CN113798512A - 界面强化Ti-Ni基梯度材料的净成形方法及应用 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种界面强化Ti‑Ni基梯度材料的净成形方法，采用激光熔化沉积增材制造方法，通过设置夹层，以及不同材料的沉积制备方向，调控夹层与钛合金、镍基合金的界面形貌，设计夹层形成特有的双面凹凸结构。本发明还提供一种界面强化Ti‑Ni基梯度材料的的应用。本发明的梯度材料抑制了Ti‑Ni基梯度材料在激光熔化沉积过程中产生界面分层、层间开裂等缺陷，进一步提高了Ti‑Ni基梯度材料金属构件的结合强度，具有优异的力学性能。
Description
技术领域
本发明涉及异种材料连接制备技术领域，具体而言涉及一种界面强化Ti-Ni基梯度材料 的净成形方法及应用。
背景技术
航空航天高端装备超高速、高敏捷、快响应发展对其关键部件轻量化、耐高温提出了更 加苛刻的要求，发展轻质、高强、耐热新型材料的整体化制造技术已成为实现新突破的关键。 钛合金比强度、比刚度显著优于镍、钴高温合金，用其替代应用广泛的600-700℃高温合金， 可实现结构显著减重和性能大幅提升，对于高端装备的战略升级具有重要价值。然而，钛合 金经历多年的发展，受制于其强化形式单一、基体耐热不足，始终无法实现700℃以上服役 性能的突破，将钛合金与镍、钴等高温合金连接，对于提升装备轻量化水平具有重要意义。
目前，对于钛合金-钛铝合金、镍基合金-钛合金等双合金梯度材料的制备仍以焊接为主， 而焊接双合金梯度材料存在研制周期长、成本高昂、工艺复杂、焊接接头热应力大，力学性 能不足甚至严重开裂等问题。
随着增材制造技术日益发展成熟，其制造无形状尺寸限制、精度高、周期短、过渡区成 分可自由设计等特点为异种材料的制造提供了一个新的技术选择。利用增材制造技术制备 Ti-Ni梯度材料可分为直接过渡、梯度过渡和中间层过渡。据已有的文献报道，直接过渡沉积 Ti-Ni梯度材料时会导致层间严重分层(图1a)；梯度过渡时也会产生开裂现象(图1b)；仅 有中间层过渡(Nb/Cu、V/Cu、Ta/Cu和VC等)能成形过渡区无明显缺陷的Ti-Ni梯度材料， 但因为异种材料的组成和性能差异大，不匹配，所以仍然存在结合强度差的问题，其整体的 抗拉强度不足基材的一半，需要进一步的提升。
发明内容
本发明目的在于针对现有技术的不足，提供一种界面强化Ti-Ni基梯度材料的净成形方 法，该方法抑制了材料分层和开裂问题，且过渡区结合强度高，材料具有优异的力学性能。
根据本发明目的的第一方面，提供一种界面强化Ti-Ni基梯度材料的净成形方法，包括 以下步骤：
将钛合金粉末、镍基合金粉末和碳化物粉末按比例混合均匀后烘干，得到夹层混合粉末 备用；
利用自动送粉方式在基板上，按照规划路径单道往复沉积钛合金粉末，得到钛合金薄壁 件，将沉积得到钛合金薄壁件时激光束扫描方向作为横向，与横向垂直的方向作为纵向，之 后，在得到的钛合金薄壁件顶端，沿纵向进行间隔单道沉积钛合金粉末，使得钛合金薄壁件 的上表面具有第一凹凸结构；
在钛合金薄壁件上表面的凹陷部，沿纵向沉积夹层混合粉末，使得钛合金薄壁件的上表 面形成第一平面层，之后，再在第一平面层，沿横向沉积夹层混合粉末，得到夹层平层，然 后再一次在夹层平层上，沿纵向间隔单道沉积夹层混合粉末，从而使夹层平层的上表面具有 第二凹凸结构；
在夹层平层上表面的凹陷部，沿纵向沉积镍基合金粉末，使得夹层平层的上表面形成第 二平面层，之后，再在第二平面层，按照规划路径沿横向单道往复沉积镍基合金粉末，得到 镍基合金薄壁件，最终形成界面强化Ti-Ni基梯度材料。
优选的，所述夹层混合粉末中，碳化物粉末、钛合金粉末和镍基合金粉末的质量比为 (1-3):1:1；其中，碳化物为碳化钨、碳化钼或碳化钒。
优选的，所述第一凹凸结构和第二凹凸结构中，凹凸的最大高度幅度皆为0.2-0.3mm，凹 凸的间隔皆为2.5-6.5mm。
优选的，夹层平层的层厚为0.2-0.5mm。
优选的，制备钛合金薄壁件的的工艺参数为：激光功率1400-1800W，扫描速率4.0-8.0 mm/s，送粉速率6.0-9.0g/min，单层提升量0.50mm；
间隔单道沉积钛合金粉末的工艺参数为：激光功率1300-1700W，扫描速率3.0-6.0mm/s， 送粉速率3.0-6.0g/min，单层提升量0.25mm，各单道间的中心距为2.5-6.5mm。
优选的，在钛合金薄壁件上表面的凹陷部，沿纵向沉积夹层混合粉末的工艺参数为：激 光功率1300-1700W，扫描速率4.0-8.0mm/s，送粉速率3.0-5.0g/min，单层提升量0.25mm， 各单道间的中心距为2.5-6.5mm。
优选的，夹层平层的工艺参数为：激光功率1500-1900W，扫描速度5.0-9.0mm/s，送粉 量3.0-7.0g/min，单层提升量0.20-0.50mm。
优选的，间隔单道沉积夹层混合粉末的工艺参数为：激光功率1300-1700W，扫描速率 4.0-8.0mm/s，送粉速率3.0-5.0g/min，单层提升量0.25mm，各单道间的中心距为2.5-6.5mm。
优选的，在夹层平层上表面的凹陷部，沿纵向沉积镍基合金粉末的工艺参数为：激光功 率1200-1600W，扫描速率7.0-11.0mm/s，送粉速率3.0-7.0g/min，单层提升量0.25mm，各 单道间的中心距为2.5-6.5mm。
优选的，制备镍基合金薄壁件的的工艺参数为：激光功率1300-1700W，扫描速度8.0-12.0mm/s，送粉量6.0-10.0g/min，单层提升量0.5mm。
根据本发明目的的第二方面，还提供一种飞机发动机整体叶盘，通过上述界面强化Ti-Ni 基梯度材料的净成形方法制得。
本发明的有益效果在于：
1、本发明的界面强化Ti-Ni基梯度材料的净成形方法，采用激光熔化沉积增材制造方法， 通过设置夹层，以及不同材料的沉积制备方向，调控夹层与钛合金、镍基合金的界面形貌， 设计夹层形成特有的双面凹凸结构；激光熔化沉积时，夹层混合粉末中的碳化物充分熔化， 碳元素与镍基合金中大量的铬元素形成新碳化物Cr3C2，弥散分布的Cr3C2作为屏障，抑制了 钛合金和镍合金间Ti-Ni元素的随意扩散，使TiNi、Ti2Ni和TiNi3等脆性相含量显著降低， 减轻了夹层与钛合金、镍基合金的界面失配，保障了夹层与钛合金、夹层与镍基合金的良好 结合；而通过将夹层与钛合金的连接面、夹层和镍基合金的连接面均构造成凹凸结构，裂纹 在夹层材料中的扩展会遇到凸起的钛合金和/或镍基合金，使得初始裂纹的扩展受到抑制，从 而避免了裂纹的快速扩展并形成贯穿裂纹使材料，且在持续性的拉伸过程中，产生的二次裂 纹(即次生裂纹)同样也会由于凹凸结构，使二次裂纹的扩展受到抑制，因此，凹凸结构的 夹层可将裂纹引向强度高、塑性更好的钛合金或镍基合金侧，延长了裂纹扩展路径，进一步 提高了材料的结合强度；如此，通过特有的夹层，及特有的凹凸结构，强化了钛合金和镍基 合金的界面结合能力，抑制了Ti-Ni基梯度材料的界面分层及开裂问题，提高了材料的整体 结合强度，最终制得性能优异的Ti-Ni基梯度一体化材料。
2、本发明的净成形方法，用料和工艺简单，可实现精确制造，加工速度快，加工成本低， 微观结构可控性好，制备出的Ti-Ni基异种连接材料过渡区结合良好、力学性能优异，适合 大批量生产各种零件。
附图说明
图1a是直接过渡沉积的Ti-Ni梯度材料图。
图1b是梯度过渡沉积的Ti-Ni梯度材料图。
图2是本发明的界面强化Ti-Ni基梯度材料的净成形方法的工艺流程图。
图3是本发明的界面强化Ti-Ni基梯度材料的净成形方法的过程示意图。
图4是本发明的界面强化Ti-Ni基梯度材料的结构示意图。
图5是本发明的界面强化Ti-Ni基梯度材料的夹层结构示意图。
图6是本发明的凹凸结构的凸部结构的示意图。
图7是可应用本发明的界面强化Ti-Ni基梯度材料的净成形方法制备的构件图。
图8是实施例3所得样品的宏观组织形貌图。
图9是实施例3所得样品界面处的显微硬度分布图。
图10a是对比例的平直夹层的裂纹扩展示意图。
图10b是实施例3的夹层结构中裂纹扩展示意图。
具体实施方式
为了更了解本发明的技术内容，特举具体实施例并配合所附图式说明如下。
在本公开中参照附图来描述本发明的各方面，附图中示出了许多说明的实施例。本公开 的实施例不必定意在包括本发明的所有方面。应当理解，上面介绍的多种构思和实施例，以 及下面更加详细地描述的那些构思和实施方式可以以很多方式中任意一种来实施。
本发明提供一种界面强化Ti-Ni基梯度材料的构件净成形方法，如图2所示，采用激光 熔化沉积增材制造方法，针对钛合金和镍基高温合金热膨胀系数差异大、以及钛与镍亲和性 高，容易形成Ti-Ni系脆性化合物导致的界面分层和层间开裂现象，通过设置含碳化物的夹 层，以及调控夹层与钛合金、镍基合金的界面形貌，抑制了Ti-Ni基梯度材料在激光熔化沉 积过程中产生界面分层、层间开裂等缺陷，进一步提高了Ti-Ni基梯度材料的结合强度。
在具体的实施例中，如图3所示，具体包括以下步骤：
将钛合金粉末1、镍基合金粉末2和碳化物粉末按比例混合均匀后烘干，得到夹层混合 粉末3备用。
利用自动送粉方式在基板4上，按照规划路径单道往复沉积钛合金粉末1，得到钛合金 薄壁件5(如图3a)，并将沉积得到钛合金薄壁件的激光束6扫描方向作为横向，与横向垂直 的方向作为纵向，之后，在得到的钛合金薄壁件5顶端，沿纵向进行间隔单道沉积钛合金粉 末1，使得钛合金薄壁件5的上表面具有第一凹凸结构7(如图3b)。
在钛合金薄壁件上表面的凹陷部71，沿纵向沉积夹层混合粉末3，使得钛合金薄壁件的 上表面形成第一平面层8，也构造了夹层的凹凸状下表面(如图3c)，之后，再在第一平面层 8，沿横向沉积夹层混合粉末3，得到夹层平层9(如图3d)，然后再一次在夹层平层9上，沿 纵向间隔单道沉积夹层混合粉末3，从而使夹层平层的上表面具有第二凹凸结构10，也构造 了夹层的凹凸状上表面(如图3e)。
在夹层平层上表面的凹陷部101，沿纵向沉积镍基合金粉末2，使得夹层平层的上表面形 成第二平面层11(如图3f)，之后，再在第二平面层11，按照规划路径沿横向单道往复沉积镍 基合金粉末2，得到镍基合金薄壁件12(如图3g)，最终形成界面强化Ti-Ni基梯度材料(如 图4)。
在优选的实施例中，所述夹层混合粉末中，碳化物粉末、钛合金粉末和镍基合金粉末的 质量比为(1-3):1:1，并通过双运动机混合均匀；其中，碳化物为碳化钨、碳化钼或碳化钒。
将碳化物粉末的质量含量控制在夹层混合粉末的30-60％，保证了碳化物混合夹层与高温Ti合金及Ni基高温合金在界面的亲和性；抑制了Ti-Ni元素的随意扩散，尽可能减少Ti-Ni 系脆性化合物的大量生产，且相比纯碳化物层，加工难度也有所下降。
而碳化物选择碳化钨、碳化钼或碳化钒，这是基于钨、钼、钒在钛中能无限固溶，且在 镍中有较大的固溶度，同时，其碳化物能与钛或镍形成稳定的单相。
在优选的实施例中，所述镍基合金粉末为镍铬系合金粉末。
在另一优选的实施例中，如图5所示，所述第一凹凸结构和第二凹凸结构中，凹凸的最 大高度幅度H皆为0.2-0.3mm，凹凸的间隔L皆为2.5-6.5mm。
应该理解为，凹凸结构形成的凹凸形状类似于正弦波的形状，凸起部由于送粉打印中， 粉末本身会具有坡度，从而使凸起部具有平滑的边角(如图6所示)，平滑的边角也避免了应 力集中，有利于结合强度的提高。
在另外优选的实施例中，夹层平层的层厚d优选为0.2-0.5mm。
夹层平层、钛合金薄壁件上表面的凹陷部内沉积的夹层混合粉末，以及夹层平层上纵向 间隔单道沉积的夹层混合粉末，构成了夹层13，且夹层13的上表面和下表面皆为凹凸形状， 夹层的厚度D优选为均匀厚度，厚度D即为夹层平层的厚度d与凹凸的最大高度幅度H之 和，为0.4-0.8mm，在其他的实施例中，厚度也可以不均匀。
在其他一些优选的实施例中，制备钛合金薄壁件的的工艺参数为：激光功率1400-1800W， 扫描速率4.0-8.0mm/s，送粉速率6.0-9.0g/min，单层提升量0.50mm；
间隔单道沉积钛合金粉末的工艺参数为：激光功率1300-1700W，扫描速率3.0-6.0mm/s， 送粉速率3.0-6.0g/min，单层提升量0.25mm，各单道间的中心距为2.5-6.5mm。
在钛合金薄壁件上表面的凹陷部，沿纵向沉积夹层混合粉末的工艺参数为：激光功率1300 -1700W，扫描速率4.0-8.0mm/s，送粉速率3.0-5.0g/min，单层提升量0.25mm，各单道间的 中心距为2.5-6.5mm。
夹层平层的工艺参数为：激光功率1500-1900W，扫描速度5.0-9.0mm/s，送粉量3.0-7.0g/min，单层提升量0.20-0.50mm。
间隔单道沉积夹层混合粉末的工艺参数为：激光功率1300-1700W，扫描速率 4.0-8.0mm/s，送粉速率3.0-5.0g/min，单层提升量0.25mm，各单道间的中心距为2.5-6.5mm。
在夹层平层上表面的凹陷部，沿纵向沉积镍基合金粉末的工艺参数为：激光功率1200-1600W，扫描速率7.0-11.0mm/s，送粉速率3.0-7.0g/min，单层提升量0.25mm，各单 道间的中心距为2.5-6.5mm。
制备镍基合金薄壁件的的工艺参数为：激光功率1300-1700W，扫描速度8.0-12.0mm/s， 送粉量6.0-10.0g/min，单层提升量0.5mm。
在激光熔化沉积过程中，为了保证高温Ti合金与基板的润湿性，选用的基板为TA15轧 制板材；同时，为了防止沉积过程中基板发生热变形影响沉积件质量，要求基板厚度不低于 10mm。
所有沉积步骤均在氩气氛围下进行，并保持氧含量在100ppm以下；氩气为惰性气体， 在氩气氛围下沉积，可有效避免O、H、N等元素进入Ti合金、碳化物混合夹层、Ni基合金以及它们彼此的界面，进而提高温Ti合金-Ni基合金异种材料金属构件的质量。
且上述过程中，纵向沉积相应的功率略低于该材料的正常沉积功率，主要是纵向沉积所 需熔宽更窄，功率略低可防止单道坍塌。沉积夹层混合粉末的功率高于其他沉积过程，主要 是保证夹层中的高熔点碳化物充分熔化。
在其他的实施例中，还提供一种飞机发动机整体叶盘，并通过上述界面强化Ti-Ni基梯 度材料的净成形方法制得。
在另外的一些实施例中，还提供一些用于航空航天装备的核心部件，例如涡轮盘、转子 叶片、发动机机匣、燃油喷嘴等，皆通过上述界面强化Ti-Ni基梯度材料的净成形方法制得。
当激光熔化沉积从低熔点的镍基合金向熔点更高的夹层材料过渡时，镍基合金中形成的 熔池温度较低，熔池内靠近固液界面处必然存在温度低于碳化物、钛合金熔点的区域即熔池 低温区，随着熔池固液界面的推进，到达熔池低温区的碳化物和钛合金颗粒则无法继续熔化， 因而在夹层中形成未熔碳化物和钛合金粉末颗粒造成宏观缺陷。
为避免形成界面缺陷的角度出发，钛合金和镍基合金的选择，优选为钛合金的熔点高于 镍基合金，如此，由Ti合金→含碳化物的夹层→Ni基合金方向沉积，实现由高熔点Ti合金 向低熔点Ni基合金过渡，避免夹层中颗粒未熔的界面缺陷。
如图7所示，高温Ti合金可以取代发动机整体叶盘的轮盘和部分叶片，由高温Ti合金 向Ni基高温合金沉积也有利于实际加工。
为了便于更好地理解，下面结合几个具体实例对本发明进行进一步说明，但制备工艺不 限于此，且本发明内容不限于此。
以下实施例选用的Ti合金为Ti600合金，粉末粒径为53-106μm；镍基合金为Inconel 718 合金粉末，粒径为45-150μm；碳化物粒径为53-150μm。
选用LDM-8060同轴送粉金属打印机进行沉积，沉积过程中选用光纤激光器，粉料系统 配置双粉筒，沉积头为同轴送粉。设定送粉气流量为6.5-8.5L/min，保护气流量为15L/min。
基板：将TA15基板打磨掉氧化皮并进行喷砂处理，再用酒精或丙酮除去表面油脂，基 板尺寸为240mm*120mm*10mm。
整个沉积过程均为纯Ar环境，氧含量保持在100ppm以下。
制备尺寸为45mm*5.3mm*40mm的Ti600-夹层-Inconel 718合金梯度材料。
制备过程如下：
利用气雾法制备出53-106μm的Ti600合金粉末和45-150μm的Inconel 718合金粉末，并 将53-150μm的碳化物粉末与Ti600合金粉末、Inconel 718合金粉末按质量比进行4h双运动 机混合，得到夹层材料。将Ti600合金、Inconel 718镍基高温合金和夹层材料分别置于烘箱 中，进行120℃保温2h干燥处理。
通过激光熔化沉积在TA15基板上横向单道往复沉积50层Ti600合金，激光工艺参数为： 激光功率1600W，扫描速率6.0mm/s，送粉速率9.0g/min，单层提升量0.50mm。
再纵向间隔单道沉积一层Ti600合金，使钛合金构件的上表面具有第一凹凸结构，激光 工艺参数为：激光功率1500W，扫描速率5.0mm/s，送粉速率4.5g/min，单层提升量0.25mm； 所得第一凹凸的最大高度幅度H为0.25mm。
之后，纵向间隔单道沉积夹层材料，填充Ti600合金上表面的凹陷，使得钛合金构件的 上表面形成第一平面层，激光工艺参数为：激光功率1500W，扫描速率6.0mm/s，送粉速率 4.5g/min，单层提升量0.25mm。
再在第一平面上横向单层沉积夹层材料，得到夹层平层，激光工艺参数为：激光功率 1700W，扫描速度7.0mm/s，送粉速率5.0g/min。
在夹层平层的上表面纵向间隔单道沉积一层夹层材料，使夹层平层的上表面具有第二凹 凸结构，激光工艺参数为：激光功率1500W，扫描速率6.0mm/s，送粉速率4.5g/min，单层 提升量0.25mm；所得第二凹凸的最大高度幅度H为0.25mm。
纵向间隔单道沉积Inconel 718合金粉末，填充夹层平层上表面的凹陷，使得夹层平层的 上表面形成第二平面层，激光工艺参数为：激光功率1400W，扫描速率9.0mm/s，送粉速率 4.5g/min，单层提升量0.25mm。
在第二平面上横向单道往复沉积30层Inconel 718镍基高温合金，激光工艺参数为：激 光功率1500W，扫描速度10.0mm/s，送粉量8.0g/min，单层提升量0.5mm。
各实施例中的变量如表1所示
表1
【对比例】
所用材料与实施例相同，夹层材料为碳化钒粉末、Ti600合金粉末和Inconel 718合金粉 末，质量比为2:1:1。
通过激光熔化沉积在TA15基板上横向单道往复沉积50层Ti600合金，激光工艺参数为： 激光功率1600W，扫描速率6.0mm/s，送粉速率9.0g/min，单层提升量0.50mm；
然后在Ti600合金表面沉积一层约0.35mm厚的平直夹层材料，的平直夹层，激光工艺 参数为：激光功率1700W，扫描速度7.0mm/s，送粉速率5.0g/min；
再向平直夹层上沉积30层Inconel 718合金，激光工艺参数为：激光功率1500W，扫描 速度10.0mm/s，送粉量8.0g/min，单层提升量0.5mm。
【测试】
1、组织形貌
图8为实施例3所得样品的宏观组织形貌，从图中可以看出，夹层与Ti600和Inconel 718 合金的界面结合良好，没有明显的分层和开裂现象。
激光熔化沉积Ti600合金时，高的熔化温度和冷却速度提供了较大的过冷度，使不同取 向的α相从β基体中大量形核，同时，大量不同取向的α板条相互交织形成了细小的网篮组 织(A部分)，细小的网篮组织不仅有较好的塑性、冲击韧性、断裂韧性和高周疲劳强度还有 较好的热强性，非常适宜本梯度材料的高温应用背景。
夹层(B部分)中原本的碳化物在沉积过程中充分熔化，碳元素与Inconel 718合金中的 铬元素重新形成碳化物Cr3C2，Cr3C2弥散分布在整个碳化物混合夹层中，在碳化物混合夹层 与Inconel 718合金的界面，由于铬元素供应更充足，形成的Cr3C2也更多，大量弥散分布的 Cr3C2作为屏障抑制了Ti600和Inconel 718合金间Ti-Ni元素的随意扩散，使TiNi、Ti2Ni和 TiNi3等脆性相含量显著降低，同时，沉积过程中热膨胀系数低于Ti600和Inconel718合金的 碳化物转变为热膨胀系数介于二者之间的Cr3C2，减轻了碳化物混合夹层的界面失配，保障了 其与Ti600和Inconel 718合金端的良好结合。
沉积Inconel 718合金时，激光扫描粉末形成一个个微小的熔池，熔池中的热量通过其周 围沉积层和基板流动，因此熔池内部的温度能够很快地得到了降低，由于熔池的冷却速率较 快，导致了溶质扩散的时间较短，因此在快速凝固的过程中形成了非平衡凝固的组织，即树 枝晶形貌(C部分)，有利于减少Nb元素偏析进而减少长链状脆性Laves相的形成并促进γ’ 和γ”强化相析出，可在一定范围内提高拉伸性能、断裂韧性及疲劳性能。
2、显微硬度测试
图9为实施例3所得样品在过渡区沿沉积方向的硬度分布，从图中可以看出，激光熔沉 积Ti600的硬度比较稳定，靠近夹层时，少量Ti-Ni系脆性化合物和弥散分布的Cr3C2使其硬 度逐渐提高。夹层的硬度攀升归主要因于大量Cr3C2的弥散分布，但是，夹层的硬度远低于 原本的碳化物，这是碳化物、Ti600合金和Inconel 718合金粉末预混的结果，其减轻了界面 上的较大硬度失配，保障了碳化物混合夹层与二者的良好冶金结合。
夹层中靠近Inconel 718合金的一端由于更多Cr3C2的析出拥有更高的硬度，随Cr3C2含 量的降低，夹层与Inconel 718合金的界面硬度逐渐降低，直至稳定在Inconel 718合金区域， 说明材料中的组织均一、性能稳定，同时，夹层与二者的界面，硬度没有大的突变，也应证 了碳化物混合夹层形成新碳化物Cr3C2后，减小了界面失配。
3、抗拉强度测试
在室温条件下，对实施例3的样品和对比例的样品进行抗拉强度测试。
通过测试，对比例所得样品的抗拉强度为326MPa，而实施例3所得样品的抗拉强度可达 402MPa，且过渡区无明显缺陷，冶金结合良好。
虽然对比例的样品的抗拉强度优于直接过渡焊接Ti-Ni梯度材料，也达到了中间层过渡 焊接Ti-Ni梯度材料的水平，但其仍然具有提升的空间，以得到更高的抗拉强度，而具有凹 凸结构的夹层的引入使得抗拉强度提高了23％，结合强度更高。
对比例样品的夹层为平直夹层14，在室温下静拉伸时，起源于边缘的裂纹沿夹层快速扩 展并形成贯穿裂纹(如图10a)，而实施例3样品为具有凹凸结构的夹层13，裂纹在夹层材料 中的扩展会遇到凸起的钛合金和/或镍基合金，使得初始裂纹(PC)的扩展受到抑制，在持续 性的拉伸过程中，产生的二次裂纹(即次生裂纹SC)同样也会由于凹凸结构，使二次裂纹的 扩展受到抑制(如图10b)，因此，凹凸结构的夹层可将裂纹引向强度高、塑性更好的钛合金 或镍基合金侧，延长了裂纹扩展路径，进一步提高了材料的结合强度。
虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域 中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本 发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。
Claims (12)
1.一种界面强化Ti-Ni基梯度材料的净成形方法，其特征在于，包括以下步骤：
将钛合金粉末、镍基合金粉末和碳化物粉末按比例混合均匀后烘干，得到夹层混合粉末备用；
利用自动送粉方式在基板上，按照规划路径单道往复沉积钛合金粉末，得到钛合金薄壁件，将沉积得到钛合金薄壁件时激光束扫描方向作为横向，与横向垂直的方向作为纵向，之后，在得到的钛合金薄壁件顶端，沿纵向进行间隔单道沉积钛合金粉末，使得钛合金薄壁件的上表面具有第一凹凸结构；
在钛合金薄壁件上表面的凹陷部，沿纵向沉积夹层混合粉末，使得钛合金薄壁件的上表面形成第一平面层，之后，再在第一平面层，沿横向沉积夹层混合粉末，得到夹层平层，然后再一次在夹层平层上，沿纵向间隔单道沉积夹层混合粉末，从而使夹层平层的上表面具有第二凹凸结构；
在夹层平层上表面的凹陷部，沿纵向沉积镍基合金粉末，使得夹层平层的上表面形成第二平面层，之后，再在第二平面层，按照规划路径沿横向单道往复沉积镍基合金粉末，得到镍基合金薄壁件，最终形成界面强化Ti-Ni基梯度材料。
2.根据权利要求1所述的界面强化Ti-Ni基梯度材料的净成形方法，其特征在于，所述夹层混合粉末中，碳化物粉末、钛合金粉末和镍基合金粉末的质量比为(1-3):1:1；其中，碳化物为碳化钨、碳化钼或碳化钒。
3.根据权利要求1所述的界面强化Ti-Ni基梯度材料的净成形方法，其特征在于，所述第一凹凸结构和第二凹凸结构中，凹凸的最大高度幅度皆为0.2-0.3mm，凹凸的间隔皆为2.5-6.5mm。
4.根据权利要求1所述的界面强化Ti-Ni基梯度材料的净成形方法，其特征在于，夹层平层的层厚为0.2-0.5mm。
5.根据权利要求1所述的界面强化Ti-Ni基梯度材料的净成形方法，其特征在于，制备钛合金薄壁件的的工艺参数为：激光功率1400-1800W，扫描速率4.0-8.0mm/s，送粉速率6.0-9.0g/min，单层提升量0.50mm。
6.根据权利要求1所述的界面强化Ti-Ni基梯度材料的净成形方法，其特征在于，间隔单道沉积钛合金粉末的工艺参数为：激光功率1300-1700W，扫描速率3.0-6.0mm/s，送粉速率3.0-6.0g/min，单层提升量0.25mm，各单道间的中心距为2.5-6.5mm。
7.根据权利要求1所述的界面强化Ti-Ni基梯度材料的净成形方法，其特征在于，在钛合金薄壁件上表面的凹陷部，沿纵向沉积夹层混合粉末的工艺参数为：激光功率1300-1700W，扫描速率4.0-8.0mm/s，送粉速率3.0-5.0g/min，单层提升量0.25mm，各单道间的中心距为2.5-6.5mm。
8.根据权利要求1所述的界面强化Ti-Ni基梯度材料的净成形方法，其特征在于，夹层平层的工艺参数为：激光功率1500-1900W，扫描速度5.0-9.0mm/s，送粉量3.0-7.0g/min，单层提升量0.20-0.50mm。
9.根据权利要求1所述的界面强化Ti-Ni基梯度材料的净成形方法，其特征在于，间隔单道沉积夹层混合粉末的工艺参数为：激光功率1300-1700W，扫描速率4.0-8.0mm/s，送粉速率3.0-5.0g/min，单层提升量0.25mm，各单道间的中心距为2.5-6.5mm。
10.根据权利要求1所述的界面强化Ti-Ni基梯度材料的净成形方法，其特征在于，在夹层平层上表面的凹陷部，沿纵向沉积镍基合金粉末的工艺参数为：激光功率1200-1600W，扫描速率7.0-11.0mm/s，送粉速率3.0-7.0g/min，单层提升量0.25mm，各单道间的中心距为2.5-6.5mm。
11.根据权利要求1所述的界面强化Ti-Ni基梯度材料的净成形方法，其特征在于，制备镍基合金薄壁件的的工艺参数为：激光功率1300-1700W，扫描速度8.0-12.0mm/s，送粉量6.0-10.0g/min，单层提升量0.5mm。
12.一种飞机发动机整体叶盘，其特征在于，通过权利要求1-11中任意一项所述的界面强化Ti-Ni基梯度材料的净成形方法制得。
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Application publication date: 20211217 Assignee: Jiangsu Xiangyun Titanium Alloy New Materials Co.,Ltd. Assignor: NANJING University OF TECHNOLOGY Contract record no.: X2024980000992 Denomination of invention: Net Forming Method and Application of Interface Strengthening Ti Ni Based Gradient Materials Granted publication date: 20220426 License type: Common License Record date: 20240119 |