CN112809007A - 制造钛合金与镍基高温合金功能梯度材料的制备方法 - Google Patents

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Abstract

制造钛合金与镍基高温合金功能梯度材料的制备方法，所述方法步骤如下：首先将钛合金基板除去表面锈迹，后去除表面油污；通过激光增材制造方法在钛合金基板表面上沉积成形2～3mm厚的钛合金沉积层，然后再在钛合金沉积层表面沉积成形0.5～1mm厚的Ta形成Ta沉积层，再在Ta沉积层表面沉积0.5～1mm厚的Cu，形成Ta/Cu层，将Ta/Cu层作为连接过渡层；最后在Ta/Cu过渡层上激光沉积镍基高温合金，获得钛合金与镍基高温合金的功能梯度材料。在激光增材连接过程中，Ta/Cu过渡层可有效防止钛合金与镍基高温合金产生金属间化合物，一定程度上避免了裂纹的产生，实现钛合金和镍基高温合金功能梯度材料的有效制备。

Description

制造钛合金与镍基高温合金功能梯度材料的制备方法
技术领域：
本发明属于激光增材制造领域，主要涉及激光同轴送粉增材制造钛合金与镍基高温合金梯度材料的工艺方法，用于制造钛合金与镍基高温合金的功能梯度材料，选用密度低、比强度更高的钛合金与高温性能突出的镍基高温合金相结合，使所制造的结构件具有轻质高强的特点，用于飞行器可提高其推重比。
背景技术：
轻质高强一直是飞行器结构设计者所追求的目标，随着航空航天工业的飞速发展，特别是航空航天器飞行距离的不断增加，使得不断提高发动机推重比成为了航空航天发动机设计和制造的重要目标。镍基高温合金，因其在900℃以上仍具有良好的耐高温腐蚀性能、高强度、抗高温蠕变能力及抗高温氧化性能，大量应用于航空发动机和燃气轮机的关键零部件，但其密度较高为8.24g/cm3，进而影响其作为飞行器部件的推重比。而钛合金密度仅为4.51g/cm3是镍基高温合金的54.7％，且其具有较高的比强度、比模量，广泛应用于航空、航天、海洋、医疗等领域，但钛合金的稳定服役温度仅为400℃左右，若温度上升则会严重影响钛合金的性能。因此，使轻质高强的钛合金与可以在高温下稳定服役的镍基高温合金形成冶金结合，制备成钛合金与镍基高温合金的功能梯度材料，可以在一定程度上同时提高材料的比强度与高温性能。若使钛合金与镍基高温合金的功能梯度材料应用于飞行器的发动机结构中，可以在保证发动机推力的同时，还可以在很大程度上减轻发动机重量。
钛合金主要含有Ti、Al、V等元素，镍基高温合金中主要含有Ni、Fe、Cr、Nb等元素，根据相关金属元素二元合金相图，可见若将钛合金与镍基高温合金直接接触连接，会在结合处界面形成较多金属间化合物，甚至难以达到冶金结合。因此，需要在钛合金与镍基高温合金之间引入不会与二者产生金属间化合物的过渡层。
发明内容：
发明目的：
本发明的目的是提出一种基于激光同轴送粉增材制造技术、制备钛合金与镍基高温合金功能梯度材料的方法，其目的是解决以往所存在的问题，实现制备钛合金与镍基高温合金功能梯度材料的零部件，利用钛合金的高比强度特性，与镍基高温合金高温稳定服役特性，可以使制备的构件在一定高温环境稳定服役时，在很大幅度上提高构件强度，同时降低构件重量。
技术方案：
一种制造钛合金与镍基高温合金功能梯度材料的制备方法，其特征在于：
所述方法步骤如下：
首先将钛合金基板除去表面锈迹，后去除表面油污；
通过激光增材制造方法在钛合金基板表面上沉积成形2～3mm厚的钛合金沉积层，然后再在钛合金沉积层表面沉积成形0.5～1mm厚的Ta形成Ta沉积层，再在Ta沉积层表面沉积0.5～1mm厚的Cu，形成Ta/Cu层，将Ta/Cu层作为连接过渡层；
最后在Ta/Cu过渡层上激光沉积镍基高温合金，获得钛合金与镍基高温合金的功能梯度材料。
获得钛合金与镍基高温合金功能梯度材料后,采用真空热处理炉进行整体构件去应力退火处理。
形成Ta沉积层的Ta粉末采用氩气雾化方式制备，粉末粒度为100-200目；在Ta沉积层表面沉积0.5～1mm厚的Cu采用Cu粉末，该Cu粉末采用氩气雾化方式制备，粉末粒度为100-200目。
在Ta/Cu过渡层上激光沉积镍基高温合金为激光沉积镍基高温合金粉末，使构件从钛合金过渡至镍基高温合金，镍基高温合金粉末采用氩气雾化方式制备，粉末粒度为100-200目。
采用真空热处理炉进行整体去应力退火处理，退火温度范围：500-650℃，随炉冷却。
将钛合金基板打磨除去表面锈迹，后用旋转锉工具进行打磨处理，打磨至表面平整光亮，并露出新鲜的钛合金表面，后用酒精和丙酮进行清洗，去除表面油污。
优点效果：
一种制造钛合金与镍基高温合金功能梯度材料的制备方法，所述方法步骤如下：
首先将钛合金基板打磨除去表面锈迹，然后用旋转锉工具进行打磨处理，打磨后用酒精和丙酮进行清洗，去除表面油污；
通过激光增材制造方法在钛合金表面上沉积成形2～3mm厚的钛合金沉积层，然后再在钛合金沉积层表面沉积成形0.5～1mm厚的Ta，再在Ta沉积层表面沉积0.5～1mm厚的Cu，形成Ta/Cu层，将Ta/Cu层作为连接过渡层；
最后在表面为Ta/Cu过渡层的钛合金上激光沉积镍基高温合金，获得钛合金与镍基高温合金的功能梯度材料。
采用真空热处理炉进行整体构件去应力退火处理。
形成Ta沉积层的Ta粉末采用氩气雾化方式制备，粉末粒度为100-200目；在Ta沉积层表面沉积0.5～1mm厚的Cu采用Cu粉末，该Cu粉末采用氩气雾化方式制备，粉末粒度为100-200目。
在带有过渡层金属的钛合金表面激光沉积镍基高温合金粉末，使构件从钛合金过渡至镍基高温合金，镍基高温合金粉末采用氩气雾化方式制备，粉末粒度为100-200目。
采用真空热处理炉进行整体去应力退火处理，退火温度范围：500-650℃，随炉冷却。
本发明具有以下优点和有益效果
本发明采用激光同轴送粉增材制造技术制备出钛合金与镍基高温合金的功能梯度材料。激光增材制造技术是结合激光熔敷和快速成型制造技术而形成的无磨具自由近净成形的新技术，其在制备此类功能梯度材料时具有以下优势：可以通过试验改变激光功率、送粉速率、扫描速度等工艺参数，获得最佳工艺参数，且可以改变粉末金属的合金系统，有效的控制构件内部的显微组织，进而得到预期机械性能。通过使用激光增材制造技术制备的钛合金与镍基高温合金功能梯度材料，可满足航空航天领域对轻量化、高强度、高服役温度的需求(见图5所示)。
本发明基于激光同轴送粉增材制造钛合金和镍基高温合金功能梯度材料，其关键技术即为中间过渡层材料的设计与优化，为实现功能梯度材料各界面达到冶金结合，首先将钛合金基板除锈清洁，通过激光增材制造方法在钛合金坡口表面上沉积成形2～3mm厚的钛合金，由于其上层均为粉末冶金故此处先沉积一定厚度的钛合金粉末，以减少构件整体缺陷的产生，然后在钛合金沉积层表面沉积成形0.5～1mm厚的Ta，Ta与Ti可无限互溶，然后在Ta上沉积成形0.5～1mm厚的Cu，将Ta/Cu作为过渡层，再在过渡层表面沉积成形镍基高温合金。在激光增材连接过程中，Ta/Cu过渡层可有效防止钛合金与镍基高温合金产生金属间化合物，一定程度上避免了裂纹的产生，实现钛合金和镍基高温合金功能梯度材料的有效制备(见图6所示)。
附图说明
此处说明的附图用来提供对本发明的进一步理解。
图1在打磨清洁好的钛合金基板表面，通过激光增材制造的方法在其表面沉积成形2～3mm厚的钛合金。
图2通过激光增材制造的方法，在钛合金沉积层上，再沉积成形0.5～1mm厚的Ta。
图3通过激光增材制造的方法，在Ta沉积层上，再沉积成形0.5～1mm厚的Cu，将Ta/Cu作为梯度材料的过渡层。
图4通过激光增材制造，在Ta/Cu过渡层上沉积成形镍基高温合金，制备出钛合金与镍基高温合金的功能梯度材料。
图5是实验数据图片，其中图(a)为样件实物照片；图(b)为样件增材制造示意图及拉伸试样选取方式；图(c)为试样室温拉伸应力应变曲线；图(d)为国标试样拉伸片加工图纸；
图6为实验数据组织形貌图，其中图(a)为TC4/Ta界面处组织形貌；图(b)为Ta/Cu界面处组织形貌；图(c)为Cu/IN718界面处组织形貌。
具体实施方式
一种制造钛合金与镍基高温合金功能梯度材料的制备方法，其特征在于：
所述方法步骤如下：
首先将钛合金基板打磨除去表面锈迹，然后用旋转锉工具进行打磨处理，打磨至表面平整光亮，并露出新鲜的钛合金表面，后用酒精和丙酮进行清洗，去除表面油污；
通过激光增材制造方法(是现有方法)在钛合金基板表面上沉积成形2～3mm厚的钛合金(牌号为TC4 Ti-6Al-4V)沉积层，然后再在钛合金沉积层表面沉积成形0.5～1mm厚的Ta(原材料是纯度为99.9％的Ta粉)形成Ta沉积层，再在Ta沉积层表面沉积0.5～1mm厚的Cu(原材料是纯度为99.9％的Cu粉)，形成Ta/Cu层，将Ta/Cu层作为连接过渡层；
最后在Ta/Cu过渡层上激光沉积镍基高温合金(牌号为IN718)，获得钛合金与镍基高温合金的功能梯度材料。
获得钛合金与镍基高温合金功能梯度材料后,采用真空热处理炉进行整体构件去应力退火处理。
形成Ta沉积层的Ta粉末采用氩气雾化方式制备，粉末粒度为100-200目；在Ta沉积层表面沉积0.5～1mm厚的Cu采用Cu粉末，该Cu粉末采用氩气雾化方式制备，粉末粒度为100-200目。
在Ta/Cu过渡层上激光沉积镍基高温合金为激光沉积镍基高温合金粉末，使构件从钛合金过渡至镍基高温合金，镍基高温合金粉末采用氩气雾化方式制备，粉末粒度为100-200目。
采用真空热处理炉进行整体去应力退火处理，退火温度范围：500-650℃，随炉冷却。
将钛合金基板打磨除去表面锈迹，后用旋转锉工具进行打磨处理，打磨至表面平整光亮，并露出新鲜的钛合金表面，后用酒精和丙酮进行清洗，去除表面油污。
下面对本发明做进一步详细说明：
首先将钛合金基板打磨除去表面锈迹，然后用旋转锉工具进行打磨处理，打磨后用酒精和丙酮进行清洗，去除表面油污；
通过激光增材制造方法在钛合金表面上沉积成形2～3mm厚的钛合金粉末，然后再沉积成形0.5～1mm厚的Ta，然后再沉积成形0.5～1mm厚的Cu，将Ta/Cu作为梯度材料的过渡层。Ta和Cu粉末采用氩气雾化方式制备，粉末粒度为100-200目；
在带有过渡层金属的钛合金表面激光沉积镍基高温合金粉末，使构件从钛合金过渡至镍基高温合金，镍基高温合金粉末采用氩气雾化方式(现有技术)制备，粉末粒度为100-200目；
采用真空热处理炉(现有技术)进行整体去应力退火处理，退火温度范围：500-650℃，随炉冷却。
实施例1：
激光增材制造TC4钛合金与IN718镍基高温合金功能梯度材料试验
1.基板的制备
将钛合金基板打磨除去表面锈迹，然后用旋转锉工具进行打磨处理，打磨后用酒精和丙酮进行清洗，去除表面油污，尺寸为50mm×25mm×15mm。
2.实施过程
采用气化雾方式制备TC4、IN718、Ta和Cu粉末，粉末目数为100-200目。
通过激光增材制造方法在TC4钛合金基板表面上成形3mm厚的TC4，激光成形主要工艺参数为激光功率1600W、扫描速度6mm/s和送粉速度8.0g/min；然后在TC4表面上沉积成形1mm厚的Ta，激光成形主要工艺参数为激光功率2700W、扫描速度8mm/s和送粉速度7.0g/min；然后在Ta表面上沉积成形1mm的Cu，形成Ta/Cu过渡层，激光成形主要工艺参数为激光功率1500W、扫描速度8mm/s和送粉速度6.5g/min。
在过渡层表面上激光沉积镍基高温合金粉末，IN718镍基高温合金粉末采用氩气雾化方式制备，粉末粒度为100-200目，激光成形主要工艺参数为激光功率1800W、扫描速度8mm/s和送粉速度7.5g/min。
通过激光同轴送粉增材制造在TC4钛合金与IN718镍基高温合金之间引入Ta/Cu过渡层，制备钛合金与镍基高温合金功能梯度材料，采用真空热处理炉进行整体去应力退火处理，退火工艺为：600℃/2.5h，随炉冷却。
通过超声波探伤设备对制备后的梯度结构进行无损检测，检测结果达到GJB1580A-2004-AA级标准。
实施例2：
(一)、将钛合金基板表面用旋转锉工具进行打磨处理，打磨后先用无水乙醇清洗，然后再用无水丙酮进行清洗，使基板表面无油污和其他杂质；
(二)、通过激光增材制造方法在钛合金基板表面上沉积成形3.0mm厚的TC4，然后在TC4上沉积成形1.0mm厚的Ta，在Ta表面沉积成形1.0mm的Cu，将Ta/Cu作为梯度材料的过渡层；Ta层和Cu层均采用Ta和Cu粉末并用氩气雾化方式制备，Ta和Cu粉末粒度为100目。
(三)、通过激光增材制造方法在过渡层表面沉积成形IN718镍基高温合金。镍基高温合金粉末采用氩气雾化方式制备，粉末粒度为100目。激光成形主要工艺参数为激光功率1500W、扫描速度6mm/s和送粉速度6g/min。
(四)、采用真空热处理炉进行整体去应力退火处理。退火温度范围550℃，保温时间3h,随炉冷却。
(二)步骤中，通过激光增材制造方法在钛合金基板表面上沉积成形TC4，激光成形主要工艺参数为激光功率1700W、扫描速度7mm/s和送粉速度9.0g/min；然后在TC4上沉积成形1.0mm厚的Ta，激光成形主要工艺参数为激光功率2800W、扫描速度6mm/s和送粉速度7.0g/min；然后在Ta上成形1.0mm厚的Cu，激光成形主要工艺参数为激光功率1700W、扫描速度6mm/s和送粉速度6.0g/min。
通过超声波探伤设备对梯度结构进行无损检测，检测结果达到GJB1580A-2004-AA级标准。
实施例3：
(一)、将钛合金基板表面用旋转锉工具进行打磨处理，打磨后先用无水乙醇清洗，然后再用无水丙酮进行清洗，使基板表面无油污和其他杂质；
(二)、通过激光增材制造方法在钛合金基板表面上沉积成形2.0mm厚的TC4，然后在TC4上沉积成形0.5mm厚的Ta，在Ta表面沉积成形0.5mm的Cu，将Ta/Cu作为梯度材料的过渡层；Ta层和Cu层均采用Ta和Cu粉末并用氩气雾化方式制备，Ta和Cu粉末粒度为200目。
(三)、通过激光增材制造方法在过渡层表面沉积成形IN718镍基高温合金。镍基高温合金粉末采用氩气雾化方式制备，粉末粒度为200目。激光成形主要工艺参数为激光功率1500W、扫描速度6mm/s和送粉速度6g/min。
(四)、采用真空热处理炉进行整体去应力退火处理。退火温度范围500℃，保温时间3h,随炉冷却。
(二)步骤中，通过激光增材制造方法在钛合金基板表面上沉积成形TC4，激光成形主要工艺参数为激光功率1700W、扫描速度7mm/s和送粉速度9.0g/min；然后在TC4上沉积成形0.5mm厚的Ta，激光成形主要工艺参数为激光功率2800W、扫描速度6mm/s和送粉速度7.0g/min；然后在Ta上成形0.5mm厚的Cu，激光成形主要工艺参数为激光功率1700W、扫描速度6mm/s和送粉速度6.0g/min。
通过超声波探伤设备对梯度结构进行无损检测，检测结果达到GJB1580A-2004-AA级标准。
实施例4：
(一)、将钛合金基板表面用旋转锉工具进行打磨处理，打磨后先用无水乙醇清洗，然后再用无水丙酮进行清洗，使基板表面无油污和其他杂质；
(二)、通过激光增材制造方法在钛合金基板表面上沉积成形2.5mm厚的TC4，然后在TC4上沉积成形0.8mm厚的Ta，在Ta表面沉积成形0.8mm的Cu，将Ta/Cu作为梯度材料的过渡层；Ta层和Cu层均采用Ta和Cu粉末并用氩气雾化方式制备，Ta和Cu粉末粒度为150目。
(三)、通过激光增材制造方法在过渡层表面沉积成形IN718镍基高温合金。镍基高温合金粉末采用氩气雾化方式制备，粉末粒度为150目。激光成形主要工艺参数为激光功率1500W、扫描速度6mm/s和送粉速度6g/min。
(四)、采用真空热处理炉进行整体去应力退火处理。退火温度范围650℃，保温时间3h,随炉冷却。
(二)步骤中，通过激光增材制造方法在钛合金基板表面上沉积成形TC4，激光成形主要工艺参数为激光功率1700W、扫描速度7mm/s和送粉速度9.0g/min；然后在TC4上沉积成形0.8mm厚的Ta，激光成形主要工艺参数为激光功率2800W、扫描速度6mm/s和送粉速度7.0g/min；然后在Ta上成形0.8mm厚的Cu，激光成形主要工艺参数为激光功率1700W、扫描速度6mm/s和送粉速度6.0g/min。
通过超声波探伤设备对梯度结构进行无损检测，检测结果达到GJB1580A-2004-AA级标准。

Claims (6)

1.一种制造钛合金与镍基高温合金功能梯度材料的制备方法，其特征在于：
所述方法步骤如下：
首先将钛合金基板除去表面锈迹，后去除表面油污；
通过激光增材制造方法在钛合金基板表面上沉积成形2～3mm厚的钛合金沉积层，然后再在钛合金沉积层表面沉积成形0.5～1mm厚的Ta形成Ta沉积层，再在Ta沉积层表面沉积0.5～1mm厚的Cu，形成Ta/Cu层，将Ta/Cu层作为连接过渡层；
最后在Ta/Cu过渡层上激光沉积镍基高温合金，获得钛合金与镍基高温合金的功能梯度材料。
2.根据权利要求1所述的制造钛合金与镍基高温合金功能梯度材料的制备方法，其特征在于：获得钛合金与镍基高温合金功能梯度材料后,采用真空热处理炉进行整体构件去应力退火处理。
3.根据权利要求1所述的制造钛合金与镍基高温合金功能梯度材料的制备方法，其特征在于：形成Ta沉积层的Ta粉末采用氩气雾化方式制备，粉末粒度为100-200目；在Ta沉积层表面沉积0.5～1mm厚的Cu采用Cu粉末，该Cu粉末采用氩气雾化方式制备，粉末粒度为100-200目。
4.根据权利要求1所述的制造钛合金与镍基高温合金功能梯度材料的制备方法，其特征在于：在Ta/Cu过渡层上激光沉积镍基高温合金为激光沉积镍基高温合金粉末，使构件从钛合金过渡至镍基高温合金，镍基高温合金粉末采用氩气雾化方式制备，粉末粒度为100-200目。
5.根据权利要求2所述的制造钛合金与镍基高温合金功能梯度材料的制备方法，其特征在于：采用真空热处理炉进行整体去应力退火处理，退火温度范围：500-650℃，随炉冷却。
6.根据权利要求1所述的制造钛合金与镍基高温合金功能梯度材料的制备方法，其特征在于：
将钛合金基板打磨除去表面锈迹，后用旋转锉工具进行打磨处理，打磨至表面平整光亮，并露出新鲜的钛合金表面，后用酒精和丙酮进行清洗，去除表面油污。
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