CN113957287A - 用于选区激光熔化的TiAl-(Sn-xAl)合金及制备 - Google Patents
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Abstract
本发明属于增材制造技术领域，具体涉及一种用于选区激光熔化的TiAl‑(Sn‑xAl)合金及制备，该合金的包括：TiAl基预合金粉和Sn‑xAl预合金粉末；Sn‑xAl预合金粉末的添加量占总质量的0.2～10wt.％；Sn‑xAl预合金粉末中的Sn与Al的质量比为80～90：10～20。本发明的合金具有制备工艺简单、流程短，对设备要求较低，且合金成分易于控制。通过加入Sn‑xAl合金对于TiAl基合金有卓越的润湿性，能够改善TiAl基合金在快速凝固过程中的孔隙等缺陷，进而提升选区激光熔化TiAl基合金的致密度，使得到的TiAl‑(Sn‑xAl)合金组织易于控制，力学性能优异。
Description
技术领域
本发明属于增材制造技术领域，具体涉及一种用于选区激光熔化的TiAl-(Sn-xAl)合金粉末的制备方法及制品。
背景技术
TiAl基合金具有轻质、高强、耐热、优异的抗高温氧化及抗蠕变性能，是一类介于镍基、钴基高温合金和高级陶瓷材料之间理想的高温结构材料。目前TiAl基合金主要应用于航空发动机和汽车工业领域，随着TiAl基合金的进一步发展，其应用领域不断扩大。选区激光熔化增材制造不使用模具或者夹具，成形件的结构、形状以及复杂程度不受限制，可以显著缩短生产周期，提高原料利用率，降低制造成本。同时增材制造的快速凝固过程使得晶粒细小，综合力学性能优异，特别适合高强度、难熔金属以及复杂构件的近净成形。因此，选区激光熔化技术在制造高性能复杂结构TiAl合金构件方面拥有巨大优势。
然而在TiAl基合金粉末的选区激光熔化制造过程中，发现选区激光熔化成形TiAl基合金样品极易出现开裂、孔隙等，制造难度较大，因此国内外主要围绕工艺优化开展了初步探索。
发明内容
本发明公开了一种用于选区激光熔化的TiAl-(Sn-xAl)合金及制备，以解决现有技术的上述技术问题以及其他潜在问题中的任意问题。
为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是：一种用于选区激光熔化的TiAl-(Sn-xAl)合金，所述合金的包括：TiAl基预合金粉和Sn-xAl预合金粉末；所述Sn-xAl预合金粉末的添加量占Sn-xAl预合金粉末和TiAl基预合金粉末总质量的0.2～10wt.％；
所述Sn-xAl预合金粉末中的Sn与Al的质量比为80～90：10～20。
进一步，所述的Sn-xAl合金对于TiAl基体的润湿角小于20°。
进一步，所述TiAl基预合金粉末的各个组分的原子比：Al：40～50at.％，Nb：1～10at.％，Cr：1～4at.％，微合金化元素总含量为0～2at.％，余量为Ti。
进一步，所述微合金化元素为W、B、Y、V中的任一种或多种。
本发明的另一目的是提供一种采用上述的TiAl-(Sn-xAl)合金的制备合金块的方法，具体包括以下步骤：
S1：将TiAl基预合金粉末与所述Sn-xAl预合金粉末按照一定比例混合均匀，得到混合粉末；
S2：预扩散处理，将步骤S1中的所述混合粉末在在真空度低于1×10-3Pa的环境中进行预扩散处理；
S3：筛分，将经过步骤S2预扩散处理后的混合粉末通过球磨机进行研磨筛分，得到低于-200目的TiAl-(Sn-xAl)合金粉末。
S4：将S3得到的TiAl-(Sn-xAl)合金粉末进行铺粉，进行激光扫描处理制得TiAl-(Sn-xAl)合金试块。
进一步，所述S3的具体工艺为：工艺参数设置为激光功率为100-220W,扫描速度为600-1400mm/s，扫描间距为100-140μm，铺粉层厚为30-60μm。
进一步，所述TiAl-(Sn-xAl)合金试块的致密度不低于98％，室温下抗压强度不低于1600MPa，压缩率不低于5.00％。
本发明的有益效果是：由于采用上述技术方案，本发明的合金具有制备工艺简单、流程短，对设备要求较低，且合金成分易于控制。通过加入Sn-xAl合金对于TiAl基合金有卓越的润湿性，能够改善TiAl基合金在快速凝固过程中的孔隙等缺陷，进而提升选区激光熔化TiAl基合金的致密度，使得到的TiAl-(Sn-xAl)合金组织易于控制，力学性能优异。
具体实施方式
下面将描述本公开的示例性实施方式。应当理解，本公开可以以各种形式实现而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。
本发明一种用于选区激光熔化的TiAl-(Sn-xAl)合金，所述合金的包括：TiAl基预合金粉和Sn-xAl预合金粉末；所述Sn-xAl预合金粉末的添加量占Sn-xAl预合金粉末和TiAl基预合金粉末总质量的0.2～10wt.％；
所述Sn-xAl预合金粉末中的Sn与Al的质量比为80～90：10～20。
所述的Sn-xAl合金对于TiAl基体的润湿角小于20°。
所述TiAl基预合金粉末的各个组分的原子比：Al：40～50at.％，Nb：1～10at.％，Cr：1～4at.％，微合金化元素总含量为0～2at.％，余量为Ti。
所述微合金化元素为W、B、Y、V中的任一种或多种。
一种制备上述的TiAl-(Sn-xAl)合金粉末的制备合金的方法，该方法具体包括以下步骤：
S1：将TiAl基预合金粉末与所述Sn-xAl预合金粉末按照一定比例混合均匀，得到混合粉末；
S2：预扩散处理，将步骤S1中的所述混合粉末在真空环境中进行预扩散处理；
S3：筛分，将经过步骤S2预扩散处理后的混合粉末通过球磨机进行研磨筛分，得到低于-200目的TiAl-(Sn-xAl)合金粉末；
S4：将S3得到的TiAl-(Sn-xAl)合金粉末进行铺粉，进行激光扫描处理制得TiAl-(Sn-xAl)合金块。
所述S2)中的真空环境的真空度低于1×10-3Pa。
所述S3)的具体工艺为：工艺参数设置为激光功率为100-220W,扫描速度为600-1400mm/s，扫描间距为100-140μm，铺粉层厚为30-60μm。
所述TiAl-(Sn-xAl)合金试块的致密度不低于98％，室温下抗压强度不低于1600MPa，压缩率不低于5.00％。
实施例1：
S1：以-500目Ti-45Al-8.5Nb-0.5(B,W,Y)(含义为按原子百分比计Al45％，Nb8.5％，B,W和Y合计含量为0.5％，余量为Ti，下同)预合金粉末为原料，添加-400目Sn-10Al合金粉末作为添加剂，Sn-10Al粉末的添加量为4wt.％；将上述两种粉末均匀混合。
S2：将S1得到的混合粉末在1×10-3Pa的真空条件下进行预扩散处理，然后进行研磨筛分，得到TiAl-(Sn-10Al)合金粉末。
S3：将S2制得的TiAl-(Sn-10Al)合金粉末用于选区激光熔化实验，工艺参数设置为激光功率为220W,扫描速度为1350mm/s，扫描间距为120μm，铺粉层厚为30μm，制得TiAl-(Sn-10Al)合金试块。
需要说明的是，实施例1中在制备TiAl-(Sn-10Al)合金之前对Sn-10Al合金进行润湿实验，具体过程为：以-500目Ti-45Al-8.5Nb-0.5(B,W,Y)预合金粉末和研磨筛分后的-400目Sn-10Al合金粉末为原料，分别装入钢模单向压制成生料坯，然后分别于1450℃和1100℃烧制得到TiAl合金块和Sn-10Al合金块。之后将Sn-10Al合金块切为Φ2×3mm的尺寸，然后放置在尺寸为Φ20×3mm的TiAl合金块上进行润湿实验。润湿工艺为：从50℃开始，以5℃/min升温至1200℃，保温60min。
实施例2：
S1：以-200目的Ti-48Al-2Cr-2Nb预合金粉末为原料，添加-325目的Sn-12Al粉末，Sn-12Al粉末的添加量为6wt.％；将上述两种粉末均匀混合。
S2：将S1得到的混合粉末在1×10-3Pa的真空条件下进行预扩散处理，然后进行研磨筛分，得到TiAl-(Sn-12Al)合金粉末。
S3：将S2制得的TiAl-(Sn-12Al)合金粉末用于选区激光熔化实验，工艺参数设置为激光功率为180W,扫描速度为1100mm/s，扫描间距为100μm，铺粉层厚为40μm，制得TiAl-(Sn-12Al)合金试块。
需要说明的是，实施例2中在制备TiAl-(Sn-12Al)合金之前对Sn-12Al合金进行润湿实验，具体过程为：以-200目Ti-48Al-2Cr-2Nb预合金粉末和研磨筛分后的-325目Sn-12Al合金粉末为原料，分别装入钢模双向压制成生坯，然后分别于1430℃和1000℃烧制得到TiAl合金块和Sn-12Al合金块。之后将Sn-12Al合金块切为Φ3×4mm尺寸，然后放置在尺寸为Φ18×2mm的TiAl合金块上进行润湿实验。润湿工艺为：从50℃开始，以4℃/min升温至1250℃，保温30min。
实施例3：
S1：以-300目Ti-45Al-5Nb预合金粉末为原料，添加-325目的Sn-15Al粉末，Sn-15Al粉末的添加量为3.5wt.％；将上述两种粉末均匀混合。
S2：将S1得到的混合粉末在1×10-3Pa的真空条件下进行预扩散处理，然后进行研磨筛分，得到TiAl-(Sn-15Al)合金粉末。
S3：将S2制得的TiAl-(Sn-15Al)合金粉用于选区激光熔化实验，工艺参数设置为激光功率为140W,扫描速度为900mm/s，扫描间距为140μm，铺粉层厚为30μm，制得TiAl-(Sn-15Al)合金试块。
需要说明的是，实施例3中在制备TiAl-(Sn-15Al)合金之前对Sn-15Al合金进行润湿实验，具体过程为：以-300目Ti-48Al-2Cr-2Nb预合金粉末和研磨筛分后的-325目Sn-12Al合金粉末为原料，分别装入钢模双向压制成生坯，然后分别于1380℃和1050℃烧制得到TiAl合金块和Sn-15Al合金块。之后将Sn-15Al合金块切为Φ4×6mm尺寸，然后放置在尺寸为Φ20×8mm的TiAl合金块上进行润湿实验。润湿工艺为：从50℃开始，以7℃/min升温至1100℃，保温40min。
实施例4：
S1：以-400目Ti-47Al-2Cr-2Nb预合金粉末为原料，添加-325目的Sn-20Al粉末，Sn-20Al粉末的添加量为9.5wt.％；将上述两种粉末均匀混合。
S2：将S1得到的混合粉末在1×10-3Pa的真空条件下进行预扩散处理，然后进行研磨筛分，得到TiAl-(Sn-20Al)合金粉末。
S3：将S2制得的TiAl-(Sn-20Al)合金粉用于选区激光熔化实验，工艺参数设置为激光功率为100W,扫描速度为600mm/s，扫描间距为120μm，铺粉层厚为40μm，制得TiAl-(Sn-20Al)合金试块。
需要说明的是，实施例3中在制备TiAl-(Sn-20Al)合金之前对Sn-20Al合金进行润湿实验，具体过程为：以-400目Ti-48Al-2Cr-2Nb预合金粉末和研磨筛分后的-325目Sn-20Al合金粉末为原料，分别装入钢模双向压制成生坯，然后分别于1400℃和1080℃烧制得到TiAl合金块和Sn-20Al合金块。之后将Sn-20Al合金块切为Φ3×5mm尺寸，然后放置在尺寸为Φ19×5mm的TiAl合金块上进行润湿实验。润湿工艺为：从50℃开始，以6℃/min升温至1200℃，保温50min。
以下将对采用实施例1～4中制备方法制得的选区激光熔化TiAl-(Sn-xAl)合金制品与采用传统制备工艺制得的选区激光熔化TiAl基合金制品进行性能对比实验。
一、实验对象
实施例1～4中制备得到的选区激光熔化TiAl-(Sn-xAl)合金制品以及对比实施例1～3中制备得到的选区激光熔化TiAl基合金制品，其中：
对比实施例1：
以-400目Ti-45Al-8.5Nb-0.5(B,W,Y)预合金粉末为原料，将粉末用于选区激光熔化实验，工艺参数设置为激光功率为220W,扫描速度为1200mm/s，扫描间距为120μm，铺粉层厚为40μm，得到TiAl基合金制品。
对比实施例2：
以-400目Ti-47Al-2Cr-2Nb预合金粉末为原料，将粉末用于选区激光熔化实验，工艺参数设置为激光功率为180W,扫描速度为1000mm/s，扫描间距为140μm，铺粉层厚为30μm，得到TiAl基合金制品。
对比实施例3：
以-400目Ti-48Al-2Cr-2Nb预合金粉末为原料，将粉末用于选区激光熔化实验，工艺参数设置为激光功率为140W,扫描速度为900mm/s，扫描间距为100μm，铺粉层厚为30μm，得到TiAl基合金制品。
二、实验方法
采用现有技术的常规检查方法对实施例1～4以及对比实施例1～3制备得到的制品进行性能测定。
性能检测：
(1)相对密度测试：对实施例1～4以及对比实施例1～3制备得到的制品分别进行相对密度测定。
(2)力学性能测试：对实施例1～4以及对比实施例1～3制备得到的制品分别进行室温抗拉强度、屈服强度和压缩率测定。
三、试验结果
对实施例1～4以及对比实施例1～3的实验结果进行汇总，详见表1。
表1实施例1～4和对比实施例1～3制备得到制品的性能对比
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
Claims (8)
1.一种用于选区激光熔化的TiAl-(Sn-xAl)合金，其特征在于，所述合金的包括：TiAl基预合金粉和Sn-xAl预合金粉末；所述Sn-xAl预合金粉末的添加量占Sn-xAl预合金粉末和TiAl基预合金粉末总质量的0.2～10wt.％；
所述Sn-xAl预合金粉末中的Sn与Al的质量比为80～90：10～20。
2.根据权利要求1所述的合金，其特征在于，所述TiAl基预合金粉末的各个组分的原子比：Al：40～50at.％，Nb：1～10at.％，Cr：1～4at.％，微合金化元素总含量为0～2at.％，余量为Ti。
3.根据权利要求2所述的合金，其特征在于，所述微合金化元素为W、B、Y、V中的任一种或多种。
4.一种采用如权利要求1-3任意一项所述的TiAl-(Sn-xAl)合金粉末的制备合金块的方法，其特征在于，该方法具体包括以下步骤：
S1：将TiAl基预合金粉末与所述Sn-xAl预合金粉末按照一定比例混合均匀，得到混合粉末；
S2：预扩散处理，将步骤S1中的所述混合粉末在真空环境中进行预扩散处理；
S3：筛分，将经过步骤S2预扩散处理后的混合粉末通过球磨机进行研磨筛分，得到低于-200目的TiAl-(Sn-xAl)合金粉末；
S4：将S3得到的TiAl-(Sn-xAl)合金粉末进行铺粉，进行激光扫描处理制得TiAl-(Sn-xAl)合金块。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述S1)中的Sn-xAl预合金粉末对于TiAl基体的润湿角小于20°。
6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述S2)中的真空环境的真空度低于1×10-3Pa。
7.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述S3)的具体工艺为：工艺参数设置为激光功率为100-220W,扫描速度为600-1400mm/s，扫描间距为100-140μm，铺粉层厚为30-60μm。
8.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述TiAl-(Sn-xAl)合金试块的致密度不低于98％，室温下抗压强度不低于1600MPa，压缩率不低于5.00％。
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