CN112570731B - 一种实现激光增材制造钛合金强韧化的方法 - Google Patents

一种实现激光增材制造钛合金强韧化的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种实现激光增材制造钛合金强韧化的方法，该方法通过控制激光增材制造工艺和后热处理制度获得“全等轴β晶粒+均匀晶内α相”组织，从而实现激光增材制造钛合金的强韧化。该方法步骤如下：首先对激光增材制造钛合金进行初步的工艺参数优化，结合成形过程的冷却控制，实现“全等轴β晶粒+全马氏体/全β相”沉积态组织的制备；随后，采用不同热处理制度使沉积态试样中的马氏体相或β相转变为均匀的α板条，从而得到“全等轴β晶粒+均匀的晶内α相”组织，为保证等轴β晶粒不粗化，热处理温度应低于β相变点；最后，将经不同热处理后的试样加工成标准拉伸样并进行拉伸测试，选择力学性能最优的热处理制度。

Description

一种实现激光增材制造钛合金强韧化的方法
技术领域
本发明涉及金属激光增材制造技术领域，特别涉及一种实现激光增材制造钛合金强韧化的方法，具体地是指通过控制增材制造成形工艺和后热处理制度获得“全等轴β晶粒+均匀α相”组织，实现增材制造钛合金强韧化的方法。
背景技术
先进航空航天装备对高复杂度、轻量、结构性能一体化钛合金构件的应用需求日益迫切，但传统技术难以满足高端钛合金构件的制造需求。基于离散+堆积的制造思想，集成计算机辅助设计、数控技术、快速原型制造等技术于一体的金属增材制造技术，可以实现高性能复杂结构金属零件的无模具、快速、全致密近净成形，是解决航空航天高端装备制造难题的有效手段。目前，增材制造钛合金构件已在航空航天领域得到了重要的应用。但增材制造过程中高温度梯度和复杂热循环导致钛合金构件中存在粗大的柱状β晶粒和非均匀的α相，这种组织特征严重影响了成形构件的力学性能，特别是严重降低了垂直于柱状晶生长方向上的塑性，成为限制该技术在更多领域得到应用的重大障碍。因此，通过制备“全等轴β晶粒+均匀晶内α相”提高增材制造钛合金的强韧性成为该领域的研究热点。目前，获得全等轴β晶粒需要结合变形处理(金属学报,2017,53(9):1065-1074.)或添加晶粒细化剂(Appl.Surf.Sci.,2006,253:1424-1430.)，α相的均匀化则通常在高于β相变点的温度进行短时固溶处理而完成。但该方法存在明显的弊端，如使得成形设备更加复杂，且难以成形复杂结构零件，高温固溶处理往往导致β晶粒粗化从而严重损害成形件的力学性能等。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术的上述缺陷，通过调控增材制造成形工艺，在不改变现有装备及合金组分的前提下，以部分熔化粉末颗粒诱发柱状晶向等轴晶的转变，同时，通过对成形件的冷却控制，避免整体上的温度不均匀并保持较高冷速，从而在沉积态中得到全β相或全α’马氏体相；随后，结合低于β相变的后热处理方法，在避免等轴β晶粒粗化的前提下，得到“全等轴β晶粒+均匀晶内α相”的组织特征，从而实现增材制造钛合金强韧化的方法。
本发明的目的可以通过如下技术方案达到。
一种实现激光增材制造钛合金强韧化的方法，该方法是在惰性气体保护室内，以激光为热源，以惰性气体为载体同步输送钛合金粉末，无模具自由成形钛合金构件；制造方法先通过增材制造工艺参数优化及对成形件的冷却控制，实现“全等轴β晶粒+全马氏体/全β相”组织的制备；随后在低于该合金相变点的温度进行后热处理，在保证等轴β晶粒不粗化的前提下，使α相均匀析出，实现“全等轴β晶粒+均匀晶内α相”组织的制备；最后，将经不同热处理后的试样加工成标准拉伸样并进行拉伸测试，选择力学性能最优的热处理制度。
进一步地，该方法包括下列步骤：
S1、给定激光功率、光斑直径、扫描速度、送粉量等四个参数中的三个，并以另一个参数为变量进行参数设计；
S2、采用上述参数进行单道单层试样沉积，分析试样的表面形貌和组织特征，选择表面质量良好且晶粒形貌为等轴晶粒的激光功率、光斑直径、扫描速度等参数作为初选工艺参数；
S3、采用初选工艺参数，并以不同的抬升量进行单道多层试样沉积，分析试样的表面形貌和组织特征，选择表面质量良好且晶粒形貌为等轴晶粒的参数，得到优化的抬升量；
S4、以不同搭接率进行多道多层块体试样沉积，并每沉积数层暂停成形过程，使已沉积部分充分冷却，重复此过程完成多道多层块体试样的沉积，进行金相检查，选择搭接处无缺陷、晶粒形貌为等轴晶粒的搭接率作为优选；
S5、将试样进行热处理，各阶段热处理温度均不高于该合金的相变点；
S6、将热处理试样加工成标准拉伸样后进行拉伸测试，选择力学性能最优的热处理制度。
进一步地，所述激光的束斑形状为圆形、线型、矩形及椭圆形中的一种或多种。
进一步地，所述钛合金粉末选自α钛合金、β钛合金和α+β钛合金中的一种。
进一步地，所述步骤S4中试样的冷却方式可以为自然冷却或外加气冷、水冷。
进一步地，所述送粉量对晶粒形貌的影响以实际进入熔池中的粉量为准，送粉量多少的判断不限于送粉器示数。
进一步地，所述步骤S1-S4中激光功率、光斑直径、扫描速度、抬升量、搭接率等参数的确定可根据前期经验直接选择，从而将工艺步骤简化。
进一步地，所述激光功率为1000W，光斑直径为1.1mm，扫描速度为10mm/s，送粉量为40r/min，抬升量为0.7mm，搭接率为40％-50％。
进一步地，所述步骤S5中的热处理制度可以为退火处理、双重退火、固溶时效处理等。
进一步地，所述热处理的制度为750℃,1h,WC+630℃,4h,AC。
本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：
(1)本发明中全等轴β晶粒的制备通过调控成形工艺参数实现，晶粒尺寸在数十微米到数百微米间可控，无需添加晶粒细化剂，无需结合变形处理，工艺过程更简单、灵活。
(2)本发明中热处理温度低于该钛合金的相变点，热处理制度选择灵活，可以在不改变等轴β晶粒形貌和尺寸的前提下，实现晶内α相在纳米级到微米级可控。
(3)本发明提供的强韧化方法可以同时降低增材制造钛合金的各向异性。
附图说明
图1是本发明实施例1中单道单层试样的尺寸和形貌图。
图2是本发明实施例1中不同送粉量下单道多层试样晶粒形貌图。
图3是本发明实施例1中Ti17合金沉积态下的“全等轴晶组织+全α’马氏体相”组织形貌图。
图4是本发明实施例1中Ti17合金热处理态下的“全等轴晶组织+均匀晶内α相”组织形貌图。
图5是本发明实施例1中Ti17合金与文献报道的力学性能对比图，其中，H表示横向，V表示纵向；AD表示沉积态；HT表示热处理态；LSP表示激光冲击。
图6是本发明的一种激光增材制造钛合金强韧化方法的流程示意图。
具体实施方式
以下结合实例与附图对本发明的具体实施方式作进一步的说明，但本发明的实施方式不限于此。
本发明的一种激光增材制造钛合金强韧化方法的流程示意图如图6所示。
实施例1
一种实现激光增材制造Ti17钛合金强韧化的方法，步骤如下：
第一步：给定激光功率(1000W)、光斑直径(1.1mm)、扫描速度(10mm/s)，送粉量设定为从10r/min增加到90r/min，增量为10r/min。
第二步：采用上述参数进行单道单层试样沉积，所得到试样的表面形貌和组织特征如图1所示。
第三步：采用上述送粉量分别成形单道多层试样，其中抬升量根据单道沉积层尺寸确定(可选为沉积高度的70％-90％)。分析试样的表面形貌和组织特征，选择表面质量良好且晶粒形貌为等轴晶粒的参数作为优选成形参数。图2为采用优化工艺参数得到的全等轴晶组织，具体工艺参数为：(激光功率：1000W，送粉量：40r/min，光斑直径：1.1mm，扫描速度：10mm/s，抬升量：0.7mm)。
第四步：进行多道多层块体试样沉积，每沉积3层暂停成形过程5分钟，使已沉积部分充分冷却，重复此过程完成多道多层块体试样的沉积；得到如图3所示具有“全等轴β晶粒+全马氏体”组织。
第五步：将试样进行热处理，各阶段热处理温度均不高于该合金的相变点，以防止β晶粒的粗化。本实施例的热处理制度为750℃,1h,WC(水冷)+630℃,4h,AC(空冷)，得到如图4所示的“全等轴β晶粒+均匀晶内α相”组织。
第六步：对具有“全等轴β晶粒+均匀晶内α相”组织的试样进行拉伸测试(拉伸测试按国标GB T 228.1-2010进行)，拉伸过程中，等轴β晶粒有效阻碍了裂纹扩展，使激光增材制造Ti17合金的力学性能得到明显提升。如图5所示，采用本发明提出的方法得到的Ti17合金在横向和纵向上的力学性能均为目前所报道(文献1：Trans.Nonferrous MetalsSoc.China 26(2016)2058–2066；文献2：Trans.Nonferrous Metals Soc.China 28(2018)36–46；文献3：Surf.Coating.Technol.396(2020)125908；文献4：Rare Met.Mater.Eng.42(2013)120–123)的最好性能。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种实现激光增材制造钛合金强韧化的方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）在惰性气体保护室内，以激光为热源，以惰性气体为载体同步输送钛合金粉末，通过增材制造工艺参数优化及对成形件的冷却控制，实现“全等轴β晶粒+全马氏体”组织的制备；
（2）在低于所述钛合金相变点的温度进行热处理，在保证等轴β晶粒不粗化的前提下，使α相均匀析出，制得具有“全等轴β晶粒+均匀晶内α相”组织的钛合金构件。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
S1、给定激光功率、光斑直径、扫描速度、送粉量四个参数中的三个，并以另一个参数为变量进行参数设计；
S2、采用S1中的参数进行单道单层试样沉积，分析试样的表面形貌和组织特征，选择表面质量良好且晶粒形貌为等轴晶粒的激光功率、光斑直径、扫描速度、送粉量作为初选工艺参数；
S3、采用初选工艺参数，并以不同的抬升量进行单道多层试样沉积，分析试样的表面形貌和组织特征，选择表面质量良好且晶粒形貌为等轴晶粒的参数，得到优化的抬升量；
S4、以不同搭接率进行多道多层块体试样沉积，并每沉积数层暂停成形过程，使已沉积部分充分冷却，重复此过程完成多道多层块体试样的沉积，进行金相检查，选择搭接处无缺陷、晶粒形貌为等轴晶粒的搭接率作为优选；
S5、将试样进行不同热处理，各阶段热处理温度均不高于所述钛合金的相变点；
S6、将热处理试样加工成标准拉伸样后进行拉伸测试，选择力学性能最优的热处理制度。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述激光的束斑形状为圆形、线型、矩形及椭圆形中的一种或多种。
4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述钛合金粉末选自α钛合金、β钛合金和α+β钛合金中的一种。
5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤S4中试样的冷却方式为自然冷却或外加气冷、水冷。
6.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述送粉量对晶粒形貌的影响以实际进入熔池中的粉量为准，送粉量多少的判断不限于送粉器示数。
7.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述激光功率为1000W，光斑直径为1.1mm，扫描速度为10mm/s，送粉量为40 r/min，抬升量为0.7 mm。
8.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述搭接率为40%-50%。
9.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述热处理为退火处理、双重退火或固溶时效处理。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述热处理的制度为750℃，1h，WC+630℃，4h，AC。
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