CN112775431B - 一种钛合金/不锈钢异种金属构件的激光增材制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种钛合金/不锈钢异种金属构件的激光增材制造方法，包括以下步骤：将待加工的异种金属构件进行三维建模，对模型进行切片分层处理，并将切片数据导入；先在普通合金钢作表面均匀逐层铺设不锈钢粉末，激光增材制造，形成不锈钢单金属构件；再均匀铺设一层0.1～1mm厚的钛合金粉末，在惰性气体进行保护下，以1000～1800W的功率、200～600mm/s的扫描速度进行快速选区激光熔化加工，得到钛合金/不锈钢结合层；再逐层铺设钛合金粉末，在惰性气体保护下进行钛合金激光增材制造，得到复合材料。本发明通过钛合金/不锈钢结合层加工工艺优化，实现了钛合金/不锈钢复杂异种金属构件高质量的直接成型。

Description

一种钛合金/不锈钢异种金属构件的激光增材制造方法
技术领域
本发明涉及激光增材制造技术领域，尤其涉及一种钛合金/不锈钢异种金属的激光增材的制造方法。
背景技术
不锈钢和钛合金均为综合性能优异的金属结构材料，广泛应用于航空航天、医疗器械、压力容器等领域。其中，不锈钢具有耐腐蚀性能、抗蠕变性能优异，易加工等优点；而钛合金的密度小、耐高温性能好，但其成本更高。
为了同时发挥不锈钢和钛合金性能与成本优势，钛合金/不锈钢异种金属构件使用钛合金、不锈钢两种金属材料进行复杂零件的多功能、轻量化制造。由于两种金属材料物理与化学属性的较大差异，钛合金/不锈钢异种金属构件制造过程中界面的结合质量直接决定成形零部件的使用性能。目前，针对钛合金与不锈钢两种材料的连接方法包括等离子焊、钎焊、爆炸、轧制等。其中，传统焊接方法得到的钛合金、不锈钢接头部位常因出现大量金属间化合物，导致连接质量差等问题；采用爆炸或轧制复合两种金属，再进一步成形零部件时；其生产工序复杂，两种金属间通常需要有镍、钒等高成本金属作为过渡层。
选择性激光熔化(Selective Laser Melting，简称SLM)的增材制造技术是采用高能激光束作为热源，结合CAD/CAE技术，逐层烧结粉末床上的金属粉末，直接成型复杂金属构件的新兴制造技术，具有适用材料范围广、利用率高、易成形复杂件简单等优点。目前，SLM技术虽然已经成熟应用于单一材料如钛合金、不锈钢的增材制造，但是在钛合金与不锈钢异种金属构件的增材制造方面还没有相关应用。本发明通过分别设计钛合金、不锈钢及其结合界面的SLM增材制造工艺，不仅可以实现两种金属无宏/微观缺陷且高质量的冶金连接，而且可以直接制造钛合金/不锈钢异种金属构件，大幅缩短工序流程。
发明内容
本发明目的在于提供一种钛合金/不锈钢异种金属构件激光增材制造工艺，可实现钛合金、不锈钢异种金属构件的快速增材制造，两种金属材料间高精度冶金结合且无宏/微观缺陷。
本发明实现其发明目的所采用的技术方案是：
一种钛合金/不锈钢异种金属构件的激光增材制造方法，其包括以下步骤：
(1)将待加工的钛合金/不锈钢异种金属构件进行计算机三维建模，对模型进行切片分层处理，并将切片数据导入工控机，形成加工轨迹；
(2)选取普通合金钢作为基板，在金属基板表面均匀逐层铺设不锈钢粉末，在惰性气体保护下进行激光增材制造，形成不锈钢单金属构件；
(3)在不锈钢单金属构件的表面均匀铺设一层0.1～1mm厚的钛合金粉末，在惰性气体进行保护下，在1000～1800W功率下、以200～600mm/s的扫描速度进行快速选区激光熔化加工，得到钛合金/不锈钢结合层；
(4)在钛合金/不锈钢结合层的钛合金层一侧的表面逐层铺设至少钛合金粉末，在惰性气体保护下进行钛合金激光增材制造，得到复合材料；
(5)用线切割切除金属基板，对成形零部件进行后处理，得到钛合金/不锈钢异种金属构件。
进一步方案，所述钛合金粉末、不锈钢粉末的粒径为5～100μm。
不锈钢包括316不锈钢、304不锈钢等各种牌号不锈钢，钛合金包括TC4、TC6等牌号。
进一步方案，所述钛合金粉末、不锈钢粉末在使用前均经真空干燥处理，其干燥温度为150～250℃、保温时间为1～5小时。
进一步方案，步骤(2)中所述不锈钢粉末每层的厚度为1～5mm，惰性气体包括氩气、氦气。
进一步方案，步骤(2)中所述激光增材制造的工艺参数为：光纤激光器的激光波长为1064nm、功率为400～1000W、光斑直径为0.5～5mm、扫描速度为10～120mm/s、激光扫描的线间距为0.5～2mm。
进一步方案，步骤(3)中选区激光熔化加工的工艺参数为：光纤激光器的激光波长为1064nm、光斑直径为0.5～5mm、激光扫描的线间距为0.5～1mm。
进一步方案，步骤(4)中所述钛合金粉末每层的厚度为1～5mm，惰性气体包括氩气、氦气。
进一步方案，步骤(4)中钛合金激光增材制造的工艺参数为：光纤激光器的激光波长为1064nm、功率为600～1100W、光斑直径为0.5～5mm、扫描速度为10～100mm/s、激光扫描的线间距为0.5～2mm。
进一步方案，步骤(5)中对成形零部件进行后处理包括打磨、热处理。
本发明在不锈钢单金属构件的表面均匀铺设一层较薄的钛合金粉末，在惰性气体进行保护下，以高功率、快速选区激光熔化加工，从而提高材料加热与冷却速率，抑制金属间化合物形成，得到高质量的钛合金/不锈钢结合层。
本发明针对钛合金/不锈钢异种金属构件制造工艺复杂，异种金属间界面结合质量差等问题；在钛合金/不锈钢之间先形成钛合金/不锈钢结合层，再激光增材制造钛合金，从而直接成形复杂异种金属构件。
具体地说，本发明具有以下优点：
(1)本发明采用SLM金属直接成形钛合金/不锈钢异种金属构件，工序简单；
(2)SLM技术加工得到的钛合金/不锈钢界面在高温性完全冶金结合，并且通过该发明工艺参数实现钛合金/不锈钢界面金属界面快速熔化、快速冷却过程，抑制金属间化合物形成，提高界面结合质量；
(3)加工柔性化程度高，钛合金或不锈钢层的厚度可以低至1mm以内。
附图说明
图1本发明实施例1制备的钛合金/不锈钢异种金属构件的示意图，
图2是本发明实施例1制备的钛合金/不锈钢异种金属构件的异种金属界面显微组织；
图3是本发明中对比例1制备的钛合金/不锈钢异种金属构件的异种金属界面显微组织。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合实施例中的附图，对本发明实施中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述地实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。
实施例1
一种钛合金/不锈钢异种金属构件的激光增材制造方法，其包括以下步骤：
(1)将待加工的钛合金/不锈钢异种金属构件进行计算机三维建模，对模型进行切片分层处理，将切片数据导入工控机，形成加工轨迹；
(2)将平均尺寸分别为25μm的TC4钛合金和316L不锈钢合金粉末分别放置真空干燥箱，在200℃下干燥处理2h；
(3)选取普通合金钢作为基板，按照加工轨迹，在金属基板表面均匀逐层铺设不锈钢金属粉末，每层不锈钢金属粉末厚度2.5mm；利用惰性气体氩气进行保护，严格控制氧含量。采用连续光纤激光SLM系统，设定激光功率800W，扫描速度50mm/s，光斑直径为2mm，填充线间距为1.5mm。重复上述操作2次，形成不锈钢单金属构件；
(4)选取上述单金属构件，在其表面均匀铺设0.8mm厚钛合金粉末，利用惰性气体氩气进行保护，严格控制氧含量。按照加工轨迹，采用连续光纤激光SLM系统，设定激光功率1300W，扫描速度为300mm/s，光斑直径为2mm，填充线间距为1mm，加工得到高质量钛合金/不锈钢结合层；
(5)按照加工轨迹，在钛合金/不锈钢结合层的钛合金表面均匀逐层铺设钛合金金属粉末，每层厚度2mm，利用惰性气体氩气进行保护，严格控制氧含量，采用连续光纤激光，设定激光功率900W，扫描速度40mm/s，光斑直径为2mm，填充线间距为1.5mm。重复上述操作3次，最终得到如图1的钛合金/不锈钢异种金属构件；具体为：在金属基板1的表面上依次形成不锈钢层2、结合层3和钛合金层4，其中不锈钢层2是两次激光增材制造形成第一层不锈钢层21和第二层不锈钢层22；钛合金层4是通过三次激光增材制造形成第一层钛合金层41、第二层不锈钢层42和第三层钛合金层43。
(6)用线切割切除金属基板，对成形构件进行人工打磨，得到钛合金/不锈钢异种金属构件。其显微组织如图2所示，从图2中可看出，不锈钢层2、钛合金层4分别与结合层3的界面组织无宏/微观缺陷；且界面仅有少量金属间化合物产生，结合质量优异。
对比例1：
一种钛合金/不锈钢异种金属构件的激光增材制造方法，其包括以下步骤：
(1)计算机对待加工的钛合金/不锈钢异种金属构件进行建模，对模型进行切片分层处理，将切片数据导入工控机，形成加工轨迹；
(2)将平均粒径分别为25μm的TC4钛合金和316L不锈钢合金粉末分别放置真空干燥箱，在200℃下干燥处理2h；
(3)选取普通合金钢作为基板，按照加工轨迹，在金属基板表面均匀逐层铺设不锈钢金属粉末，每层厚度2mm，利用惰性气体氩气进行保护，严格控制氧含量。采用连续光纤激光SLM系统，设定激光功率800W，扫描速度50mm/s，光斑直径为2mm，填充线间距为1.5mm。重复上述操作2次，形成不锈钢单金属构件；
(4)选取上述单金属构件，按照加工轨迹，在其表面均匀铺0.8mm厚钛合金粉末，利用惰性气体氩气进行保护，严格控制氧含量。采用连续光纤激光SLM系统，设定激光功率900W，扫描速度为40mm/s，光斑直径为2mm，填充线间距为1.5mm，加工得到钛合金/不锈钢结合层；
(5)按照加工轨迹，在钛合金/不锈钢结合层的钛合金表面均匀逐层铺设钛合金金属粉末，每层厚度2mm，利用惰性气体氩气进行保护，严格控制氧含量，采用连续光纤激光，设定激光功率900W，扫描速度40mm/s，光斑直径为2mm，填充线间距为1.5mm。重复上述操作3次，最终得到钛合金/不锈钢异种金属构件；
(6)用线切割切除金属基板，对成形构件进行人工打磨，得到钛合金/不锈钢异种金属构件。其面显微组织如图3所示，从图3中可看出，不锈钢层2、钛合金层4分别与中间层5的界面组织无宏/微观缺陷；但界面因元素在高温下长时间扩散，中间层5产生大量脆性较大的金属间化合物，连接质量较差。
对比实施例1和对比例1可知，由于本申请中结合层是采用高功率、快速选区激光熔化加工工艺制成的，故能提高材料加热与冷却速率，抑制金属间化合物形成，得到高质量的钛合金/不锈钢结合层。
实施例2：
一种钛合金/不锈钢异种金属构件的激光增材制造方法，其包括以下步骤：
(1)计算机待加工的钛合金/不锈钢异种金属构件进行建模，对模型进行切片分层处理，将切片数据导入工控机，形成加工轨迹；
(2)将平均尺寸分别为5μm的TC6钛合金和304不锈钢合金粉末分别放置真空干燥箱，在150℃下干燥处理5h；
(3)选取普通合金钢作为基板，按照加工轨迹，在金属基板表面均匀逐层铺设不锈钢金属粉末，每层厚度2mm，利用惰性气体氦气进行保护，严格控制氧含量。采用连续光纤激光SLM系统，设定激光功率400W，扫描速度10mm/s，光斑直径为0.5mm，填充线间距为0.5mm。重复上述操作3次，形成不锈钢单金属构件；
(4)选取上述单金属构件，在其表面均匀铺0.1mm厚钛合金粉末，利用惰性气体氦气进行保护，严格控制氧含量。采用连续光纤激光SLM系统，设定激光功率1000W，扫描速度为200mm/s，光斑直径为2mm，填充线间距为1mm，加工得到高质量钛合金/ 不锈钢结合层；
(5)按照加工轨迹，在钛合金/不锈钢结合层的钛合金表面均匀逐层铺设钛合金金属粉末，每层厚度3mm，利用惰性气体氦气进行保护，严格控制氧含量，采用连续光纤激光，设定激光功率600W，扫描速度10mm/s，光斑直径为1mm，填充线间距为0.5mm。重复上述操作3次，最终得到钛合金/不锈钢异种金属构件；
(6)用线切割切除金属基板，对成形构件进行人工打磨，得到钛合金/不锈钢异种金属构件。
实施例3：
一种钛合金/不锈钢异种金属构件的激光增材制造方法，其包括以下步骤：
(1)计算机待加工的钛合金/不锈钢异种金属构件进行建模，对模型进行切片分层处理，将切片数据导入工控机，形成加工轨迹；
(2)将平均尺寸分别为100μm的TC4钛合金和316L不锈钢合金粉末分别放置真空干燥箱，在250℃下干燥处理1h；
(3)选取普通合金钢作为基板，按照加工轨迹，在金属基板表面均匀铺一层不锈钢金属粉末，厚度3mm，利用惰性气体氩气进行保护，严格控制氧含量。采用连续光纤激光SLM系统，设定激光功率1000W，扫描速度120mm/s，光斑直径为5mm，填充线间距为2mm，形成不锈钢单金属构件；
(4)选取上述单金属构件，在其表面均匀铺1mm厚钛合金粉末，利用惰性气体氩气进行保护，严格控制氧含量。采用连续光纤激光SLM系统，设定激光功率1800W，扫描速度为600mm/s，光斑直径为2mm，填充线间距为1mm，加工得到高质量钛合金/不锈钢结合层；
(5)按照加工轨迹，在钛合金/不锈钢结合层的钛合金表面均匀铺一层钛合金金属粉末，厚度3mm，利用惰性气体氩气进行保护，严格控制氧含量，采用连续光纤激光，设定激光功率1100W，扫描速度100mm/s，光斑直径为5mm，填充线间距为2mm，最终得到钛合金/不锈钢异种金属构件。
(6)用线切割切除金属基板，对成形构件进行人工打磨，得到钛合金/不锈钢异种金属构件。
以上所述实施例仅表达了本发明的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (7)

1.一种钛合金/不锈钢异种金属构件的激光增材制造方法，其特征在于：包括以下步骤：
（1）将待加工的钛合金/不锈钢异种金属构件进行计算机三维建模，对模型进行切片分层处理，并将切片数据导入工控机，形成加工轨迹；
（2）选取普通合金钢作为基板，在金属基板表面均匀逐层铺设不锈钢粉末，在惰性气体保护下进行激光增材制造，形成不锈钢单金属构件；
（3）在不锈钢单金属构件的表面均匀铺设一层0.1~1mm厚的钛合金粉末，在惰性气体进行保护下，在1000~1800W功率下、以200-600mm/s的扫描速度进行快速选区激光熔化加工，得到钛合金/不锈钢结合层；其中选区激光熔化加工的工艺参数为：光纤激光器的激光波长为1064nm、光斑直径为0.5~5mm、激光扫描的线间距为0.5~1mm；
（4）在钛合金/不锈钢结合层的钛合金层一侧的表面逐层铺设钛合金粉末，所述钛合金粉末每层的厚度为1~5mm，在惰性气体保护下进行钛合金激光增材制造，其工艺参数为：光纤激光器的激光波长为1064nm、功率为600~1100W、光斑直径为0.5~5mm、扫描速度为10~100mm/s、激光扫描的线间距为0.5~2mm，得到复合材料；
（5）用线切割切除金属基板，对成形零部件进行后处理，得到钛合金/不锈钢异种金属构件。
2.根据权利要求1所述的激光增材制造方法，其特征在于：所述钛合金粉末、不锈钢粉末的粒径为5~100μm。
3.根据权利要求1所述的激光增材制造方法，其特征在于：所述钛合金粉末、不锈钢粉末在使用前均经真空干燥处理，其干燥温度为150~250℃、保温时间为1~5小时。
4.根据权利要求1所述的激光增材制造方法，其特征在于：步骤（2）中所述不锈钢粉末每层的厚度为1~5mm，惰性气体包括氩气或氦气。
5.根据权利要求1所述的激光增材制造方法，其特征在于：步骤（2）中所述激光增材制造的工艺参数为：光纤激光器的激光波长为1064nm、功率为400~1000W、光斑直径为0.5~5mm、扫描速度为10~120mm/s、激光扫描的线间距为0.5~2mm。
6.根据权利要求1所述的激光增材制造方法，其特征在于：步骤（4）中所述惰性气体包括氩气或氦气。
7.根据权利要求1所述的激光增材制造方法，其特征在于：步骤（5）中对成形零部件进行后处理包括打磨。
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