CN114346255A

CN114346255A - 用于调控定向能量增材制造钛合金零件的微观组织的方法

Info

Publication number: CN114346255A
Application number: CN202111278497.XA
Authority: CN
Inventors: 梁祖磊; 刘志琪; 王健; 李永华; 陈小龙
Original assignee: Shangi Institute For Advanced Materials Nanjing Co ltd
Current assignee: Shangi Institute For Advanced Materials Nanjing Co ltd
Priority date: 2021-10-30
Filing date: 2021-10-30
Publication date: 2022-04-15
Anticipated expiration: 2041-10-30
Also published as: CN114346255B

Abstract

本发明提供一种用于调控定向能量增材制造钛合金零件的微观组织的方法，可精确调控激光激光扫描间距和熔覆层厚来降低钛合金成型过程中的能量密度，使部分金属粉末不熔，从而将这些未熔的金属粉末在凝固过程中作为形核质点。本发明的方法通过工艺调控来改善钛合金在定向能量沉积过程中的热条件，降低激光定向能量沉积的能量密度，进而改善钛合金的晶粒形貌，避免了粗大的柱状晶，达到改善定向能量沉积钛合金微观组织的目的。

Description

用于调控定向能量增材制造钛合金零件的微观组织的方法

技术领域

本发明涉及金属零件增材制造技术领域，具体而言涉及一种用于调控定向能量增材制造钛合金零件的微观组织的方法。

背景技术

定向能量沉积主要采用激光、电弧、等离子、电子束等能量源对金属粉末或丝材进行加热，逐层制造获得零件，但不管光源和制品形式如何改变，其凝固过程的冶金特征基本相同：金属微区在集中热源的作用下被快速加热，急冷快速凝固，随后逐层沉积过程中历经多周期、变循环、剧烈加热和冷却，相邻层或几层发生循环重熔冷却，其它熔覆层晶粒则被循环微热处理，而循环重熔和微热处理，导致了增材制造金属构件的显微组织结构独特。以钛合金为例，其晶粒垂直于基板界面生长成粗大的原始β晶粒，即柱状晶，仅在底部和顶部出现少量等轴或细小晶粒，形成极不均匀的组织特征，这种粗大组织在能量密度更高的电子束、电弧增材工艺中，甚至发展成为贯穿柱状晶，与传统的组织有较大差异，尽管其强度比铸造钛合金高，但是综合性能仍存在问题。

添加增强相或合金化元素是实现柱状晶向等轴晶转变的潜在途径。美国Banerjee等利用定向能量沉积工艺成功制备出Ti-TiB和Ti6Al4V-TiB复合材料，TiB增强体可以均匀分布在沉积态合金内，并可以在一定程度上细化组织。法国S.Pouzet等通过混合Ti6Al4V合金粉末与B4C化合物粉末制备了TiC+TiB增强钛基复合材料薄壁件，对比直接沉积合金，增强相强化了晶界，促进了晶粒形核，组织得到细化。然而，增强相或其他元素引入改变了合金的原有成分，性能缺乏大量验证，增加了应用风险。

还有学者尝试将塑性变形引进增材制造过程，以获得所需要的细晶组织和性能。国内华中科技大学张海鸥教授开发了以电弧、等离子束为热源的智能微铸锻铣复合制造技术，该技术取得了一定的效果，组织细化效果明显。燕山大学席明哲等人采用连续点式锻压的方式进行沉积组织的调控，采用冷锻并利用重熔时产生的热发生二次再结晶，该方法对组织产生了一定的效果，但从纤维组织来看原始的晶粒仍有一定程度的保留。但引入大塑性变形增加了定向能量沉积工艺的工序，生产效率大大降低，且增加了生产成本。

公开号为CN113414405A的中国专利公开了一种调节激光增材制造晶粒形貌的方法，该方法通过多参数的组合，在增材制造过程中，交替使用不同的增材制造参数，使得熔池内部的等轴晶粒被部分保留而不被重熔，解决了单一沉积参数下难以制备等轴晶组织或制备的组织中含有部分等轴晶，但等轴晶体积分数难以控制的问题，该方法无需添加其他设备即能够实现激光增材制造金属构件内部晶粒形貌从柱状晶粒到等轴晶粒的调控。但利用预热的方法调控增材制造过程中的温度梯度，预热较低时对组织调控的效果不明显，预热温度较高时会使设备内部温度升高，造成水电气元件的造成损害，且对所需制备的产品尺寸有要求，更适合薄壁件，当产品不是薄壁产品时，其中心部分的热量将主要通过热传导的方式向温度较低的基板传输，温度梯度控制难度增加，组织控制难度增加，难以得到所需组织的钛合金产品。

发明内容

本发明目的在于针对现有技术的不足，提供一种用于调控定向能量增材制造钛合金零件的微观组织的方法，该方法通过工艺调控来改善钛合金在定向能量沉积过程中的热条件，降低激光定向能量沉积的能量密度，进而改善钛合金的晶粒形貌，避免了粗大的柱状晶，达到改善定向能量沉积钛合金微观组织的目的。

为实现上述目的，本发明第一方面提出一种用于调控定向能量增材制造钛合金零件的微观组织的方法，包括以下步骤：

步骤1、以钛合金粉末作为打印粉末，在激光扫描速度V_t和初始送粉速率V₀的条件下，通过单道试验，确定在熔道宽度W与激光斑点直径相同时对应的激光功率P与熔道高度H；

步骤2、根据S1的熔道宽度W与熔道高度H，确定增材制造的激光扫描间距D以及熔覆层的期望层厚T；

其中，所述激光扫描间距D被设置成按照公式(1)计算：

D＝W*(1-R₁) (1)

式中：R₁为横向搭接率；

所述熔覆层的期望层厚T被设置成按照公式(2)计算：

T＝H*(1-R₂) (2)

式中：R₂为纵向搭接率；

步骤3、按照S1中确定的激光功率P，以及S2中确定的激光扫描间距D，并在激光扫描速度V_t和初始送粉速率V₀下，进行激光熔覆增材制造，从第1层开始以向上生长的方式逐层沉积，直到沉积最后一层第m层，获得钛合金成型件；

其中，在第1层至第m层沉积的过程中，在每一层沉积完成后，均计算当前层的层厚与期望层厚T的偏差，以确定当前层的送粉速度与期望达到期望厚度T的送粉速度的偏差，然后根据当前层的层厚与期望层厚T的偏差以及当前层的送粉速度与期望达到期望厚度T的送粉速度的偏差，调整下一层沉积的送粉速度，直到在第k层的层厚与期望层厚的偏差为0，则在从第k+1层开始至第m层的沉积过程中，均以第i层的送粉速度进行送粉。

优选地，在步骤3中，根据当前层的层厚与期望层厚T的偏差以及当前层的送粉速度与期望达到期望厚度T的送粉速度的偏差，调整下一层沉积的送粉速度，包括：

根据当前层的层厚T_i与期望层厚T的偏差计算每一层的送粉速度估算值V_i’：

V_i’＝(T-T_i)*V_i

其中，V_i表示第i层的送粉速度，T_i表示第i层的层厚；i＝1,2,3,…,m；第一层沉积的送粉速度V₁取值为V₀；

根据每一层的送粉速度估算值V调整下一层沉积的送粉速度V_i+1：

如果V_i’＜αV_i，则V_i+1＝αV_i；

如果V_i’＞βV_i，则V_i+1＝βV_i；

如果αV_i≤V_i’≤βV_i，则V_i+1＝V_i’；

其中，α、β分别表示送粉速度偏差的允许最小系数和允许最大系数。

优选地，所述横向搭接率R₁满足：R₁≥40％；所述纵向搭接率R₂取值为25％～35％。

优选地，所述送粉速度偏差的允许最小系数α取值为0.5；送粉速度偏差的允许最小系数β取值为2。

优选地，在激光熔覆沉积过程中，每一层熔覆完成后的停留时间为t大于30s，并且t取值为1/2t_i，t_i为第i层的熔覆时间。

优选地，所述激光扫描速度V_t为120～1500mm/min，初始送粉速率V₀为(0.5～5.0)×ρ g/min，其中，ρ为块体材料的理论密度，单位为g/cm³。

优选地，所述激光功率P为200～2000W，激光斑点直径为0.5～5.0mm。

优选地，所述钛合金粉末的球形度大于0.90，粒度范围为53～250μm。

优选地，在激光熔覆沉积过程中，每一层的熔覆层的宽度大于等于30mm，避免出现激光对微区持续加热的情况。

优选地，在激光熔覆沉积过程中，当沉积预定高度的沉积高度后，调整激光头与最上层熔覆层的相对高度至初始值，以减少累积误差。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1、本发明提出的用于调控定向能量增材制造钛合金零件的微观组织的方法，通过调控激光激光扫描间距和熔覆层厚的偏差，修正送粉速度，来降低钛合金成型过程中的能量密度，使部分钛合金粉末在送粉过程中受热不足，以固体的形式进入金属熔池中，直到激光离开，该部分未熔金属粉末仍然保持固体状态，因此，熔池在凝固过程中这些未熔的金属粉末可作为形核质点，避免了增材制造过程中因成分过冷不足导致的形核质点无法形成的问题，从而使熔池内部能够形成晶粒，抑制了熔池下方的晶粒沿熔池方向外延生长，形成柱状晶，改善了钛合金的晶粒形貌，且通过计算得到确切参数，条件更精准，同时又保证能量密度足够高，避免了因能量不足导致的孔洞缺陷问题，提高钛合金打印成型件的质量；

2、本发明的用于调控定向能量增材制造钛合金零件的微观组织的方法可应用至各种尺寸的钛合金产品，均可达到改善钛合金微观组织的目的，且不需要增加新的成分，以及新的生产工艺，同时不需要牺牲设备的使用寿命，在提高生产效率的同时，降低了生产成本；同时，通过前期计算即可精准调控，避免了多次试验，进一步提高了生产效率，降低生产成本，具有良好的应用前景。

附图说明

图1是根据本发明实施例的方法的打印过程的示意图，图中表示从第1层至第m层的逐层生长的示例，每一层在对应的送粉速度V_i下沉积获得对应的熔覆层，厚度为T_i表示。

图2是根据本发明实施例的方法中的单道熔覆的示意图。

图3是实施例1得到的TC4钛合金腐蚀后微观组织。

图4是实施例2得到的TC4钛合金腐蚀后微观组织。

图5是实施例3得到的TC4钛合金腐蚀后微观组织。

图6是对比例1得到的TC4钛合金腐蚀后微观组织。

图7是对比例2得到的TC4钛合金腐蚀后微观组织。

图8是对比例3得到的TC4钛合金腐蚀后微观组织。

图9是对比例4得到的TC4钛合金腐蚀后微观组织。

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。

本发明提供一种用于调控定向能量增材制造钛合金零件的微观组织的方法，通过调控激光激光扫描间距和熔覆层厚来降低钛合金成型过程中的能量密度，使部分金属粉末不熔，从而形成形核质点，改善钛合金的晶粒形貌，避免了粗大的柱状晶，提高钛合金成零件的质量。

调控定向能量增材制造钛合金零件的微观组织的方法

作为可选的示例，用于调控定向能量增材制造钛合金零件的微观组织的方法的具体通过以下过程实现：

其中，所述激光扫描间距D被设置成按照公式(1)计算：

D＝W*(1-R₁) (1)

式中：R₁为横向搭接率；

所述熔覆层的期望层厚T被设置成按照公式(2)计算：

T＝H*(1-R₂) (2)

式中：R₂为纵向搭接率；

结合图1、2所示，熔道宽度W与激光斑点直径相同，是指两者相等或者近似相等即可，即二者之间的尺寸误差控制在预定的范围内即可，例如误差在2％以内，此时激光的利用率较高。

在单道熔覆过程中，在激光作用下，基板会熔化一部分，基板熔化部分形成了重熔深度，因此，熔道高度即为熔覆层的高度与重熔深度之和。

虽然当送粉速率增加时，熔覆高度增加，重熔深度减少，但由于熔道高度仅与激光功率对应，熔覆高度和重熔深度的总和，即熔道高度基本不变。

结合图1，在步骤3中，根据当前层的层厚与期望层厚T的偏差以及当前层的送粉速度与期望达到期望厚度T的送粉速度的偏差，调整下一层沉积的送粉速度，包括：

V_i’＝(T-T_i)*V_i

如果V_i’＜αV_i，则V_i+1＝αV_i；

如果V_i’＞βV_i，则V_i+1＝βV_i；

如果αV_i≤V_i’≤βV_i，则V_i+1＝V_i’；

其中，α、β分别表示送粉速度偏差的允许最小系数和允许最大系数；

由此，确定下一层沉积的送粉速度。

在本发明的实施例中，尤其需要控制横向搭接率和纵向搭接率，以调控钛合金成型件的微观组织，使其更加均匀，提高性能和质量。

在本发明的实施例中，控制横向搭接率R₁≥40％，以及纵向搭接率R₂为25％～35％。

在本发明的实施例中，结合将在以下通过各个实施例的搭接率调控过程，由于横向搭接率为熔道与相邻熔道的重叠宽度占单一熔道宽度的比值，因此可通过控制熔道间距(即激光扫描间距D)来控制横向搭接率；纵向搭接率为熔覆层与相邻熔覆层重叠厚度占熔覆层厚的比值，因此可以通过控制控制纵向搭接率来调控熔覆厚度T。

在本发明的针对钛合金成型件的实际应用中，横向搭接率R₁优选范围为40％～50％。应当注意，如果横向搭接率太大，会导致工件表面出现不平整的情况，增加后续加工的处理难度以及加工效率，尤其导致加工量过大，造成制备效率降低和成本的增加。

在优选的实施例中，所述激光扫描速度V_t为120～1500mm/min，初始送粉速率V₀为(0.5～5.0)×ρg/min，其中，ρ为块体材料的理论密度，g/cm³。

应当理解，激光扫描速度V_t和初始送粉速率V₀可以根据钛合金材料的特定，例如采用 TC4钛合金粉末，通过前期多次试验或者经验获得，可根据实际情况进行配置与调控。

在优选的实施例中，所述钛合金粉末的球形度≥0.90，粒度范围为53～250μm，粒度范围尤其优选为75～180μm。

在优选的实施例中，在激光熔覆沉积过程中，每一层熔覆完成后的停留时间为t大于30s，并且t取值为1/2t_i，t_i为第i层的熔覆时间。

由于随着打印层数增加，熔覆表面的温度会逐渐增加，因此打印完成一层后，本发明设定激光停止工作一段时间，之后再开始打印下一层，这样有利于表面冷却，使不同高度的熔覆层的沉积条件大致相同，微观组织更加均匀。

在其他优选的实施例中，熔覆层的宽度≥30mm，避免出现激光对微区持续加热导致温度急剧增加的情况。

例如，每累积沉积5～30mm，调整激光头与最上层熔覆层表明的相对高度至初始值，以此保证激光的聚焦距离，从而保证沉积的精度。

前述的相对高度根据设备变化而变化，该距离根据打印过程设置。

为了便于更好的理解，下面结合具体实例对本发明进行进一步说明，但加工工艺不限于此，且本发明内容不限于此。

以下实施例和对比例使用以激光为热源的定向能量沉积设备，激光最高功率3000W，激光斑点直径2.5mm。

打印过程控制

结合图1所示，在从第1层之第m层的逐层生长沉积的过程中，每一层均在对应的送粉速度V_i下沉积获得对应的熔覆层，厚度为T_i表示。

基于所选择的粉末材料的单道熔覆的计算以及对增材制造的激光扫描间距D以及熔覆层的期望层厚T的控制，在打印过程中，首先在第1层沉积的时候，基于送粉速度V₁(V₁＝V₀) 进行打印，由于后续在打印沉积的过程中会不断调整，所以在确定初始送粉速率V₀时，通过试验、经验确定即可，不需要非常的精确或者趋于理想情况。

应当理解，送粉激光熔覆增材制造的工艺参数，包括激光参数以及送粉参数两方面。

在前处理的单道熔覆以及实际的第1层-第m层的沉积过程中，均以相同的激光工艺参数进行，即激光功率P以及激光扫描速度V_t不变，控制激光扫描间距D不变。

接下来，我们结合图1所示，第1层熔覆层送粉速度设定为初始送粉速率V₀，进行送粉和激光熔覆增材制造，获得第1层熔覆层，厚度为T₁。

此时，我们将对第1层的沉积情况进行评估和判断，即第1层熔覆层的厚度与单道熔覆确定的理想厚度T的偏差，并在此基础上评估当前第1层的送粉速度与期望达到期望厚度T 的送粉速度的偏差。

如果第1层熔覆层的厚度T₁＝T，则表明送粉理想，那么在接下来的第2层开始，直至第 m层的沉积均以第1层的送粉速度进行。

如果第1层熔覆层的厚度T₁与T存在偏差，则表明送粉不理想，需要进行调整。

则有，计算第1层熔覆层的送粉速度估算值V₁’：

V₁’＝(T–T₁)*V₁

然后，将第1层熔覆层的送粉速度估算值V₁’与当前层的送粉速度进行偏差估计。

即，判断V₁’与允许的送粉速度范围的偏差：

如果V₁’＜αV₁，则V₂＝αV₁；

如果V₁’＞βV₁，则V₂＝βV₁；

如果αV₁≤V₁’≤βV₁，则V₂＝V₁’；

由此，确定下一层即第2层沉积的送粉速度，实现对第2层送粉速度V₂的调整。

由于调控幅度较小时，送粉速度的准确度比较高，误差也在可接受的范围，但当送粉速率翻倍或者减半时，调控幅度比较大，调控的准确度下降，容易造成缺陷，因此，在本发明的实施例中，送粉速度偏差的允许最小系数α取值为0.5；送粉速度偏差的允许最小系数β取值为2。

继而，在同样的激光工艺参数下，以调整的送粉速度V₂，进行第2层熔覆层的沉积。沉积后的第2层熔覆层的厚度记为T₂。

此时，我们将继续按照前述的方式进行偏差评估，即首先判断第2层熔覆层的厚度T₂与 T的偏差，如果第2层熔覆层的厚度T₂＝T，则表明送粉理想，那么在接下来的第3层开始，直至第m层的沉积均以第2层的送粉速度进行。

否则，如果第2层熔覆层的厚度T₂与T存在偏差，则表明送粉不理想，需要进行调整。

则有，计算第2层熔覆层的送粉速度估算值V₂’：

V₂’＝(T–T₂)*V₂

然后，按照前述速度调整方式，将第2层熔覆层的送粉速度估算值V₂’与当前层的送粉速度进行偏差估计。

即：判断V₂’与允许的送粉速度范围的偏差：

如果V₂’＜αV₂，则V₃＝αV₂；

如果V₂’＞βV₂，则V₃＝βV₂；

如果αV₂≤V₂’≤βV₂，则V₃＝V₂’；

由此，确定下一层即第3层沉积的送粉速度，实现对第3层送粉速度V₃的调整。

接入，在同样的激光工艺参数下，以调整的送粉速度V₃，进行第3层熔覆层的沉积，获得第2层熔覆层，其厚度为T₃。

应当理解，对于第3层沉积的熔覆层和送粉速度，按照本发明的前述同样的方式，继续进行偏差判断以及送粉速度偏差估计，并在此基础上进行送粉速度的调整，直到完成增材制造的打印过程。

【实施例1】

步骤1：准备厚度15mm的TC4基板和规格75～180μm的TC4球形粉末。

步骤2：将TC4基板和激光头进行定位，设备密封，充纯净度为99.999％的氩气将设备内部氧含量降低至200ppm以下。

步骤3：设置扫描速度600mm/min，初始送粉速度4.5g/min，激光功率设置为1200W，进行单道试验，测得熔道宽度约2.8mm，熔道高度约0.7mm，其中熔覆层的高度约0.4mm。

步骤4：重复步骤1和步骤2，准备设备和TC4粉末。

步骤5：将激光功率设置为1200W，激光扫描间距设置为600mm/min，激光扫描间距设置为1.6mm(横向搭接率43％)，扫描策略为循环往复，并进行层间90°旋转，通过将实际熔覆层厚控制在0.50mm(纵向搭接率29％)，熔覆层尺寸设置为50×50mm，层间停留60s，共熔覆10层，得到尺寸为50×50×5mm的钛合金成型件。其中，在2-4层打印速度进行调控后，以稳定的速度打印直至最后成形。

对该钛合金成型件进行金相测试，结果如图3所示，从图中可以看出，当横向搭接率和纵向搭接率都在规定范围内时，制备的TC4微观组织可以发现较多的等轴晶(如图3中的A 部分)，且工件无明显制备缺陷。

【实施例2】

步骤1：准备厚度15mm的TC4基板和规格75～180μm的TC4球形粉末。

步骤4：重复步骤1和步骤2，准备设备和原料。

步骤5：将激光功率设置为1200W，激光扫描间距设置为600mm/min，激光扫描间距设置为1.68mm(横向搭接率40％)，扫描策略为循环往复，并进行层间90°旋转，通过将实际熔覆层厚控制在0.525mm(纵向搭接率25％)，熔覆层尺寸设置为50×50mm，层间停留60s，共熔覆10层，得到尺寸为50×50×5.3mm的钛合金成型件，其中，在2-4层打印速度进行调控后，以稳定的速度打印直至最后成形。

对该钛合金成型件进行金相测试，结果如图4所示，从图中可以看出，当横向搭接率为临界值，即40％时，纵向搭接率都在规定范围内最小值时，即25％时，制备的TC4微观组织几乎全部为等轴晶(如图4中的A部分)，但工件内部可以发现少量可接受的孔洞缺陷(如图4中的B部分)。

【实施例3】

步骤1：准备厚度15mm的TC4基板和规格75～180μm的TC4球形粉末。

步骤4：重复步骤1和步骤2，准备设备和原料。

步骤5：将激光功率设置为1200W，激光扫描间距设置为600mm/min，激光扫描间距设置为1.68mm(横向搭接率40％)，扫描策略为循环往复，并进行层间90°旋转，通过将实际熔覆层厚控制在0.455mm(纵向搭接率35％)，熔覆层尺寸设置为50×50mm，层间停留60s，共熔覆10层，得到尺寸为50×50×4.5mm的钛合金成型件。其中，在2-3层打印速度进行调控后，以稳定的速度打印直至最后成形。

对该钛合金成型件进行金相测试，结果如图5所示，从图中可以看出，当横向搭接率为临界值，即40％时，纵向搭接率都在规定范围内最大值时，即35％时，制备的TC4微观组织可以发现较多的等轴晶(如图5中的A部分)，工件无明显制备缺陷，但等轴晶已经有较明显的外延生长趋势。

【对比例1】

步骤1：准备厚度15mm的TC4基板和规格75～180μm的TC4球形粉末。

步骤4：重复步骤1和步骤2，准备设备和原料。

步骤5：将激光功率设置为1200W，激光扫描间距设置为1.8mm(横向搭接率35％)，扫描策略为循环往复，并进行层间90°旋转，通过将实际熔覆层厚控制在0.50mm(纵向搭接率 29％)，熔覆层尺寸设置为50×50mm，层间停留60s，共熔覆10层，得到尺寸为50×50×5mm 的钛合金成型件，本实施例中，调控2-5层的打印速度后，打印直至最后成形。

对该钛合金成型件进行金相测试，结果如图6所示，从图中可以看出，当横向搭接率低于40％时，而纵向搭接率在规定范围时，微观组织以柱状晶为主(如图6中的A部分)，含有少量等轴晶，工件无明显制备缺陷。

【对比例2】

步骤1：准备厚度15mm的TC4基板和规格75～180μm的TC4球形粉末。

步骤4：重复步骤1和步骤2，准备设备和原料。

步骤5：将激光功率设置为1200W，激光扫描间距设置为1.6mm(横向搭接率43％)，扫描策略为循环往复，并进行层间90°旋转，通过将实际熔覆层厚控制在0.60mm(纵向搭接率 14％)，熔覆层尺寸设置为50×50mm，层间停留60s，共熔覆10层，得到尺寸为50×50×6mm 的钛合金成型件。本实施例中，调控2-5层的打印速度后，打印直至最后成形。

对该钛合金成型件进行金相测试，结果如图7所示，从图中可以看出，当横向搭接率在规定范围内，纵向搭接率小于25％时，制备的TC4微观组织几乎全部为等轴晶(如图7中的 A部分)，但此时工件有大量明显制备缺陷(如图7中的B部分)。

【对比例3】

步骤1：准备厚度15mm的TC4基板和规格75～180μm的TC4球形粉末。

步骤4：重复步骤1和步骤2，准备设备和原料。

步骤5：将激光功率设置为1200W，激光扫描间距设置为1.8mm(横向搭接率35％)，扫描策略为循环往复，并进行层间90°旋转，通过将实际熔覆层厚控制在0.30mm(纵向搭接率 57％)，熔覆层尺寸设置为50×50mm，，层间停留60s，共熔覆10层，得到尺寸为50×50×3mm 的钛合金成型件。本实施例中，调控2-4层的打印速度后，打印直至最后成形。

对该钛合金成型件进行金相测试，结果如8所示，从图中可以看出，当横向搭接率小于 40％，纵向搭接率大于35％时，虽然工件无明显制备缺陷，但此时微观组织几乎全部为柱状晶(如图8中的A部分)。

【对比例4】

步骤1：准备厚度15mm的TC4基板和规格75～180μm的TC4球形粉末。

步骤4：重复步骤1和步骤2，准备设备和原料。

步骤5：将激光功率设置为1200W，激光扫描间距设置为1.8mm(横向搭接率35％)，扫描策略为循环往复，并进行层间90°旋转，通过将实际熔覆层厚控制在0.60mm(纵向搭接率 14％)，熔覆层尺寸设置为50×50mm，层间停留60s，共熔覆10层，得到尺寸为50×50×6mm 的钛合金成型件。本实施例中，调控2-4层的打印速度后，打印直至最后成形。

对该钛合金成型件进行金相测试，结果如图9所示，从图中可以看出，当横向搭接率小于40％，纵向搭接率小于25％时，虽然制备的TC4微观组织几乎全部为等轴晶(如图9中的 A部分)，但此时工件有大量明显制备缺陷(如图9中的B部分)。

由上可知，当纵向搭接率小于25％时，微观组织几乎全部为等轴晶，但工件出现孔洞等明显制备缺陷(如图7和图9所示)，制备缺陷将严重影响制品性能，这是由于纵向搭接率减小，纵向重熔厚度不足导致出现了孔洞。当横向搭接率小于40％，或纵向搭接率大于35％时，微观组织以柱状晶为主或者几乎全部为柱状晶(如图6和图8所示)。

从实施例和对比例的测试结果，可以看出，将横向搭接率控制在≥40％的范围内，同时控制纵向搭接率在25％～35％的范围内，可以避免粗大的柱状晶，改善钛合金的微观组织，同时，结合精确计算，不需要通过多次试验即可精确控制，使得微观组织性形态可控，并提高了钛合金零件的增材制造生产效率和质量。

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

1.一种用于调控定向能量增材制造钛合金零件的微观组织的方法，其特征在于，包括以下步骤：

其中，所述激光扫描间距D被设置成按照公式(1)计算：

D＝W*(1-R₁) (1)

式中：R₁为横向搭接率；

所述熔覆层的期望层厚T被设置成按照公式(2)计算：

T＝H*(1-R₂) (2)

式中：R₂为纵向搭接率；

2.根据权利要求1所述的用于调控定向能量增材制造钛合金零件的微观组织的方法，其特征在于，在步骤3中，根据当前层的层厚与期望层厚T的偏差以及当前层的送粉速度与期望达到期望厚度T的送粉速度的偏差，调整下一层沉积的送粉速度，包括：

V_i’＝(T-T_i)*V_i

如果V_i’＜αV_i，则V_i+1＝αV_i；

如果V_i’＞βV_i，则V_i+1＝βV_i；

如果αV_i≤V_i’≤βV_i，则V_i+1＝V_i’；

由此，确定下一层沉积的送粉速度。

3.根据权利要求1所述的用于调控定向能量增材制造钛合金零件的微观组织的方法，其特征在于，所述横向搭接率R₁满足：R₁≥40％；所述纵向搭接率R₂取值为25％～35％。

4.根据权利要求1所述的用于调控定向能量增材制造钛合金零件的微观组织的方法，其特征在于，所述送粉速度偏差的允许最小系数α取值为0.5；送粉速度偏差的允许最小系数β取值为2。

5.根据权利要求1所述的用于调控定向能量增材制造钛合金零件的微观组织的方法，其特征在于，在激光熔覆沉积过程中，每一层熔覆完成后的停留时间为t大于30s，并且t取值为1/2t_i，t_i为第i层的熔覆时间。

6.根据权利要求1所述的用于调控定向能量增材制造钛合金零件的微观组织的方法，其特征在于，所述激光扫描速度V_t为120～1500mm/min，初始送粉速率V₀为(0.5～5.0)×ρg/min，其中，ρ为块体材料的理论密度，单位为g/cm³。

7.根据权利要求1所述的用于调控定向能量增材制造钛合金零件的微观组织的方法，其特征在于，所述激光功率P为200～2000W，激光斑点直径为0.5～5.0mm。

8.根据权利要求1所述的用于调控定向能量增材制造钛合金零件的微观组织的方法，其特征在于，所述钛合金粉末的球形度大于0.90，粒度范围为53～250μm。

9.根据权利要求6所述的用于调控定向能量增材制造钛合金零件的微观组织的方法，其特征在于，在激光熔覆沉积过程中，每一层的熔覆层的宽度大于等于30mm。

10.根据权利要求1-10中任意一项所述的用于调控定向能量增材制造钛合金零件的微观组织的方法，其特征在于，在激光熔覆沉积过程中，每沉积5～30mm，调整激光头与最上层熔覆层的相对高度至初始值。