CN114378301A - Tc4钛合金制件的选区激光熔化成型方法 - Google Patents
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Abstract
一种TC4钛合金制件的选区激光熔化成型方法，本发明涉及合金制件的成型方法。它是要解决现有的选区激光熔化3D打印方法的制件表面粗糙度较差、致密度差的技术问题。本方法：一、利用三维建模软件对零件建模及数据处理，转换为切层的数据格式；二、在所建立的模型底部建立支撑体，并切成片层，将数据导入3D打印设备中；三、铺粉；四、激光熔融，获得零件的单层轮廓；五、层层打印，得到初级成型件；六、热处理，得到钛合金制件。TC4钛合金制件断口形貌表现为韧性断裂和脆性断裂的混合断裂，TC4钛合金的显微组织为α+β混合组织，抗拉强度1250～1285MPa，延伸率为11％～12％，硬度380～385HV。可用于增材制造领域。
Description
技术领域
本发明涉及合金制件的成型方法。
背景技术
钛合金具有低密度、高强度、耐高温性能优良和较好的耐腐蚀性能，广泛的应用于航空航天、汽车、医疗器械和运动器材等领域。传统的钛合金制造方法包括去材制造、铸造、锻造等。这三种方法普遍存在着制造周期长、收得率低、成本高等缺点。近年来，增材制造技术的快速发展正在解决这些问题。增材制造技术，也被称为3D打印技术，它是一种通过层层堆积的方式将数字化模型直接制造出实体零件的工艺。选区激光熔化(Selective LaserMelting,SLM)是目前最普遍使用的金属增材制造技术，它存在着如下缺点，一是目前的选区激光熔化法成型的零件尺寸精度在±(30-50)μm，表面粗糙度较差。二是制件致密度不够。上述原因，都限制了增材制造零件的使用。
发明内容
本发明是要解决现有的选区激光熔化3D打印方法的制件表面粗糙度较差、致密度差的技术问题，而提供TC4钛合金制件的选区激光熔化成型方法。
本发明的TC4钛合金制件的选区激光熔化成型方法，按以下步骤进行：
一、利用三维建模软件对零件建模及数据处理，将其转换为可以切层的数据格式(STL文件)；
二、在所建立的模型底部建立一个支撑体，将三维件模型和支撑体一同切片，从而获得各层界面的轮廓数据，将这个数据导入3D打印设备中；
三、3D打印设备按照程序，控制铺粉装置将粉末按照50～60μm的铺粉厚度将TC4钛合金粉铺在成形缸的基板上；
四、激光扫描系统在激光功率为300～350W、扫描速度为1.2～2m/s、扫描间距100～120μm条件下扫描熔化合金粉末，熔融金属冷却凝固形成设计好零件的单层轮廓；
五、成形缸基板随着电机的转动下降，铺粉系统在成形好的单层轮廓上，按步骤三和步骤四的操作重新铺粉、扫描，新烧结层与前一层牢固的熔合连接在一起，如此循环，层层加工，得到初级成型件；
六、将初级成型件放在高温炉中，升温到830～860℃保温1.5～2.5小时进行热处理，得到TC4钛合金制件。
更进一步地，步骤三中所述的TC4钛合金粉的颗粒为球形，粒径在5μm～50μm。
更进一步地，步骤六中所述的升温的速度为300～650℃/h。
本发明采用选区激光熔化技术，选择激光功率、扫描速度、铺粉厚度、扫描间距参数进行3D打印，然后再经过高温热处理，得到综合力学性能好的TC4钛合金制件。TC4钛合金制件断口形貌表现为韧性断裂和脆性断裂的混合断裂，TC4钛合金的显微组织为α+β混合组织，其抗拉强1250～1285MPa，延伸率为11％～12％，硬度380～385HV。可用于增材制造领域。
附图说明
图1为实施例1中的TC4钛合金粉的扫描电镜照片；
图2为实施例1中的TC4钛合金粉的粒度分布图；
图3为实施例1得到的TC4钛合金制件的断口形貌图；
图4为实施例1得到的TC4钛合金制件的的显微组织图；
图5为实施例2制备的TC4钛合金制件的显微组织图；
图6为实施例3制备的TC4钛合金制件的显微组织图；
图7为实施例6制备的TC4钛合金制件的显微组织图；
图8为实施例7制备的TC4钛合金制件的拉伸断口形貌图。
具体实施方式
用下面的实施例验证本发明的有益效果
实施例1：本实施例的TC4钛合金制件的选区激光熔化成型方法，按以下步骤进行：
一、利用三维建模软件对零件建模及数据处理，将其转换为可以切层的数据格式(STL文件)；
二、在所建立的模型底部建立一个支撑体，将三维件模型和支撑体一同切片，从而获得各层界面的轮廓数据，将这个数据导入AFS-M260金属铺粉(SLM)3D打印机中；
三、AFS-M260金属铺粉(SLM)3D打印机按照程序，控制铺粉装置将粉末按照60μm的铺粉厚度将TC4钛合金粉铺在成形缸的基板上；
四、激光扫描系统在激光功率为300W、扫描速度为1.5m/s、扫描间距100μm条件下扫描熔化合金粉末，熔融金属冷却凝固形成设计好零件的单层轮廓；
五、成形缸基板随着电机的转动下降，铺粉系统在成形好的单层轮廓上，按步骤三和步骤四的操作重新铺粉、扫描，新烧结层与前一层牢固的熔合连接在一起，如此循环，层层加工，得到初级成型件；
六、将初级成型件放在高温炉中，以400℃/h的升温速度升温至850℃并保持2小时进行热处理，得到TC4钛合金制件。
其中步骤三中所述的TC4钛合金粉的化学组成如表1所示。
表1 TC4钛合金粉末的化学组成
| 元素 | Al | V | Fe | C | N | H | O | Ti |
| 质量百分比(％) | 6.00 | 4.01 | 0.04 | 0.005 | 0.003 | 0.0041 | 0.080 | 其余 |
TC4钛合金粉的扫描电镜照片如图1所示，粒度分布图如图2所示，从图1、2可以看出，TC4合金粉末为球形，粒径在5.81μm～49.85μm，近似表现为正态分布，合金粉末粒径十分集中，颗粒尺寸范围窄，适用于选区激光熔化成型工艺。
本实施例得到的TC4钛合金制件的组织均匀、致密，抗拉强度为1250.62MPa，延伸率11.2％，硬度385HV。
本实施例得到的TC4钛合金制件的断口形貌图如图3所示，从图3可以看出，该断口组织根伟细化，韧窝多而深，断裂方式为韧性断裂和脆性断裂的混合断裂。
本实施例得到的TC4钛合金制件的显微组织图如图4所示，从图4可以看出，组织均匀致密，无孔洞，组织中针状α+β相多，组织分布均匀，这也是本实施例制备的TC4钛合金制件强度好的原因。
实施例2：本实施例与实施例1不同的是步骤四中的扫描速度为0.9m/s，其它与实施例1相同。
实施例3：本实施例与实施例1不同的是步骤四中的扫描速度为2.4m/s，其它与实施例1相同。
对实施例1、2和3制备的TC4钛合金制件的致密度进行测试，结果显示，实施例1、2和3制备的TC4钛合金制件的致密度分别为98.98％、93.7％和94.5％。实施例2制备的TC4钛合金制件的显微组织图如图5所示，从图5可以看出，看见孔洞，这些孔洞分布不均匀并且大小不一，这是因为当扫描速度较低时，激光光斑在在单位体积的粉末上停留的时间较长，单位时间内粉末吸收的能量较高，熔体会出现团聚甚至过烧的现象，由高能输入引起的金属蒸发产生反冲力，克服表面张力，与反冲力的压缩效应相反，从而产生溅射，这样一部分金属液团聚成了小球，形成了球化现象。球化现象出现后，会使再铺上的一层金属粉末变得不连续，导致了铺粉效果变差，在金属小球的周围也会出现夹杂气孔等缺陷，从而导致试样的致密度降低。实施例3制备的TC4钛合金制件的显微组织图如图6所示，由图6可以看出，当扫描速度过大时，激光与粉末作用的时间短，粉末吸收的能量较少，粉末为来得及完全熔化，未完全熔化的粉末使自身熔化形成了孔洞，这些孔洞无法得到金属液的补充而形成了永久性孔洞。另一方面，高激光扫描速度下，金属粉末吸收的能量密度相对较少，金属液只能通过表面张力及毛细管力相互结合，相同体积下球体的表面积最小，所以表面能最低，表现为最稳定的状态，因此，从热力学角度分析，为了在低能量密度条件下满足吉布斯自由能最低原则，未完全熔化的金属液滴倾向于相互聚集形成较大的金属球体。同时，在该条件下产生的金属液粘度较大，与已凝固基体的润湿角较大，也为金属液发生大尺寸球化现象提供了条件。因此，试样在较高的激光扫描速度下表现为较低致密度主要是由于金属液球化而形成孔隙，表现为较低的致密度。
实施例4：本实施例与实施例1不同的是步骤四中的扫描间距为50μm，其它与实施例1相同。
实施例5：本实施例与实施例1不同的是步骤四中的扫描间距为150μm，其它与实施例1相同。
对实施例4、5制备的TC4钛合金制件硬度分别为290HV、315HV，均比实施例1制备的钛合金制件硬度低，这是由于在300W的激光功率下时，扫描线间距过小时，会出现过烧现象，造成组织内出现孔洞，使制件的性能降低；当扫描线间距过大时，单位面积收到激光束的照射会减少，所以内部热量会越来越低，没有足够的热量做功，熔池内产生的针状马氏体分解会越来越少，强化效果会减少。
实施例6：本实施例与实施例1不同的是步骤六中的热处理为580℃，其它与实施例1相同。
实施例6制备的TC4钛合金制件的抗拉强度为1210.90MPa，延伸率为9.0％，硬度为395HV。
与实施例1相比，实施例6制备的TC4钛合金制件的塑性降低，这是由于实施例1中采用850℃的温度进行热处理造成的。实施例6制备的TC4钛合金制件的显微组织图如图7所示。在TC4钛合金中晶界由于α相的析出而显得比较清晰，当给试样加载时，由于晶界两侧晶粒的取向不同，滑移要从一个晶粒直接延续到下一个晶粒是很困难的，即室温下晶界对滑移有阻碍作用。实施例1的试样经过850℃热处理后，晶界上初生α相变得不连续，甚至消失，这样晶界阻碍变形的作用就会减弱或者消失，从而导致强度略微降低但塑性大幅提高。塑性提高的另一个原因是850℃的温度进行热处理后，组织向短棒和等轴晶转变，这种组织会均匀的分布在网篮组织之间，起着变形协调的作用，使试样获得更高的塑性。
实施例7：本实施例与实施例1不同的是步骤六中的热处理为950℃，其它与实施例1相同。
实施例7制备的TC4钛合金制件的抗拉强度为1202.38MPa，延伸率为8.5％，硬度为365HV。
实施例7制备的TC4钛合金制件的拉伸断口形貌如图8所示，从图8可以看出，断口中存在着明显的韧窝，这些韧窝均匀密集的分布，是典型的韧性断裂。这是因为断裂沿平行的α集束发展，即穿过α和β的相界面，从而使塑性降低。
Claims (3)
1.一种TC4钛合金制件的选区激光熔化成型方法，其特征在于该方法按以下步骤进行：
一、利用三维建模软件对零件建模及数据处理，将其转换为切层的数据格式；
二、在所建立的模型底部建立一个支撑体，将三维件模型和支撑体一同切片，从而获得各层界面的轮廓数据，将这个数据导入3D打印设备中；
三、3D打印设备按照程序，控制铺粉装置将粉末按照50～60μm的铺粉厚度将TC4钛合金粉铺在成形缸的基板上；
四、激光扫描系统在激光功率为300～350W、扫描速度为1.2～2m/s、扫描间距100～120μm条件下扫描熔化合金粉末，熔融金属冷却凝固形成设计好零件的单层轮廓；
五、成形缸基板随着电机的转动下降，铺粉系统在成形好的单层轮廓上，按步骤三和步骤四的操作重新铺粉、扫描，新烧结层与前一层牢固的熔合连接在一起，如此循环，层层加工，得到初级成型件；
六、将初级成型件放在高温炉中，升温到830～860℃保温1.5～2.5小时进行热处理，得到TC4钛合金制件。
2.根据权利要求1所述的一种TC4钛合金制件的选区激光熔化成型方法，其特征在于步骤三中所述的TC4钛合金粉的颗粒为球形，粒径在5μm～50μm。
3.根据权利要求1所述的一种TC4钛合金制件的选区激光熔化成型方法，其特征在于步骤六中所述的升温的速度为300～650℃/h。
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