CN113927043B - 一种制备Ti-55531高强高韧钛合金3D打印-锻造结合件的方法 - Google Patents

一种制备Ti-55531高强高韧钛合金3D打印-锻造结合件的方法 Download PDF

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Abstract

本申请公开了一种制备Ti‑55531高强高韧钛合金3D打印‑锻造结合件的方法、Ti‑55531高强高韧钛合金3D打印‑锻造结合件及航空器，包括以下步骤：①取Ti‑55531合金粉末；②基板预热；③将Ti‑55531合金粉末粉末刮到成型区域；④激光选区熔化加工，逐层烧结形成Ti‑55531合金烧结块体；⑤将Ti‑55531合金烧结块体进行模锻，形成Ti‑55531高强高韧钛合金3D打印‑锻造结合件。本申请通过选区激光熔化(SLM)、模锻、退火等方式提高其致密度、强度和塑性，提高综合力学性能。

Description

一种制备Ti-55531高强高韧钛合金3D打印-锻造结合件的方法
技术领域
本申请涉及一种制备Ti-55531高强高韧钛合金3D打印-锻造结合件的方法、Ti-55531高强高韧钛合金3D打印-锻造结合件及航空器。
背景技术
钛合金由于其高强度、良好的耐蚀性以及耐热性等特性被广泛的应用于航空航天领域中。目前，航空航天工业中所使用的结构件多采用锻造工艺制造。但是，这种传统工艺不仅加工工序长并且对于材料利用率仅达到10％-20％左右，提高了加工成本。近年来，激光增材制造技术为快速制造提供了一种全新的方法。增材制造技术使用金属粉末作为加工原料，粉末可以重复多次使用，原料利用率理论上可达90％以上。增材制造技术可以直接将金属粉末制造成为零部件，省去了传统工艺的大部分中间过程，因此有效缩短了加工周期，提升了零件的量产速度。选区激光熔化作为一种典型的增材制造，主要使用15-53μm的粉末。但是，金属粉末加工过程中会有大于这个范围的粉末生成，该范围内的粉末与选区激光熔化技术不匹配从而导致材料浪费。
申请内容
基于上述问题，本申请提供一种制备Ti-55531高强高韧钛合金3D打印-锻造结合件的方法，通过选区激光熔化(SLM)、模锻、退火等方式提高其致密度、强度和塑性，提高综合力学性能，解决了大于53μm的粉末的不匹配的问题。
技术方案是：一种制备Ti-55531高强高韧钛合金3D打印-锻造结合件的方法，包括以下步骤：
①取Ti-55531合金粉末；
②基板预热；
③将Ti-55531合金粉末粉末刮到成型区域；
④激光选区熔化加工，逐层烧结形成Ti-55531合金烧结块体；
⑤将Ti-55531合金烧结块体进行模锻，形成Ti-55531高强高韧钛合金3D打印-锻造结合件。
在本申请的一个或多个具体地实施方式中，所述逐层烧结的层数为300-500层，单层层厚为60-80μm。
在本申请的一个或多个具体地实施方式中，所述Ti-55531合金粉末的粒径为45-75μm。
在本申请的一个或多个具体地实施方式中，所述④中，逐层烧结激光功率为150-200W，扫描间距为100-130μm，stripe扫描策略。
在本申请的一个或多个具体地实施方式中，所述⑤中，模锻工艺为：750-950℃保温1-10h，模锻锤击打。
在本申请的一个或多个具体地实施方式中，所述模锻锤击打时，沿Ti-55531合金烧结块体沉积方向上下锤击打。
在本申请的一个或多个具体地实施方式中，所述沉积方向上下锤击打为12次，上下各锤击6次。
第二方面，本申请还提供一种Ti-55531高强高韧钛合金3D打印-锻造结合件。
技术方案是：一种Ti-55531高强高韧钛合金3D打印-锻造结合件，所述T i-55531高强高韧钛合金3D打印-锻造结合件由上述的制备Ti-55531高强高韧钛合金3D打印-锻造结合件的方法制备而成。
第三方面，本申请还提供一种航空器。
技术方案是：一种航空器，该航空器包括上述的Ti-55531高强高韧钛合金3D打印-锻造结合件。
在本申请的一个或多个具体地实施方式中，所述航空器为飞机。
申请原理及有益效果：
本申请将选区激光熔化与锻造技术相结合，通过Ti-55531钛合金45-75μm的粉末，进行增材制造。随后将增材制造的样品进行模锻。通过将3D打印与锻造结合，缩短制造周期，提高钛合金的致密度，提高钛合金的综合力学性能，制造出达到锻造标准的成型件，解决了大于53μm的粉末的浪费问题。
附图说明
图1为实施例1工艺流程图；
图2是实施例1Ti-55531合金模锻件沉积方向的SEM图；
图3是实施例1Ti-55531合金模锻件进行退火热处理后的SEM图；
图4为实施例2工艺流程图；
图5是实施例2Ti-55531合金打印件沿沉积方向的OM图；
图6是实施例2进行热处理后Ti-55531合金打印块体的SEM图。
具体实施方式
下面将结合附图对本申请作进一步说明。
一种制备Ti-55531高强高韧钛合金3D打印-锻造结合件的方法，包括以下步骤：
①取Ti-55531合金粉末；
②基板预热；
③将Ti-55531合金粉末粉末刮到成型区域；
④激光选区熔化加工，逐层烧结形成Ti-55531合金烧结块体；
⑤将Ti-55531合金烧结块体进行模锻，形成Ti-55531高强高韧钛合金3D打印-锻造结合件。
在本申请的一个或多个具体地实施方式中，所述逐层烧结的层数为300-500层，单层层厚为60-80μm。
在本申请的一个或多个具体地实施方式中，所述Ti-55531合金粉末的粒径为60-75μm。
在本申请的一个或多个具体地实施方式中，所述④中，逐层烧结激光功率为150-200W，扫描间距为100-130μm，stripe扫描策略。
在本申请的一个或多个具体地实施方式中，所述⑤中，模锻工艺为：750-950℃保温1-10h，模锻锤击打。
在本申请的一个或多个具体地实施方式中，所述模锻锤击打时，沿Ti-55531合金烧结块体沉积方向上下锤击打。
在本申请的一个或多个具体地实施方式中，所述沉积方向上下锤击打为12次，上下各锤击6次。
基于上述的制备方法，本申请还提供一种Ti-55531高强高韧钛合金3D打印-锻造结合件，该Ti-55531高强高韧钛合金3D打印-锻造结合件由上述的方法制备而成。
基于上述的Ti-55531高强高韧钛合金3D打印-锻造结合件，本申请还提供一种航空器，该航空器包括上述的Ti-55531高强高韧钛合金3D打印-锻造结合件。
在本申请的一个或多个具体地实施方式中，航空器可以为飞机，也可以为其它的航空器。
实施例1
如图1，一种Ti-55531合金块体的制备方法，包括以下步骤：
①取60-75μm的Ti-55531合金粉末。
②基板预热150℃。
③利用软刮刀将Ti-55531合金粉末粉末刮到成型区域。
④激光选区熔化加工，逐层烧结形成Ti-55531合金烧结块体。层数为400层。
本步骤中，每层的加工参数一致，每层层厚为60-80μm，激光光斑尺寸为40μm，激光功率为150-200W，扫描间距为100-130μm，stripe扫描策略。
⑤将Ti-55531合金烧结块体进行模锻，形成Ti-55531合金模锻件。
本步骤中，模锻工艺为：870℃保温2h，模锻锤击打12次。模锻锤击时，沿Ti-55531合金烧结块体沉积方向(Z方向)上下各锤击6次，目的是为了提高样品致密度并且扭曲柱状晶减小取向性，各向力学性能趋于一致。
Ti-55531合金模锻件沉积方向的SEM图如图2。
⑥将Ti-55531合金模锻件进行退火热处理，形成Ti-55531高强高韧钛合金3D打印-锻造结合件。
本步骤中，退火热处理工艺为：790℃1.5h，空冷；600℃6h，空冷。即在相变点之下的两相区进行固溶，并在600℃进行时效。在保证晶粒不会过度生长的同时，获得了工业上广泛应用的双态组织，改善了力学性能，使得打印-锻造结合件的强度和塑性达到一个良好的匹配。
Ti-55531合金模锻件进行退火热处理后的SEM图如图3。
实施例2
如图4，一种Ti-55531合金块体的制备方法，包括以下步骤：
①取60-75μm的Ti-55531合金粉末。
②基板预热150℃。
③利用软刮刀将Ti-55531合金粉末粉末刮到成型区域。
④激光选区熔化加工，逐层烧结形成Ti-55531合金烧结块体。层数为400层。
本步骤中，每层的加工参数一致，每层层厚为60-80μm，激光光斑尺寸为40μm，激光功率为150-200W，扫描间距为100-130μm，stripe扫描策略。
Ti-55531合金打印件沿沉积方向的OM图如图5。
⑤将Ti-55531合金烧结块体进行退火热处理，形成Ti-55531合金块体。
本步骤中，退火热处理工艺为：790℃1.5h，空冷；600℃6h，空冷。
进行热处理后Ti-55531合金打印块体的SEM图如图6。
实施例3
取实施例1的Ti-55531高强高韧钛合金3D打印-锻造结合件和实施例2的Ti-55531合金块体分别进行性能测试，Ti-55531高强高韧钛合金3D打印-锻造结合件的致密度为99.95％(阿基米德法测试)，钛合金块B的致密度为96.59％(阿基米德法测试)。
实施例1的Ti-55531高强高韧钛合金3D打印-锻造结合件和实施例2的Ti-55531合金块体性能测试结果如下表1。
表1
Figure BDA0003308381090000071
Ti-55531高强高韧钛合金3D打印-锻造结合件的拉伸强度1250MPa，延伸率3.5％，断裂韧性30MPa·m1/2。Ti-55531合金块体的拉伸强度860MPa，延伸率2.3％，断裂韧性20MPa·m1/2。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (15)

1.一种制备Ti-55531高强高韧钛合金3D打印-锻造结合件的方法，包括以下步骤：
①取Ti-55531合金粉末，Ti-55531合金粉末的粒径>53μm；
②基板预热；
③将Ti-55531合金粉末刮到成型区域；
④激光选区熔化加工，逐层烧结形成Ti-55531合金烧结块体；
⑤将Ti-55531合金烧结块体进行模锻，形成Ti-55531高强高韧钛合金3D打印-锻造结合件。
2.根据权利要求1所述的制备Ti-55531高强高韧钛合金3D打印-锻造结合件的方法，其特征在于，所述逐层烧结的层数为300-500层，单层层厚为60-80μm。
3.根据权利要求1-2任一所述的制备Ti-55531高强高韧钛合金3D打印-锻造结合件的方法，其特征在于，所述Ti-55531合金粉末的粒径60-75μm。
4. 根据权利要求1-2任一所述的制备Ti-55531高强高韧钛合金3D打印-锻造结合件的方法，其特征在于，所述④中，逐层烧结激光功率为150-200 W，扫描间距为100-130 μm，stripe扫描策略。
5. 根据权利要求3所述的制备Ti-55531高强高韧钛合金3D打印-锻造结合件的方法，其特征在于，所述④中，逐层烧结激光功率为150-200 W，扫描间距为100-130 μm，stripe扫描策略。
6.根据权利要求1-2任一所述的制备Ti-55531高强高韧钛合金3D打印-锻造结合件的方法，其特征在于，所述⑤中，模锻工艺为：750-950℃保温1-10h，模锻锤击打。
7.根据权利要求3所述的制备Ti-55531高强高韧钛合金3D打印-锻造结合件的方法，其特征在于，所述⑤中，模锻工艺为：750-950℃保温1-10h，模锻锤击打。
8.根据权利要求4所述的制备Ti-55531高强高韧钛合金3D打印-锻造结合件的方法，其特征在于，所述⑤中，模锻工艺为：750-950℃保温1-10h，模锻锤击打。
9.根据权利要求5所述的制备Ti-55531高强高韧钛合金3D打印-锻造结合件的方法，其特征在于，所述⑤中，模锻工艺为：750-950℃保温1-10h，模锻锤击打。
10.根据权利要求1-2任一所述的制备Ti-55531高强高韧钛合金3D打印-锻造结合件的方法，其特征在于，所述模锻锤击打时，沿Ti-55531合金烧结块体沉积方向上下锤击打。
11.根据权利要求3所述的制备Ti-55531高强高韧钛合金3D打印-锻造结合件的方法，其特征在于，所述模锻锤击打时，沿Ti-55531合金烧结块体沉积方向上下锤击打。
12.根据权利要求10所述的制备Ti-55531高强高韧钛合金3D打印-锻造结合件的方法，其特征在于，所述沉积方向上下锤击打为12次，上下各锤击6次。
13.一种Ti-55531高强高韧钛合金3D打印-锻造结合件，其特征在于，所述Ti-55531高强高韧钛合金3D打印-锻造结合件由权利要求1-12任一所述的制备Ti-55531高强高韧钛合金3D打印-锻造结合件的方法制备而成。
14.一种航空器，其特征在于，该航空器包括权利要求13所述的Ti-55531高强高韧钛合金3D打印-锻造结合件。
15.根据权利要求14所述的航空器，其特征在于，该航空器为飞机。
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