CN112496499A - 一种添加Si粉末改善钛合金电弧增材制造显微组织的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种添加Si粉末改善钛合金电弧增材制造显微组织的方法，在完成一层或者一道钛合金电弧增材制造后，在该层上均匀涂上Si粉和酒精的混合液，再进行下一层或者道的电弧增材制造，直到完成电弧增材制造。本发明提出加入Si元素改变钛合金的显微组织，从而在常温(20—25℃)条件下，改善沉积零件的纳米压痕性能。

Description

一种添加Si粉末改善钛合金电弧增材制造显微组织的方法
技术领域
本发明属于增材制造技术领域，更加具体地说，涉及利用电弧焊接同时添加Si粉末 的方法进行钛合金的增材制造，从而提高钛合金沉积零件的显微组织。
背景技术
钛合金具有比强度大、与生物相容性较好等优良特点，已在多个领域得到广泛应用。 电弧增材制造是一种新型的增材制造方法，它的沉积效率高、制造成本低，对于原料的浪费很少，因此被运用到钛合金零件的生产中。但钛合金电弧增材制造构件多存在显微 组织粗大、力学性能不高等问题，难以满足航空航天等高精尖领域的工作需求。在钛合 金构件的制备过程中添加Si元素可以达到细化晶粒的效果。因此，采用电弧进行钛合金 电弧增材制造的同时加入Si粉末来改善钛合金中成分，研究其组织和性能，具有重要的 实际意义。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种改善钛合金显微组织的电弧增材 制造方法，为了进一步提高沉积零件的性能，本发明提出加入Si元素改变钛合金的显微组织，从而在常温(20—25℃)条件下，改善沉积零件的纳米压痕性能。
本发明的技术目的通过下述技术方案予以实现：
一种添加Si粉末改善钛合金电弧增材制造显微组织的方法，在完成一层(或者一道) 钛合金电弧增材制造后，在该层上均匀涂上Si粉和酒精的混合液，再进行下一层(道)的电弧增材制造，直到完成电弧增材制造。
在上述技术方案中，母材为钛合金TC4，焊丝选用钛合金TC4。
在上述技术方案中，在电弧作用下，酒精挥发，Si粉随电弧融化进入熔池中，以实现复合，即在电弧增材制造中每堆焊一道焊缝均匀涂上Si粉和酒精的混合液，Si粉被下 一道焊缝的焊接电弧熔化，并进入焊接熔池中。
在上述技术方案中，所用到的混合涂层为Si粉和酒精的混合溶液，混合涂层中Si粉和酒精的质量比为1：(3—8)，优选1：(4—6)。
在上述技术方案中，Si粉(如附图1所示)粒度为2—10μm，优选5—8μm；每层焊 缝涂抹浓度为0.1—0.5g/cm2，优选0.1—0.3g/cm2；为能够在电弧作用下融化为适当。
在上述技术方案中，在钛合金电弧增材制造中，采用钛合金程序进行，冷金属过渡技术进行钛合金电弧增材制造试验，设定焊接参数：电流范围为20—110A，电压范围为10—40V，送丝速度为6—10m/min，焊枪总体行走速度为0.1—0.5m/min，气体流量为10—20L/min，相邻层间冷却间隔时间为100—120s，优选电流范围为50—80A，电压范围为 10—30V，送丝速度为7—8m/min，焊枪总体行走速度为0.3—0.5m/min，气体流量为15— 20L/min，相邻层间冷却间隔时间为100—120s。
在本发明的技术方案中，在钛合金电弧增材制造过程中，加入Si粉和酒精的混合液。 在电弧作用下，酒精挥发，Si粉随电弧融化进入熔池中。Si元素作为异质形核点，可以有效细化初生β晶粒尺寸并限制初生β晶粒沿增材方向的贯穿式生长。通过在钛合金的 电弧增材制造中加入一定的Si元素来获得具有优秀性能的增材制造沉积零件，改善钛合 金电弧沉积零件的显微组织从而提高性能。
附图说明
图1为本发明使用的Si粉末组织扫描电镜照片。
图2为本发明添加Si粉末进行增材制造的过程示意图。
图3为利用本发明技术方案的添加Si粉末的钛合金增材制造的零件实物照片。
图4为本发明实施例中沉积零件的超景深显微组织照片，其中(a)未加Si进行增材沉积的零件组织，(b)添加金属Si进行增材沉积的零件组织。
图5为本发明的增材制造的样品的纳米压痕载荷-位移性能对比曲线图。
具体实施方式
下面结合具体实施例进一步说明本发明的技术方案：
本发明涉及的金属电弧增材制造实验基板为钛合金TC4，基板尺寸为200×50×4mm3，焊丝选用直径为1.2mm的TC4焊丝。采用钛合金程序，冷金属过渡技术进行钛合 金电弧增材制造试验。试验设备选用CMT焊机为福尼斯公司的CMT Advanced 4000型 焊机。其主要实现步骤如下：
1试验前用不锈钢丝刷将钛合金基板上的氧化膜去除，直到露出银白色的金属光泽， 用酒精将施焊处表面的油污和脏物清洗干净，氧化膜清除后，应在2h内施焊，以免再生成新的氧化膜；
2设定焊接参数：电流范围为20—110A，电压范围为0—40V，送丝速度为7—8 m/min，焊枪总体行走速度为0.3—0.5m/min，气体流量为10—20L/min，相邻层间冷却 间隔时间为100—120s。
3.图2为本发明中CMT增材制造过程的示意图，即加入Si粉增材过程示意图。如图2所示，待焊接过程完成一道后，即CMT增材制造一层钛合金成型后，均匀涂上Si粉末 与酒精混合液，再进行下一道(层)的CMT增材制造，随着下一层的增材制造和CMT 焊枪的移动，Si粉被电弧融化且酒精蒸发，在CMT电弧作用下，Si粉融化进入熔池中。 图3为利用本发明技术方案的添加Si粉末的钛合金增材制造零件实物照片。
4将未添加Si元素钛合金增材制造的试样和添加Si元素增材制造的试样通过线切割 将其切下，进行对比，如附图4所示，未添加Si元素的构件表面初生β晶粒十分粗大， 还出现沿增材方向的贯穿式生长，而添加Si元素之后，初生β晶粒尺寸明显减小，晶粒 细化效果较为显著。
5.纳米压痕试验
如附图5所示，纳米压痕载荷-位移曲线，表明了未添加Si元素的TC4钛合金电弧增材制造试样和添加Si元素试样抵抗塑性变形的能力。在未添加Si元素的TC4电弧增 材制造试样和添加Si元素的试样表面焊缝中心部位分别随机选取两个点进行测试。当压 入相同的深度时，未添加Si元素试样的两个点所需最大载荷分别为356mN和309mN， 而添加Si元素的试样所需最大载荷分别为383mN和337mN。添加Si元素的试样的平均 最大载荷为360mN，高于未添加Si元素的TC4钛合金电弧增材制造试样的平均最大体 载荷332.5mN。添加Si元素后，当压入相同的深度时，其所需的最大载荷提高了8％。 同时未完全熔化的Si颗粒分布在网篮组织中，阻碍位错运动，使试样的抵抗塑性变形能 力提高。
根据本发明内容的工艺参数进行调整，均可实现在CMT增材制造中添加Si粉末元素。其显微组织均得到了细化。经测试，添加Si元素后，当压入相同的深度时，其所需 的最大载荷平均增加了8—15％。
根据本发明内容进行工艺参数的调整，均可实现添加Si粉末的钛合金电弧增材制造， 经测试表现出与本发明基本一致的性能。以上对本发明做了示例性的描述，应该说明的 是，在不脱离本发明的核心的情况下，任何简单的变形、修改或者其他本领域技术人员能够不花费创造性劳动的等同替换均落入本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种添加Si粉末改善钛合金电弧增材制造显微组织的方法，其特征在于，在完成一层或者一道的钛合金电弧增材制造后，在该层上均匀涂上Si粉和酒精的混合液，以形成混合涂层，再进行下一层或者下一道的电弧增材制造，直到完成电弧增材制造；母材为钛合金TC4，焊丝选用钛合金TC4，在电弧作用下，酒精挥发，Si粉随电弧融化进入熔池中以实现复合；所用到的混合涂层为Si粉和酒精的混合溶液，混合涂层中Si粉和酒精的质量比为1：(3—8) 。
2.根据权利要求1所述的一种添加Si粉末改善钛合金电弧增材制造显微组织的方法，其特征在于，混合涂层中Si粉和酒精的质量比为1：(4—6)。
3.根据权利要求1所述的一种添加Si粉末改善钛合金电弧增材制造显微组织的方法，其特征在于，Si粉粒度为2—10μm，优选5—8μm；每层焊缝涂抹浓度为0.1—0.5g/cm2，优选0.1—0.3g/cm2。
4.根据权利要求1所述的一种添加Si粉末改善钛合金电弧增材制造显微组织的方法，其特征在于，在钛合金电弧增材制造中，采用钛合金程序进行，冷金属过渡技术进行钛合金电弧增材制造试验，设定焊接参数：电流范围为20—110A，电压范围为10—40V，送丝速度为6—10m/min，焊枪总体行走速度为0.1—0.5m/min，气体流量为10—20L/min，相邻层间冷却间隔时间为100—120s。
5.根据权利要求1所述的一种添加Si粉末改善钛合金电弧增材制造显微组织的方法，其特征在于，在钛合金电弧增材制造中，采用钛合金程序进行，冷金属过渡技术进行钛合金电弧增材制造试验，设定焊接参数：电流范围为50—80A，电压范围为10—30V，送丝速度为7—8m/min，焊枪总体行走速度为0.3—0.5m/min，气体流量为15—20L/min，相邻层间冷却间隔时间为100—120s。
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