CN113770490A - 一种通过获得α/β界面相提高增材制造TC4钛合金构件塑性的方法 - Google Patents

一种通过获得α/β界面相提高增材制造TC4钛合金构件塑性的方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种通过获得α/β界面相显著提高增材TC4钛合金构件塑性的方法。该方法包括以下步骤：控制电弧增材环境和工艺参数，使用TC4焊丝，采用TIG电弧焊机和焊接机器人，在真空充氩舱室内电弧增材获得钛合金构件：电弧增材钛合金构件中控制真空充氩舱氧气含量400‑500ppm，调节焊接工艺参数以获得稳定的焊接热输入，每层垂直交叉增材。本发明通过控制增材环境氧含量以及热输入，调控固溶在钛合金中的氧含量，降低形成的α相与β相的界面能以促进形成α/β界面相，在不降低TC4钛合金构件强度的前提下，具有α/β界面相结构的TC4钛合金断后延伸率是没有α/β界面相结构的1.7～1.8倍，获得的α/β界面相结构显著提高了电弧增材TC4钛合金构件的塑性。

Description

一种通过获得α/β界面相提高增材制造TC4钛合金构件塑性的 方法
技术领域
本发明涉及先进金属材料增材制造技术领域，具体为一种通过获得α/β界面相提高增材制造TC4钛合金构件塑性的方法。
背景技术
钛合金由于其理想的机械性能，如高比强度、高比刚度、优异的生物相容性、良好的断裂韧性和出色的耐腐蚀性而被广泛应用于航空航天、化学和生物医学领域。但是钛合金的热导率低和化学活性高，使用传统铸造或锻造技术制造大型部件会大大提高技术难度和加工制造成本。
电弧增材制造(WAAM)作为一种可加工制造复杂形状大型钛合金构件的近净成形技术，具有沉积效率高、材料利用率高、加工成本低的显著优点。但是由于电弧热源特点，其电弧热输入高，以及在增材过程中在焊接热循环的作用下会导致增材后钛合金构件晶粒粗大，往往造成增材构件力学性能下降，沿沉积方向屈服强度和极限抗拉强度差，塑性较低，无法满足在恶劣环境下服役的高性能钛合金构件对其强度和塑性更高要求的需求。目前现有研究大都通过加入合金元素改善增材钛合金的力学性能，但是对于电弧增材钛合金来说，通过添加元素进行性能提升的钛合金焊丝研发周期长，加工制造成本高；也有部分专家学者在增材过程中添加轧制工序以及增材后对构件进行热处理等方式改善构件性能，但是对于电弧增材的复杂形状大型的钛合金构件均大大增加了工艺难度及成本。因此目前还没有一种通过调控增材环境以及工艺直接显著改善电弧增材来TC4 钛合金构件塑性的方法，因此急需一种方法解决电弧增材TC4复杂构件塑性较低的问题，显著提高TC4钛合金构件塑性。
发明内容
针对电弧增材TC4钛合金构件塑性较低问题，本发明的目的在于不降低电弧增材TC4钛合金构件强度的前提下克服现有技术不足，提出一种通过获得α/β界面相显著提高增材制造TC4钛合金构件性能的方法；该发明具有：增材效率高、成本低、易操作，无需后处理即可改善电弧增材TC4钛合金构件塑性的优点。
本发明通过以下技术方案实现的：
一种通过获得α/β界面相提高增材制造TC4钛合金构件塑性的方法，包括下列步骤：
第一步，采用氧元素含量为0.08％的TC4焊丝作为电弧增材原材料；
第二步，将TIG电弧增材平台及钛合金基板置于真空充氩舱室内，将钛合金基板固定在工装平台上；增材平台主要包括焊接机器人、TIG电弧焊机、焊接工装平台、红外测温器；
第三步，调节真空充氩舱室内氧气含量，当真空舱室内氧含量稳定在400-500ppm时，开始电弧增材；
第四步，使用TIG电弧焊接机器人，通过TIG电弧将TC4焊丝熔化在钛合金基板上进行增材制造；在电弧增材过程中其中焊接电流140-150A，送丝速度800-900mm/min，焊接速度120-130(mm/min)，层间温度100-150℃，每层垂直交叉增材，同时控制舱室内氧含量在400-500ppm，电弧增材出具有α/β界面相结构的TC4钛合金构件。
优选的，第一步中TC4焊丝直径为1.2mm。
优选的，第二步中使用增材精度0.05mm的ABB六轴焊接机器人，红外测温器与焊接机器人控制系统相连，增材过程中可实时监测焊接熔池及焊道温度；
优选的，通过以下步骤控制真空舱室内氧气含量在400-500ppm。实现步骤为：
关闭真空充氩舱室舱.门，启动舱室抽真空装置，抽到500pa点击停止抽真空，
打开氩气进气口，充入纯度为99.99的氩气，当舱室内的氧气含量低于1000ppm时，关闭氩气进气口，停止充氩气；
打开舱室内氩气循环系统，通过循环系统中含有CuO的空气净化装置，循环净化氩气，舱室内的氧气含量降至500ppm，使舱室内氧气含量稳定在400-500ppm。
优选的，第四步中通过控制增材工艺参数控制热输入维持在5200-5600J/cm，焊缝宽度8mm，层与层间搭接量为4mm，每层垂直交叉增材，即n+1层垂直于n层，依次类推；
优选的，第四步中，层间温度控制在150℃，温度测量有红外测温器进行监测，每层焊接完，温度下降到150℃时，测温仪反馈给焊接机器人控制系统进行下一层增材；
通过控制舱室内氧气含量稳定在400-500ppm，使得增材后TC4钛合金构件氧元素含量为0.2±0.01％，氧元素在α/β界面相富集以降低α与β相界面能。
优选的，第二步中使用的为TC4钛合金基板或者TA1纯钛基板。
本发明相对于现有技术相比具有显著优点为：
本发明直接通过控制增材热输入、增材工艺参数和增材环境，获得具有α/β界面的TC4钛合金构件，可显著提高增材TC4钛合金构件的塑性，同时具有易操作，无需后处理显著降低成本的优点。增材过程中通过调节工艺参数控制热输入维持在 5200-5600J/cm，控制增材环境氧含量维持在400-500ppm，使得电弧增材后TC4构件中固溶的氧元素含量为0.2±0.01％，氧元素在界面α/β界面处富集，从而降低形成的α相与β相组织的界面能，形成α/β界面相结构。通过本发明电弧增材的TC4构件具有α/β界面相，在拉伸过程中，形成的α/β界面相产生大量的孪晶，孪晶的产生将会有效的降低局部塞集应力，通过α/β界面相产生的大量孪生诱发塑性效应，在拉伸试验中具有α/β界面相结构的TC4钛合金构件与没有α/β界面相的TC4钛合金构件相比，其强度相当，断后延伸率大大提高，沿着沉积方向Z方向断后延伸率提高1.8倍，平行于沉积方向X 方向断后延伸率1.7倍。
附图说明
图1a为本发明实例中采用TIG电弧增材具有α/β界面相TC4钛合金构件的TEM 暗场像显微组织图，左图为暗场像组织图片，右图为明场像放大及衍射斑点图片。
图1b为本发明实例中采用TIG电弧增材具有α/β界面相TC4钛合金构件的TEM 明场像显微组织图。
图1c为本发明实例中采用TIG电弧增材没有α/β界面相TC4钛合金构件的TEM 明暗场显微组织图，左图为暗场像图片，右图为明场像及衍射斑点图片。
图2为本发明实例中采用TIG电弧增材TC4钛合金中α/β界面相处Ti、Al、V、 O元素分布特征的HAADF及EDS面扫描结果图。
图3为本发明实例中采用TIG电弧增材TC4钛合金构件工程应力应变曲线图。
具体实施方式
下面具体实施例对本发明进一步说明，本发明的解释而不是限定。
本发明是在通过调节TC4电弧增材环境和工艺参数降低TC4中α与β相界面能以形成α/β界面相，显著提高增材TC4构件的塑性，提供了一种电弧增材制造TC4合金增韧方法。
实施例1
本发明中TC4钛合金是这样实现的：在真空充氩舱室内，控制氧气含量在 400-500ppm，使用TIG电弧作为热源，使用焊接机器人，将TC4(wt％O<0.0.08％；
Figure BDA0003246888790000031
) 丝材在TC4钛合金基板或TA1基板上熔化逐层沉积，通过控制增材热输入、增材工艺参数和增材环境，调节增材工艺参数控制热输入维持在5200-5600J/cm，控制增材环境氧含量维持在400-500ppm，使得电弧增材后TC4构件中固溶的氧元素含量为0.2±0.01％，从而降低形成的α相与β相组织的界面能形成α/β界面相结构，从而制备出具有α/β界面相的TC4构件。增材TC4钛合金构件的方法，主要设备包括：
(1)真空充氩舱，控制增材舱室内的氧含量，防止电弧增材过程中构件高温氧化；
(2)TIG电弧焊机及送丝系统，稳定连续熔化TC4焊丝；
(3)六轴焊接机器人，按照增材路径完成TC4钛合金构件层层沉积；
(4)钛合金基板，作为增材底部基板；
(5)焊接工装平台，放置固定钛合金基板；
(6)红外测温系统，控制层间温度；
该方法包括下列步骤：
第一步，采用TC4焊丝氧元素含量为0.08％的作为电弧增材原材料，置于送丝机上；
第二步，将TIG电弧增材平台及钛合金基板置于真空充氩舱室内，将钛合金基板固定在工装平台上；增材平台主要包括焊接机器人、TIG电弧焊机、焊接工装平台、红外测温器；其中ABB六轴焊接机器人增材精度为0.05mm，红外测温器与焊接机器人控制系统相连，增材过程中可实时监测焊接熔池及焊道温度；
第三步，调节真空充氩舱室内氧气含量稳定在400-500ppm时，首先关闭真空充氩舱室舱门，启动舱室抽真空装置，抽到500pa点击停止抽真空，然后打开氩气进气口，充入纯度为99.99的氩气，当舱室内的氧气含量低于1000ppm时，关闭氩气进气口，停止充氩气，再打开舱室内氩气循环系统，通过循环系统中含有CuO的空气净化装置，循环净化氩气，舱室内的氧气含量降至500ppm，通过氧含量测试分析仪反馈实时控制氧含量，使舱室内氧气含量一直稳定在400-500ppm。
第四步，将编好的电弧增材程序及增材路径导入焊接机器人，进行层层沉积，电弧增材构件尺寸为120*100*65mm，然后通过TIG电弧将TC4焊丝连续稳定熔化在钛合金基板上进行增材制造；通过控制增材工艺参数控制热输入维持在5200-5600J/cm，焊缝宽度8mm，层与层间搭接量为4mm，每层垂直交叉增材，即n+1层垂直于n层，焊接具体工艺参数为：焊接电流140-150A，电弧电压12-15V，送丝速度800-900mm/min，焊接速度120-130(mm/min)，钨极直径2.0mm，喷嘴距离增材层高度10-12mm，层间温度100-150℃，每层垂直交叉增材，温度测量由红外测温器进行监测，每层焊接完，温度下降到150℃时，测温仪反馈给焊接机器人控制系统进行下一层增材；在连续增材过程中，通过控制舱室内氧气含量稳定在400-500ppm，从而保证增材后TC4钛合金构中固溶的件氧元素含量为0.25±0.01％，获得具有α/β界面相结构的TC4TA构件。
第五步，增材结束后真空重氩舱室放气阀，等到压力恢复到101kpa打开舱室门，取出增材的TC4钛合金构件。
对电弧增材后的TC4钛合金构件进行微观组织及拉伸性能分析测试，形成了界面清晰α/β界面相，其结构顺序为α-细小界面α-β-细小界面α-α的三明治夹层结构，这种α/β界面相结构中α相与β相组织的界面能较低。在拉伸过程中，形成的α/β界面相处产生大量的孪晶，孪晶的产生将会有效的降低局部塞集应力，通过α/β界面相产生的大量孪生从而诱发塑性效应，将大幅度提高TC4的塑性，在拉伸试验中具有α/β界面相结构的TC4钛合金构件与没有α/β界面相的TC4钛合金构件相比，其强度相当，断后延伸率大大提高，沿着沉积方向Z方向断后延伸率提高1.8倍，平行于沉积方向X方向断后延伸率1.7倍。
实施例2
按照实施例1步骤进行实施例2，与实施例1主要不同在于，控制在增材环境在氧含量稳定在200-300ppm范围内，通过调控焊接工艺参数控制焊接热输入为3600-4500 J/cm，焊缝宽度7mm，层与层间搭接量为3.5mm，对增材的块体试样进行分析观察，没有形成α/β界面相。
实施例3
按照实施例1步骤进行实施例3，与实施例1主要不同在于，控制在增材环境在氧含量稳定在600-800ppm范围内，通过调控焊接工艺参数控制焊接热输入为6000-6500 J/cm，焊缝宽度8.5mm，层与层间搭接量为4.25mm，对增材的块体试样进行分析观察，没有形成α/β界面相。
表1为实施1、实施2和实施例3中TIG电弧增材TC4构件室温条件下的拉伸性能试验结果，Z方向为沿着沉积方向取样进行拉伸，X方向为平行于沉积方向取样进行拉伸。具有α/β界面相结构的实施例1中TC4钛合金构件与没有α/β界面相的实施例2 中的TC4钛合金构件相比，其强度相当，断后延伸率大大提高，沿着沉积方向Z方向断后延伸率提高1.8倍，平行于沉积方向X方向断后延伸率1.7倍。实施例3中TC4钛合金构件由于氧含量高，虽然具有较高的强度，但是塑性非常低。
表1为实施1、实施2和实施例3中TIG电弧增材TC4构件室温条件下的拉伸性能试验结果
Figure BDA0003246888790000061

Claims (8)

1.一种通过获得α/β界面相显著提高增材TC4构件塑性的方法，其特征在于，包括以下步骤:
第一步，采用氧元素含量为0.08％的TC4焊丝作为电弧增材原材料；
第二步，将TIG电弧增材平台及钛合金基板置于真空充氩舱室内，将钛合金基板固定在工装平台上；增材平台主要包括焊接机器人、TIG电弧焊机、焊接工装平台、红外测温器；
第三步，调节真空充氩舱室内氧气含量，当真空舱室内氧含量稳定在400-500ppm时，开始电弧增材；
第四步，使用TIG电弧焊接机器人，通过TIG电弧将TC4焊丝熔化在钛合金基板上进行增材制造；在电弧增材过程中其中焊接电流140-150A，送丝速度800-900mm/min，焊接速度120-130mm/min，层间温度100-150℃，每层垂直交叉增材，同时控制舱室内氧含量在400-500ppm，电弧增材出具有α/β界面相结构的TC4构件。
2.根据权利要求1所述的一种通过获得α/β界面相显著提高增材TC4构件塑性的方法，其特征在于，第一步中，TC4焊丝直径为1.2mm。
3.根据权利要求1所述的一种通过获得α/β界面相显著提高增材TC4构件塑性的方法，其特征在于，第二步中，使用增材精度0.05mm的ABB六轴焊接机器人，红外测温器与焊接机器人控制系统相连，增材过程中可实时监测焊接熔池及焊道温度。
4.根据权利要求1所述的一种通过获得α/β界面相显著提高增材TC4构件塑性的方法，其特征在于，第三步中，控制真空舱室内氧气含量在400-500ppm：具体步骤为
关闭真空充氩舱室舱.门，启动舱室抽真空装置，抽到500pa点击停止抽真空，
打开氩气进气口，充入纯度为99.99的氩气，当舱室内的氧气含量低于1000ppm时，关闭氩气进气口，停止充氩气；
打开舱室内氩气循环系统，通过循环系统中含有CuO的空气净化装置，循环净化氩气，舱室内的氧气含量降至500ppm，使舱室内氧气含量稳定在400-500ppm。
5.根据权利要求1所述的一种通过获得α/β界面相显著提高增材TC4构件塑性的方法，其特征在于，第四步中，通过控制增材工艺参数控制热输入维持在5200-5600J/cm，焊缝宽度8mm，层与层间搭接量为4mm，每层垂直交叉增材，即n+1层垂直于n层，依次类推。
6.根据权利要求1所述的一种通过获得α/β界面相显著提高改善增材TC4构件塑性的方法，其特征在于，第四步中，层间温度控制在150℃，温度测量有红外测温器进行监测，每层焊接完，温度下降到150℃时，测温仪反馈给焊接机器人控制系统进行下一层增材。
7.根据权利要求1所述的一种通过获得α/β界面相显著提高增材TC4构件塑性的方法，其特征在于，第四步中，通过控制舱室内氧气含量稳定在400-500ppm，使得增材后TC4构件氧元素含量为0.2±0.01％，氧元素在α/β界面相富集以降低α与β相界面能。
8.根据权利要求1所述的一种通过获得α/β界面相改善增材TC4构件塑性的方法，其特征在于，第二步中使用的为TC4基板或者TA1基板。
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