烘焙形成的粉末烘焙扫描轨迹。
实施例2
1.将TC4粉末装入电子束选区熔覆的粉末仓中；
2.对钛合金零件进行分层设计，根据钛合金零件的轮廓形成轮廓线轨迹，轮廓线轨迹的层宽为0.3mm；
3.按照底层的轮廓线轨迹对TC4粉末进行熔覆，成形出底层的预制坯；
4.按照中间各层的轮廓线轨迹逐层对粉末仓中的钛合金原材料进行熔覆，成形出中间各层的外轮廓，然后对中间各层的外轮廓内的钛合金原材料进行扫描烘焙，获得中间各层的预制坯；
5.按照顶层的轮廓线轨迹对钛合金原材料进行熔覆，成形出顶层的预制坯；
6.将整体的预制坯放入到热等静压炉中处理，在温度为930℃，压强为200MPa，时间为4h的工艺条件下进行，以使TC4粉末之间扩散连接获得等轴细晶组织的预制坯，完成钛合金结构件的制备；
7.对钛合金结构件进行后续处理，包括表面化铣或热处理，制备出TC4钛合金零件。
实施例3
1.将TC4丝材装入电子束自由成形的送丝辊上；
2.对钛合金零件进行分层设计，根据钛合金零件的轮廓形成轮廓线轨迹，轮廓线轨迹的层宽为0.05mm；
3.按照底层的轮廓线轨迹对TC4丝材进行熔覆，成形出底层的预制坯；
4.按照中间各层的轮廓线轨迹逐层对钛合金原材料进行熔覆，成形出中间各层的外轮廓，逐层填充外轮廓内的空间，对钛合金原材料不完全熔覆，为了防止铺排的钛合金丝翘曲不平，每间隔一段距离对该点的钛合金丝金属熔覆，与下面一层铺覆的金属焊接在一起，获得中间各层的预制坯；
5.按照顶层的轮廓线轨迹对钛合金原材料进行熔覆，成形出顶层的预制坯；
6.将整体的预制坯放入到热等静压炉中处理，在温度为900℃，压强为150MPa，时间为2h的工艺条件下进行，以使TC4粉末之间扩散连接获得等轴细晶组织的预制坯，完成钛合金结构件的制备；
7.对钛合金结构件进行后续处理，包括表面化铣或热处理，制备出TC4钛合金零件。
上述实施例中，如图2所示，对预制坯的最底层和最顶层，需要采用熔覆的方法，按照图中的轨迹，将粉末或丝材完全熔覆，形成粉末熔覆扫描轨迹3。
实施例4
1.将TC4丝材装入电子束自由成形的送丝辊上；
2.对钛合金零件进行分层设计，根据钛合金零件的轮廓形成轮廓线轨迹，轮廓线轨迹的层宽为0.3mm
3.按照底层的轮廓线轨迹对TC4丝材进行熔覆，成形出底层的预制坯；
4.按照中间各层的轮廓线轨迹逐层对钛合金原材料进行熔覆，成形出中间各层的外轮廓，逐层填充外轮廓内的空间，对钛合金原材料不完全熔覆，为了防止铺排的钛合金丝翘曲不平，每间隔一段距离对该点的钛合金丝金属熔覆，与下面一层铺覆的金属焊接在一起，获得中间各层的预制坯；
5.按照顶层的轮廓线轨迹对钛合金原材料进行熔覆，成形出顶层的预制坯
6.将整体的预制坯放入到热等静压炉中处理，在温度为930℃，压强为200MPa，时间为4h的工艺条件下进行，以使TC4粉末之间扩散连接获得等轴细晶组织的预制坯，完成钛合金结构件的制备
7.对钛合金结构件进行后续处理，包括表面化铣或热处理，制备出TC4钛合金零件。
实施例5
1.将TiAl粉末装入电子束选区熔覆的粉末仓中；
2.对钛合金零件进行分层设计，根据钛合金零件的轮廓形成轮廓线轨迹，轮廓线轨迹的层宽为0.05mm；
3.按照底层的轮廓线轨迹对TiAl粉末进行熔覆，成形出底层的预制坯；
4.按照中间各层的轮廓线轨迹逐层对粉末仓中的钛合金原材料进行熔覆，成形出中间各层的外轮廓，然后对中间各层的外轮廓内的钛合金原材料进行扫描烘焙，获得中间各层的预制坯；
5.按照顶层的轮廓线轨迹对钛合金原材料进行熔覆，成形出顶层的预制坯；
6.将整体的预制坯放入到热等静压炉中处理，在温度为1050℃，压强为200MPa，时间为4h的工艺条件下进行，以使TiAl粉末之间扩散连接获得等轴细晶组织的预制坯，完成钛合金结构件的制备；
7.对钛合金结构件进行后续处理，包括表面化铣或热处理，制备出TiAl合金零件。
实施例6
1.将TiAl粉末装入电子束选区熔覆的粉末仓中；
2.对钛合金零件进行分层设计，根据钛合金零件的轮廓形成轮廓线轨迹，轮廓线轨迹的层宽为0.3mm；
3.按照底层的轮廓线轨迹对TiAl粉末进行熔覆，成形出底层的预制坯；
4.按照中间各层的轮廓线轨迹逐层对粉末仓中的钛合金原材料进行熔覆，成形出中间各层的外轮廓，然后对中间各层的外轮廓内的钛合金原材料进行扫描烘焙，获得中间各层的预制坯；
5.按照顶层的轮廓线轨迹对钛合金原材料进行熔覆，成形出顶层的预制坯；
6.将整体的预制坯放入到热等静压炉中处理，在温度为1200℃，压强为150MPa，时间为2h的工艺条件下进行，以使TiAl粉末之间扩散连接获得等轴细晶组织的预制坯，完成钛合金结构件的制备；
7.对钛合金结构件进行后续处理，包括表面化铣或热处理，制备出TiAl合金零件。
综上，本申请采用电子束选区熔覆，电子束自由成形的方法，通过逐层扫描或铺覆出预制坯，其中每层的预制坯的边缘对金属粉末或丝材进行熔覆，但是在轮廓线以内的部分，对金属粉末或丝材不进行熔覆，这样逐层成形的预制坯的外轮廓都进行了熔覆，形成了一个封闭的包套，内部包覆了钛合金粉末或铺排的钛合金丝材，然后将预制坯放入热等静压炉中，进行热等静压，实现粉末或金属丝材的扩散连接，从而制备出内部完全等轴细晶的钛合金材料和零件。
需要明确的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同或相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。本发明并不局限于上文所描述并在图中示出的特定步骤和结构。并且，为了简明起见，这里省略对已知方法技术的详细描述。
以上所述仅为本申请的实施例而已，并不限制于本申请。在不脱离本发明的范围的情况下对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围内。

Claims (4)

1.一种制备钛合金结构件的方法，其特征在于，包括以下步骤：将钛合金原材料装入电子束自由成形的送丝辊上；对钛合金零件进行分层设计，根据钛合金零件的轮廓形成轮廓线轨迹；按照底层的轮廓线轨迹对钛合金原材料进行熔覆，成形出底层的预制坯；按照中间各层的轮廓线轨迹逐层对钛合金原材料进行熔覆，成形出中间各层的外轮廓，逐层填充外轮廓内的空间，对钛合金原材料不完全熔覆，获得中间各层的预制坯，其中，所述钛合金原材料为丝材；按照顶层的轮廓线轨迹对钛合金原材料进行熔覆，成形出顶层的预制坯；将整体的预制坯放入到热等静压炉中处理，获得等轴细晶组织的预制坯，完成钛合金结构件的制备；
其中，所述钛合金结构件包括：等轴细晶组织的钛合金材料和外部轮廓结构，所述外部轮廓结构包覆在所述等轴细晶组织的钛合金材料外，所述等轴细晶组织的钛合金材料为钛合金原材料经热等静压处理后得到的，所述外部轮廓结构的轮廓线是根据钛合金零件的轮廓设定的，所述外部轮廓结构为钛合金原材料按照所述轮廓线熔覆后形成的封闭包套；
所述钛合金原材料为TC4丝材；所述整体的预制坯放入到热等静压炉中处理时，在温度为900℃～930℃，压强为150MPa～200MPa，时间为2h～4h的工艺条件下进行，以使TC4丝材之间扩散连接；对钛合金原材料不完全熔覆时，每间隔一段距离对该点的TC4丝材熔覆，与下面一层铺覆的钛合金焊接在一起；还包括步骤：对获得等轴细晶组织的预制坯进行表面化铣或热处理，制备出钛合金零件。
2.根据权利要求1所述的一种制备钛合金结构件的方法，其特征在于，所述等轴细晶组织的钛合金材料为经过烘焙和热等静压处理的钛合金丝材。
3.根据权利要求1所述的一种制备钛合金结构件的方法，其特征在于，所述钛合金零件分层设计，所述外部轮廓结构的轮廓线轨迹具有多层。
4.根据权利要求3所述的一种制备钛合金结构件的方法，其中，多层的所述轮廓线轨迹均被熔覆，所述轮廓线轨迹的层宽范围为0.05mm～0.3mm。
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