CN113088848A - 一种同时提高激光熔覆沉积tc4钛合金强度和塑性的热处理方法 - Google Patents

一种同时提高激光熔覆沉积tc4钛合金强度和塑性的热处理方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种同时提高激光熔覆沉积技术制得的TC4钛合金强度和塑性的方法，该方法是将激光熔覆沉积技术制得的TC4钛合金经多级热处理，在不造成晶粒严重长大的前提下，引入粗大的长棒状α、细棒状α和细小弥散的α组织来丰富激光熔覆沉积TC4钛合金的组织，将原始组织的网篮组织转变为多尺度α组织；通过调控不同尺度的α相的含量和分布，使钛合金兼具有高强度和高塑性。因此，本发明能够改善激光熔覆沉积TC4钛合金的力学性能，具有操作简便，应用范围广泛的特点。

Description

一种同时提高激光熔覆沉积TC4钛合金强度和塑性的热处理 方法
技术领域
本发明涉及优化增材制造钛合金性能的方法，尤其涉及一种同时提高激光熔覆沉积TC4钛合金强度和塑性的方法，属于轻合金加工技术领域。
背景技术
激光熔覆沉积技术是一种近净成形增材制造技术，广泛应用于航空和生物医学领域。该技术依托CAD建立构件三维模型，能够准确，快速且高材料利用率地制备和修复钛合金构件。与切削加工，焊接等传统加工技术相比，具有较大的优势。
TC4钛合金是一种使用时间长，应用非常广泛的α + β两相钛合金，Al元素含量5.5% ~ 6.8%，V元素含量在3.5% ~ 4.5%，具有宽广的组织调控空间。使用激光熔覆沉积技术制备的TC4钛合金，一般具有宏观上的粗大β柱状晶和微观上的细网篮组织的特点，具有较好的强度和塑性。但是，激光熔覆沉积的逐层堆积制造过程中，存在重复熔化，快速凝固和快速冷却，从而导致的内应力较大和微观组织不均匀等问题。对激光熔覆沉积TC4构件进行热处理，可以有效的消除内应力，调控出满足工业应用需要的微观组织，获得更加理想的力学性能。而一般的热处理工艺，很容易导致晶粒粗化或晶界α相的产生，获得的力学性能存在塑性提高但强度降低，或强度提高塑性降低的问题。
发明内容
针对现有技术的上述不足，本发明的目的在于提供一种同时提高激光熔覆沉积TC4钛合金强度和塑性的热处理方法，解决现有热处理导致的牺牲强度换塑性或牺牲塑性换强度的问题。
为了解决上述技术问题，本发明采用了如下的技术方案：一种同时提高激光熔覆沉积TC4钛合金强度和塑性的热处理方法，所述TC4钛合金采用激光熔覆沉积技术制得，包括以下步骤：
1）将激光熔覆沉积TC4钛合金随炉加热至930°C~950°C，保温2 h后，然后将其水冷至室温；
2）将步骤1）水冷后的激光熔覆沉积TC4钛合金随炉升温至880°C~ 900°C，保温1 h后，然后将其水冷至室温；
3）将步骤2）水冷后的激光熔覆沉积TC4钛合金随炉升温至550°C~600°C，保温4 h后，然后将其在空气中冷却至室温，即得到强度和塑性同时提高的激光熔覆沉积TC4钛合金。
这样，将微观组织为网篮组织的激光熔覆沉积技术制备的TC4钛合金试样经过三次热处理之后，所得到的钛合金试样微观组织由网篮组织转变55%~65%粗大的长棒状α，5%~10%细棒状α和余量为细小弥散的α组成的多尺度α组织。
作为优选的，步骤1）、步骤2）和步骤3）中所述加热过程中升温速率为10~20°C/min。
作为优选的，所述TC4钛合金采用激光熔覆沉积技术制得，具体包括以下步骤：取粒度为100~200目TC4合金粉末，粉末中杂质元素含量的质量百分比为Fe<0.12%, O<0.09%,C<0.01%, N<0.015%, H<0.009%；然后将合金粉末在120°C下干燥3小时后放置于送粉器中，再将TC4基板固定在氩气氛围加工室的工作台上，将基板加热到200°C后保温1小时，当加工室的真空度小于10-8 bar后，开始进行激光熔覆沉积实验。其中，激光熔覆沉积技术的参数：激光功率为1800~1900 W，扫描速度为360~400 mm/min，光斑直径2~3 mm，相位角105°，搭接率为50%。经激光熔覆沉积制得的TC4钛合金在宏观上呈平行β柱状晶和在微观上呈针状α晶粒组成的网篮组织。
相比现有技术，本发明具有如下有益效果：
1、本发明通过对激光熔覆沉积制造技术制备的TC4钛合金进行多级热处理，引入粗大的长棒状α，细棒状α和细小弥散的α来丰富激光熔覆沉积钛合金的组织，将原始组织的网篮组织转变为多尺度α组织，通过调控组织类型和分布，使得激光熔覆沉积TC4钛合金兼具高强度和高塑性的性能。
2、本发明制得的钛合金的抗拉强度提高到1080MPa以上，延伸率保持在21%以上。本发明工艺简单，更易操作和调控，适用于工业生产，具有良好的应用前景。
附图说明
图1为本发明激光熔覆沉积TC4钛合金热处理前后试样的显微组织形貌图；a为热处理前，b为热处理后，c为对比例1。
图2为本发明激光熔覆沉积TC4钛合金热处理前后试样的工程应力-应变曲线。
图3为本发明激光熔覆沉积TC4钛合金热处理前后原位拉伸扫描电镜观察。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步的详细说明。
一、一种同时提高激光熔覆沉积TC4钛合金强度和塑性的热处理方法
实施例1
1）取粒度为100~200目TC4合金粉末，粉末中杂质元素含量的质量百分比为Fe<0.12%, O<0.09%, C<0.01%, N<0.015%, H<0.009%；然后将合金粉末在120°C下干燥3h后放置于送粉器中，再将得到的TC4基板固定在氩气氛围加工室的工作台上，将基板加热到200°C后保温1h。
2）当加工室的真空度小于10-8 bar后，开始进行激光熔覆沉积实验，采用的工艺参数为激光功率1800 W，光斑直径3 mm，扫描速度360 mm/min，相位角105°，搭接率为50%，制得激光熔覆沉积TC4钛合金。
3）将步骤2)得到的激光熔覆沉积TC4钛合金放入马弗炉中随炉加热至940°C，保温2 h后水冷，再将其放入马弗炉中随炉加热至900°C，保温1 h后水冷，最后将其放入马弗炉中随炉加热至600°C，保温4 h后空冷至室温，即得到强度和塑性同时提高的钛合金。
实施例2
1）取粒度为100~200目TC4-ELI合金粉末，粉末中杂质元素含量的质量百分比为Fe<0.12%, O<0.09%, C<0.01%, N<0.015%, H<0.009%；然后将合金粉末在120°C下干燥3h后放置于送粉器中，再将得到的TC4基板固定在氩气氛围加工室的工作台上，将基板加热到200°C后保温1h。
2）当加工室的真空度小于10-8 bar后，开始进行激光熔覆沉积实验，采用的工艺参数为激光功率1800 W，光斑直径3 mm，扫描速度360 mm/min，相位角105°，搭接率为50%，制得激光熔覆沉积TC4钛合金。
3）将步骤2)得到的激光熔覆沉积TC4钛合金放入马弗炉中随炉加热至930°C，保温2 h后水冷，再将其放入马弗炉中随炉加热至900°C，保温1 h后水冷，最后将其放入马弗炉中随炉加热至600°C，保温4 h后空冷至室温，即得到强度和塑性同时提高的钛合金。
实施例3
1）取粒度为100~200目TC4-ELI合金粉末，粉末中杂质元素含量的质量百分比为Fe<0.12%, O<0.09%, C<0.01%, N<0.015%, H<0.009%；然后将合金粉末在120°C下干燥3h后放置于送粉器中，再将得到的TC4基板固定在氩气氛围加工室的工作台上，将基板加热到200°C后保温1h。
2）当加工室的真空度小于10-8 bar后，开始进行激光熔覆沉积实验，采用的工艺参数为激光功率1900 W，光斑直径2 mm，扫描速度360 mm/min，相位角105°，搭接率为50%，制得激光熔覆沉积TC4钛合金。
3）将步骤2)得到的激光熔覆沉积TC4钛合金放入马弗炉中随炉加热至940°C，保温2 h后水冷，再将其放入马弗炉中随炉加热至880°C，保温1 h后水冷，最后将其放入马弗炉中随炉加热至600°C，保温4 h后空冷至室温，即得到强度和塑性同时提高的钛合金。
实施例4
1）取粒度为100~200目TC4合金粉末，粉末中杂质元素含量的质量百分比为Fe<0.12%, O<0.09%, C<0.01%, N<0.015%, H<0.009%；然后将合金粉末在120°C下干燥3h后放置于送粉器中，再将得到的TC4基板固定在氩气氛围加工室的工作台上，将基板加热到200°C后保温1h。
2）当加工室的真空度小于10-8 bar后，开始进行激光熔覆沉积实验，采用的工艺参数为激光功率1800 W，光斑直径3 mm，扫描速度400 mm/min，相位角105°，搭接率为50%，制得激光熔覆沉积TC4钛合金。
3）将步骤2)得到的激光熔覆沉积TC4钛合金放入马弗炉中随炉加热至950°C，保温2 h后水冷，再将其放入马弗炉中随炉加热至900°C，保温1 h后水冷，最后将其放入马弗炉中随炉加热至550°C，保温4 h后空冷至室温，即得到强度和塑性同时提高的钛合金。
对比例1
将实施例1制备的激光熔覆沉积TC4钛合金放入马弗炉中随炉加热至950°C，保温2h后以1°C/min的速度冷却至300°C以下，再将其放入马弗炉中随炉加热至900°C，保温1 h后水冷，最后将其放入马弗炉中随炉加热至600°C，保温4 h后空冷至室温，得到钛合金材料。
二、性能验证
1、将实施例1获得激光熔覆沉积TC4钛合金热处理前后试样和对比例1制备的钛合金，经打磨和电解抛光后进行扫描电镜组织观察，如图1所示。
从图中可以看出，实施例1中钛合金经热处理前试样组织为平均宽度为1 μm和长度为15 μm左右的针状α晶粒组成的网篮组织，针状α晶粒之间存在极为微小的孔隙。而热处理后组织是由65%粗大的长棒状α、7%短棒状α以及28%细小弥散的α组成的多尺度α组织。其中粗大的长棒状α晶粒发生Ostwald熟化，有一定的粗化，但粗化程度较低，同时引入了具有高位错密度的细小弥散的α，可以有效提高强度。而对比例1中，钛合金的α晶粒长大较为严重，并且出现了粗大的晶界α相，导致强度和塑性同时降低。
2、将实施例1获得激光熔覆沉积TC4钛合金热处理前后试样，进行力学性能测试，结果如图2所示。从图中可以看出经热处理后试样的抗拉强度从985 MPa提升到1100 MPa，延伸率从17.9%提升到21.4%，屈服强度保持在850 MPa左右。对实施例1~4和对比例1制备的钛合金进行力学性能测试，实验结果如表1所示。
表1力学性能
抗拉强度（MPa） 延伸率(%)
实施例1 1100 21.4
实施例2 1090 21.5
实施例3 1108 21.0
实施例4 1080 21.8
对比例1 963 12.3
由表1可以看出，本发明制备的钛合金的强度高，塑性好，与对比例制备的钛合金材料相比，在力学性能上具有明显的提升。这可能是由于，本发明在第一级和第二级热处理中采用水冷方式降温，抑制了α晶粒长大和晶界α的析出，而对比例中第一级热处理采用慢速冷却的方式降温，有利于α晶粒长大和晶界α的析出，导致强度和塑性的恶化。可见，经本发明热处理后试样的抗拉强度和延伸率都得到了提升。
3、将实施例1获得的激光熔覆沉积TC4钛合金热处理前后试样，进行原位拉伸扫描电镜观察，结果如图3所示。从图中可以看出，热处理前后组织的变形过程存在很大差异，热处理前组织（原始组织）在变形过程从微孔处产生大量微裂纹，而热处理后组织变形过程中产生的微裂纹较少、且裂纹被阻止在不同尺度α相构成的界面处，这说明热处理后组织抵抗裂纹萌生和扩展的能力较强，从而使得热处理后组织具有较好的延伸率。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不以本发明为限制，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种同时提高激光熔覆沉积TC4钛合金强度和塑性的热处理方法，其特征在于，对激光熔覆沉积技术制得的TC4钛合金进行三级热处理，获得在微观上由粗大的长棒状α、短棒状α和细小弥散的α构成的多尺度组织，包括以下步骤：
1）第一级热处理：将激光熔覆沉积TC4钛合金随炉加热至930°C~950°C，保温2 h，然后将其水冷至室温；
2）第二级热处理：将步骤1）水冷后的激光熔覆沉积TC4钛合金随炉升温至880°C~ 900°C，保温1 h，然后将其水冷至室温；
3）第三级热处理：将步骤2）水冷后的激光熔覆沉积TC4钛合金随炉升温至550℃~600℃，保温4 h后，然后将其在空气中冷却至室温，即得到强度和塑性同时提高的钛合金。
2.根据权利要求1所述同时提高激光熔覆沉积TC4钛合金强度和塑性的热处理方法，其特征在于，步骤1）、步骤2）和步骤3）中所述加热过程中升温速率为10~20°C/min。
3.根据权利要求1所述同时提高激光熔覆沉积TC4钛合金强度和塑性的热处理方法，其特征在于，所述多尺度组织由以下体积分数的组织构成：55%~65%粗大的长棒状α、5%~10%短棒状α和余量为细小弥散的α。
4.根据权利要求1所述同时提高激光熔覆沉积TC4钛合金强度和塑性的热处理方法，其特征在于，所述激光熔覆沉积技术的参数：激光功率为1800~1900 W，扫描速度为360~400mm/min，光斑直径2~3 mm，相位角105°，搭接率为50%。
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