CN113249668B - 一种利用脉冲电流改善增材制造钛合金各向异性的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种利用脉冲电流改善增材制造钛合金合各向异性的方法，解决了现有后处理技术耗能大、耗时多、难推广、对于大型构件效果差的难题。方法如下：(一)将增材制造合金构件表面进行清理。(二)将上述合金通过夹具固定，然后接入脉冲电源两端，保持夹具与工件的完整接触；(三)将夹持好的构件水平放置在特定的装置上，保持水平；(四)调节电压、频率和作用时间，利用脉冲电流对增材制造钛合金进行处理；(五)关闭脉冲电流，待构件冷却至室温环境后取下。本发明具有工艺简单、实施快速、易于实现批量生产、可应用于大型工件处理，适用范围广等优点，可应用于增材制造钛合金、不锈钢、铝合金与高温合金等及相应构件。

Description

一种利用脉冲电流改善增材制造钛合金各向异性的方法
技术领域
本发明属于激光增材制造材料成形加工领域，具体涉及一种利用脉冲电流改善增材制造钛合金组织与性能各向异性的加工方法。
背景技术
钛合金具有比强度高、耐腐蚀性好、耐热性高等特点，常被用来制造重要结构中的梁、接头和隔框等重要承力构件。这些构件对合金的力学性能以及性能的各项异性均有较高要求。
钛合金冷加工变形抗力大，难以获得复杂形状的零件。增材制造技术为复杂形状钛合金零件的加工提供了解决途径。通过高功率激光/电子束等高能束熔化同步输送的钛合金粉末，逐层堆积成形零件，具有无模具、短周期、省材料等特点。但是由于成形过程加热和冷凝速度快的特点，激光增材制造钛合金组织由贯穿多个熔覆层呈外延生长的粗大原始β柱状晶组成，并且在后续的冷却过程中存在沿沉积方向的温度梯度，致使体心立方β相向密排六方α'相转变的过程中，六方晶密排方向沿热流方向形成<11-20>择优取向。该方向为钛合金滑移系方向，导致工件在沿着滑移方向和垂直滑移方向上的明显各向异性，造成组织和力学性能的各向异性，往往无法满足对合金性能各向同性要求比较高的应用需求。
目前，消除各向异性的途径是进行多次的热处理。专利(CN111074185A)公开了一种钛合金消除各向异性的工艺，该发明需要将钛合金在700℃以上保温5h,在400℃-600℃保温4h，过程中涉及多次的加热降温过程。
发明内容
本发明所用技术手段脉冲电流是一种瞬时高能输入方式。与传统热处理单一热场不同，利用脉冲电流与焦耳热的耦合作用，脉冲电流外场可加快偏析元素原子扩散速率，打破热扩散极限，从而明显加速构件中的相变过程，重构微观组织结构达到改善各向异性的目的。
针对传统热处理消除增材制造钛合金各向异性工艺中存在耗时长、能耗大、工艺复杂等不足，本发明提供了一种利用脉冲电流改善增材制造钛合金构件性能各向异性的工艺。采用本发明所述技术方案，在适当的工艺参数下，仅需要20s即可减弱合金力学性能的各向异性，提升材料的综合力学性能。
本发明技术方案如下：
一种利用脉冲电流改善增材制造钛合金的力学性能各向异性的方法。本发明改善增材制造合金各向异性的方法如下：
(1)将利用增材制造技术制备的沉积态合金表面进行清理；
(2)将上述合金通过夹具固定，然后再由纯铜导线接入脉冲电源两端，保持夹具与工件的完全接触，避免接头处的电阻过高；
(3)将夹持好的合金水平放置；
(4)设置电压为50-380V、频率为100-400Hz，使脉冲电流作用于合金，经过10-120s后关闭脉冲电源；
(5)待合金冷却至室温后，即可从夹具取下。
进一步地，所述合金的增材制造技术包括激光直接沉积技术、激光选区熔化技术、电子束增材制造技术或电弧增材制造技术，以及上述增材制造技术的组合。
进一步地，所述脉冲电流输出设备为高频率脉冲电源，通过调整电压、电流即可获得不同的处理效果。通过外接示波器，可以实时检测工件中的电流情况。
进一步地，脉冲电流的方向与构件热梯度方向垂直。
进一步地，脉冲电流外场处理整个过程是在室温条件下进行的。
进一步地，上述工艺不仅适用于钛合金、而且适用于钛基复合材料。
进一步地，上述工艺适用于增材制造铝合金及其复合材料、不锈钢、Ni基高温合金及其复合材料等。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
脉冲电流后处理对增材制造合金的各向异性有明显的改善作用。后处理过程以电效应为主导使得初始工件中原本沿着沉积方向的原子密排面，变为垂直于沉积方向(沿着电流方向)的原子密排结构。相较于沉积态，此脉冲参数下构件，在垂直沉积方向上的塑性有所下降，沿着沉积方向上的塑性有了提高，力学性能上的择优取向发生了90°变化。钛合金在常温状态下，本就是α'+β的两相组织，在快速加热过程中，两相之间必然产生热应力，导致位错的产生，在电子风力的作用下，位错移动，使得晶粒中分布大量位错，所以造成材料在经历过电效应为主的后处理时，两方向上的强度和硬度都有了提高。当调整工艺参数，耦合脉冲电流的电效应和焦耳热效应共同发挥主导作用。通过电子风力和热能激发原子扩散，工件发生快速相变，且不同于之前电效应主导的后处理，激发出的位错成为了晶粒重新形核的部位，位错密度大量减少，沉积态α'充分相变，晶粒的择优取向消失。在晶粒重新相变的过程中，与之前增材制造中所存在大温度梯度的情况不同，电流脉冲过程中均匀受热，这也导致材料的各向异性下降。将电效应和热效应耦合应用，增加了材料的塑性，消除了各向异性。与传统热处理相比，利用脉冲电流改善增材制造钛合金的各向异性的方法，更加灵活，耗能耗时更少，且更容易推广使用。
附图说明
图1为激光直接沉积Ti6Al4V合金及电流脉冲后处理工艺中所包含的各方向示意图；
图2为激光直接沉积Ti6Al4V合金沉积态的显微组织；
图3为沉积态Ti6Al4V合金经过130V/350Hz电流脉冲作用后增材制造样品的微观组织。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。
本发明技术方案不局限于以下所列举具体实施方式，还包括各具体实施方式间的任意组合。
具体实施方式一：
(1)利用激光直接沉积技术制备Ti6Al4V合金构件。清理沉积态表面，去除黏附于其上的金属粉粒。
(2)将上述Ti6Al4V合金构件沿着沉积方向截断，获得长为45mm，高15mm，厚3mm的长方体构件。
(3)将上述工件通过纯铜夹具固定，然后再由纯铜导线接入脉冲电源两端，保持夹具与工件的完整接触，避免接头处的电阻过高；
(3)将夹持好的构件水平放置在脉冲电流工作台上；
(4)设置参数，对上述构件施加130V/350Hz的脉冲电流。从通电开始计算的20s后切断装置电源。
(5)待工件冷却至室温后取下。
图1为激光直接沉积Ti6Al4V合金及电流脉冲后处理工艺中所包含的各方向示意图，分别沿着沉积方向和垂直于沉积方向切取力学性能测试样品。表1为沉积态和采用130V/350Hz的脉冲电流处理后，材料的宏观力学性能变化及各向异性的变化。从中可以看出沉积态的力学性能在垂直于沉积方向和平行于沉积方向差距大，且沿着沉积方向上的延伸率较高。经过130V/350Hz脉冲电流处理后，合金的屈服强度和延伸率的各向异性减小。这表明，脉冲电流处理改善了合金的各向异性。图2为沉积态的透射电子显微像，表明原始组织为密排六方的α'相，相界面上存在β相，晶界明显，无位错。图3为经过脉冲电流130V/350Hz后的透射电子显微像。
Figure BDA0003049420220000031
表1
施加脉冲电流后，晶粒择优取向的快速消除得益于脉冲电流和焦耳热的耦合作用；与单纯热场相比，脉冲电流在消除合金各向异性这方面有着突出的优势。
具体实施方式二：
本实施方式与实施方式一的不同之处在于步骤(1)中合金为采用激光选区熔化沉积技术制备。
具体实施方式三：
本实施方式与实施方式一的不同之处在于步骤(1)中合金为采用电子束增材制造技术制备。
具体实施方式四：
本实施方式与实施方式一的不同之处在于步骤(1)中合金为采用电弧增材制造技术制备。
具体实施方式五：
本实施方式与实施方式一的不同之处在于步骤(1)中材料为钛基复合材料。
具体实施方式六：
本实施方式与实施方式一的不同之处在于步骤(1)中材料为铝合金及其复合材料。
具体实施方式七：
本实施方式与实施方式一的不同之处在于步骤(1)中材料为不锈钢。
具体实施方式八：
本实施方式与实施方式一的不同之处在于步骤(1)中材料为Ni基高温合金及其复合材料。
一种利用脉冲电流改善增材制造钛合金合各向异性的方法，解决了现有后处理技术耗能大、耗时多、难推广、对于大型构件效果差的难题。方法如下：(一)将增材制造合金构件表面进行清理。(二)将上述合金通过夹具固定，然后接入脉冲电源两端，保持夹具与工件的完整接触；(三)将夹持好的构件水平放置在特定的装置上，保持水平；(四)调节电压、频率和作用时间，利用脉冲电流对增材制造钛合金进行处理；(五)关闭脉冲电流，待构件冷却至室温环境后取下。本发明具有工艺简单、实施快速、易于实现批量生产、可应用于大型工件处理，适用范围广等优点，可应用于增材制造钛合金、不锈钢、铝合金与高温合金等及相应构件。

Claims (2)

1.一种利用脉冲电流改善增材制造钛合金的力学性能各向异性的方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1) 将利用增材制造技术制备的Ti6Al4V沉积态合金表面进行清理；
(2) 将上述合金通过夹具固定，然后再由纯铜导线接入脉冲电源两端，保持夹具与工件的完全接触，避免接头处的电阻过高；
(3) 将夹持好的合金水平放置；
(4) 设置电压为50-380 V、频率为100-400 Hz，使脉冲电流作用于合金，经过10-120 s后关闭脉冲电源；
(5) 待合金冷却至室温后，即可从夹具取下；
脉冲电流后处理对增材制造合金的各向异性有明显的改善作用，后处理过程以电效应为主导使得初始工件中原本沿着沉积方向的原子密排面，变为垂直于沉积方向沿着电流方向的原子密排结构。
2.根据权利要求1所述的利用脉冲电流改善增材制造钛合金的力学性能各向异性的方法，其特征在于，步骤（1）中所述合金的增材制造技术包括激光直接沉积技术、激光选区熔化技术、电子束增材制造技术或电弧增材制造技术。
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