CN114807797B - 一种钛合金的激光热处理方法 - Google Patents

Abstract

一种钛合金的激光热处理方法，结合激光高功率密度的特点，针对含有马氏体的钛合金提出施加激光的热循环，在高温区的停留时间更短，仅5min，具有仅20℃/s的更快地冷却速率，从而避免相尺寸过度长大，实现亚稳马氏体的快速分解，得到性能优异的细小的(α+β)组织，提升零件的力学性能。本发明针对不同待处理区域采取不同的工艺参数，保证结构件热处理后组织的均一性，强化了零件的力学性能，适用于增材制造的钛合金构件，同时也可拓展应用至其他方法制备的钛合金构件。

Description

一种钛合金的激光热处理方法

技术领域

本发明涉及金属材料热处理技术领域，具体是一种钛合金的激光热处理方法。

背景技术

钛合金因其轻质高强特性在航空航天领域得到了广泛应用。为了充分利用材料性能并降低结构重量，钛合金结构件通常被设计为较复杂的空间形态，采用传统加工方法难于实现其高效率加工。近年来，增材制造技术被广泛用于航空航天类钛合金结构件的制造。

采用增材制造技术制备的钛合金零件在沉积态条件下的组织通常偏离平衡态，如选区激光熔化技术制备的钛合金零件通常为马氏体组织，而激光立体成形技术制备的钛合金零件，根据实际冷速的不同，则可能呈现为马氏体或魏氏体组织。沉积态组织的钛合金构件强度高而塑性差，不能作为结构件直接应用于实际工程中。采用适当的热处理工艺可以使其转变为层片状或网篮状(α+β)组织，获得零件的良好强塑性匹配使其满足应用需求。如，对采用选区激光熔化技术制备的钛合金零件通常通过等温退火热处理方法使其由沉积态的马氏体组织状态转变为层片状(α+β)组织，对采用激光立体成形技术制备的钛合金零件则往往使用固溶后时效方法使其由沉积态的马氏体或魏氏体组织状态转变为网篮状(α+β)组织。

在公开号为CN113020624A的发明创造中公开了一种激光立体成形态TC4钛合金的热处理方法。该方法综合考虑了固溶温度和时效温度对显微组织的影响，通过利用硬度随固溶温度和时效温度的变化规律，以及微观组织演变与硬度变化的对应关系，获得可使激光立体成形态TC4微观组织和性能得到明显改善的固溶时效参数。但该发明的时效保温时间在3h以上，且随着时效温度的提高，组织出现了合并粗化的趋势。

在公开号为CN113355666A的发明创造中公开了一种激光熔覆增材制造TC18钛合金组织细化和等轴化方法。该发明使用热处理炉对TC18钛合金零件进行循环热处理，以获得细化和等轴化的显微组织。该发明实施过程较复杂，需要将零件频繁出入热处理炉，整个热处理过程耗时7～18h，且热处理自由度低，只能对零件整体进行热处理，而对组织不均匀的增材制造零件无法进行分区热处理。

在公开号为CN113088848A的发明创造中公开了一种同时提高激光熔覆沉积TC4钛合金强度和塑性的热处理方法。该发明将激光熔覆沉积技术制得的TC4钛合金经多级热处理，使钛合金试样微观组织由网篮组织转变为多尺度α组织，在此基础上进一步调控，使得激光熔覆沉积TC4钛合金兼具高强度和高塑性的性能。该发明通过马弗炉加热试样，采用水冷方式降温，相比于CN113355666A中公开的一种激光熔覆增材制造TC18钛合金组织细化和等轴化方法中提出的循环热处理，将热处理周期缩短到约7h，但仍然存在热处理自由度低，不能进行分区热处理的问题。

基于热处理炉进行的传统退火热处理和循环热处理存在热处理周期长、热处理自由度低的问题。而激光热处理利用激光高功率密度的特点，将零件的激光照射区迅速升温实现快速加热，当激光移开后，被加热区域可以通过零件本身的热传导或者辅以送气、送水的方式冷却，从而实现淬火等热处理效果。例如在公开号为CN109338157A的发明创造中公开了一种极地海洋环境用钛合金螺旋桨及其生产方法。该方法中使用激光束在钛合金螺旋桨表面进行全面扫描并喷吹氩气辅助控冷以实现快速淬火，细化晶粒的同时得到马氏体组织从而提升零件硬度。此类发明创造中提及的激光热处理技术主要针对需要进行淬火得到马氏体的零件，而采用增材制造技术制备的钛合金零件，其沉积态组织通常呈现为马氏体或魏氏体，对应的理想组织为网篮状或层片状(α+β)组织，并不能采用这种技术进行激光热处理。

在公开号为CN110860797A的发明创造中公开了一种电弧—激光复合增材制造方法。该方法将电弧增材制造技术与激光加工技术相结合，在电弧熔丝增材的同时，对构件堆积层进行激光随行退火，可以改善成形件中的粗大柱状晶，减少马氏体组织，减少组织中的位错，显著降低增材制造的各向异性，提高零件的尺寸精度和组织性能。该发明局限于电弧增材制造，是在原有成形技术上添加激光热处理的一种复合增材制造方法，只能减少马氏体组织，使部分马氏体分解或减少马氏体的形成，在一些情况下还会加剧组织的不均匀性，影响组织的协调变形能力从而降低材料的力学性能。

研究表明，利用激光在亚稳状态钛合金表面扫描，在钛合金内形成具有一定频率和峰值的循环温度曲线，可以显著加快钛合金组织由亚稳态向稳定态的转变，这有利于快速获得稳定且具备优异性能的零件。

以选区激光熔化技术制备的TC4钛合金零件为例，如前所述，其沉积态组织通常为α′马氏体状态，利用激光在零件表面扫描并形成峰值温度高于β相转变点的循环温度曲线时，在频繁且短促的峰值温度附近，α′马氏体内部通过反向的非扩散切变机制形成分散的β相团簇结构，而后在循环温度曲线的低温段，α′马氏体中形成的β相团簇结构生长为片状β相，加速α′马氏体分解并向细小的(α+β)组织转化，从而提供高强高塑性能。与α′马氏体在传统等温条件下分解所需的2-4个小时相比较，这种激光扫描热处理条件下的α′马氏体分解仅需要30～40秒即可实现。

上述研究提供了一种新的激光热处理方法的实现思路，即利用激光在钛合金表面进行扫描，形成循环热处理温度条件，加速固态相变的进程，采用这种方法，在缩短热处理时间的同时，可以有效避免(α+β)组织粗化导致的性能下降，并使零件的分区热处理成为可能。

综上所述，基于热处理炉的热处理工艺存在耗时长、效率低、易使组织粗化、热处理自由度低等问题，而现有的激光热处理方法难以在分解α′马氏体的同时保持组织的均匀性。

发明内容

为克服现有技术中存在的耗时长、效率低、易使组织粗化、热处理自由度低的不足，本发明提出了一种钛合金的激光热处理方法。

本发明的具体过程是：

步骤1，确定零件热处理需求。

所述确定零件热处理需求时，是通过实验测定方法或数值分析方法，确定零件待处理区域初始组织状态中马氏体初始分解程度，为热处理工艺参数的确定提供依据。

所述实验测定方法，包括破坏零件型和非破坏零件型。

当采用破坏零件型测定方法时，通过抽样测试确定批次零件待处理区域马氏体分解程度；

所述数值分析方法，包括采用基于温度场的固态相变模型估算马氏体初始分解程度。

步骤2，确定热循环温度曲线。

根据零件的热处理需求确定所需的热循环温度曲线。

该热循环温度曲线峰值温度为零件所属钛合金β相转变温度+100～300℃，峰谷温度≥400℃。该热循环曲线峰值温度＜零件所属钛合金的熔化温度。

对于马氏体初始分解程度高的区域，所需的热处理强度低，所述热循环温度曲线的频率为0.5～2Hz，过热次数为1～3。对于马氏体初始分解程度低的区域，所需的热处理强度高，所述热循环温度曲线的频率为2～10Hz，过热次数为4～10。

步骤3，确定激光扫描方式及扫描工艺参数。

根据得到的热循环温度曲线确定激光扫描方式及扫描工艺参数。

Ⅰ确定所述激光扫描方式，包括扫描模式和扫描策略。

ⅰ确定激光扫描方式

确定的激光扫描模式为重复扫描模式或平移扫描模式或重复扫描模式与平移扫描模式的组合。

所述重复扫描模式为：在同一扫描道上进行第一次扫描后，进行第二次扫描，直至完成第n次扫描后再变换扫描道，进行后续的扫描；n等于过热次数，且n>1；

所述平移扫描模式为：扫描1个单程后就变换扫描道，进行后续的扫描。

所述重复扫描模式与平移扫描模式的组合，是根据零件中不同区域选择的不同扫描模式，分别采用重复扫描模式或平移扫描模式进行扫描。

热循环温度曲线中所述的过热次数通过确定的所述激光扫描模式实现。

ⅱ所述的扫描策略有单向扫描和双向扫描。当扫描策略为单向扫描时，激光束扫描完一个单程后，回到此次扫描的起始点，采用相同的扫描方向进行下一次扫描；当扫描策略为双向扫描时，激光束扫描完一个单程后，采用与上一次相反的扫描方向进行下一次扫描。

Ⅱ通过温度场测试校准实验或数值模拟软件确定扫描工艺参数。

所述激光扫描工艺参数包括激光功率、激光扫描速度、光斑直径、激光扫描道间距、激光重复扫描次数。确定的激光功率为500～1500W，确定的激光扫描速度为5～100mm/s，确定的光斑直径为2～5mm，确定的激光扫描道间距为0.5～50mm，确定的激光重复扫描次数为1～10次。

步骤4，钛合金的激光扫描热处理。

按照确定的扫描工艺参数，使用激光多次扫描钛合金零件的待处理区域，形成步骤2所确定的热循环曲线条件，使马氏体快速分解。具体过程是：

4.1零件表面的预处理；

4.2放置零件：将零件固定在激光热处理加工室的工作台上。

4.3建立坐标系：建立所述零件的坐标系，并使该坐标系的原点O位于该零件一端端面的直角处，以该零件的长度方向作为该坐标系的x方向，以该零件的高度方向作为该坐标系的z方向，以该零件的宽度方向作为该坐标系的y方向。

4.4充入保护气：通过激光热处理装置的保护气进口向激光热处理加工室内充入纯度为99.99％的氩气作为保护气，同时打开保护气出口，通过气体循环使工作室中的氧含量低于1000ppm。

4.5预热零件：采用电阻方式或感应加热方式将零件预热至热循环曲线峰谷温度。

4.6扫描：以所述坐标系的原点O处为激光扫描起始点，采用确定的激光扫描模式对零件进行激光扫描热处理；激光扫描时，按设定的扫描参数完成当前扫描道的激光扫描，并重复当前扫描道的激光扫描过程，继续其余各扫描道的激光扫描，直至激光束扫描完该待热处理区；使激光进入下一个待热处理区，重复前一待热处理区的激光扫描过程，完成当前待热处理区的激光扫描；循环重复所述激光进入下一个待热处理区，重复前一待热处理区的激光扫描的过程，直至激光束扫描完所有待热处理区，完成零件的激光扫描热处理。具体过程是：

Ⅰ当采用重复扫描模式时，激光扫描过程的具体过程是：

ⅰ第一扫描道的激光扫描

通过工作台和激光束之间的相对运动使激光沿x轴方向移动，按设定的扫描参数对当前扫描道重复扫描后，完成第一扫描道的激光扫描。

ⅱ第二扫描道的激光扫描

通过工作台和激光束之间的相对运动，使激光沿y轴方向移动一个扫描道间距来完成扫描道的变换，使激光到达下一个扫描道的起点，之后通过工作台和激光束之间的相对运动使激光沿x轴方向移动，按设定的扫描参数完成当前扫描道的激光扫描。

ⅲ继续其余各扫描道的激光扫描

重复第二扫描道的激光扫描的过程，直至完成各扫描道的激光扫描，即完成整个待热处理区，实现对该零件的激光扫描热处理，得到经过激光扫描热处理的零件。更进一步地，当零件中存在多个热处理区时，通过工作台和激光束之间的相对运动使激光进入下一个待热处理区；重复所述第一扫描道的激光扫描过程和第二扫描道的激光扫描过程，直至激光束扫描完该待热处理区；继续通过工作台和激光束之间的相对运动使激光进入下一个待热处理区，直至激光束扫描完所有待热处理区，完成零件的激光扫描热处理。

Ⅱ当采用平移扫描模式时，激光扫描过程的具体实现包括如下几个内容

ⅰ第一扫描道的激光扫描

通过工作台和激光束之间的相对运动使激光沿x轴方向移动，按设定的扫描参数对当前扫描道扫描1次后，完成第一扫描道的激光扫描。

ⅱ第二扫描道的激光扫描

通过工作台和激光束之间的相对运动，使激光沿y轴方向移动一个扫描道间距来完成扫描道的变换，使激光到达下一个扫描道的起点，之后通过工作台和激光束之间的相对运动使激光沿x轴方向移动，按设定的扫描参数完成当前扫描道的激光扫描。

ⅲ继续其余各扫描道的激光扫描

重复第二扫描道的激光扫描的过程，直至完成各扫描道的激光扫描，即完成整个待热处理区，实现对该零件的激光扫描热处理，得到经过激光扫描热处理的零件。更进一步地，当零件中存在多个热处理区时，需要通过工作台和激光束之间的相对运动使激光进入下一个待热处理区；重复第一扫描道的激光扫描过程和第一扫描道的激光扫描过程，直至激光束扫描完该待热处理区；继续通过工作台和激光束之间的相对运动使激光进入下一个待热处理区，直至激光束扫描完所有待热处理区，完成零件的激光扫描热处理。

Ⅲ当采用重复扫描与平移扫描组合的扫描模式时，对于零件中选择采用重复扫描模式的区域进行重复扫描，对于选择采用平移扫描模式的区域进行平移扫描即可。

本发明能够实现钛合金的快速热处理，在短时间内使钛合金中的马氏体分解为细小的(α+β)组织，提升零件的力学性能。

与现有技术相比，本发明取得的有益效果在于：

1，为了实现马氏体的分解，传统的高温退火热处理需要保温30min以上甚至数个小时，得到的(α+β)组织容易在高温下粗化，如图8(a)所示，其α相宽度为3～8μm，β相宽度为0.2～1.25μm。本发明突破了传统等温退火热处理的限制，结合激光高功率密度的特点，针对含有马氏体的钛合金提出了一种激光热处理方法，实现亚稳马氏体的快速分解，得到细小的(α+β)组织，如图8(b)所示，其α相宽度为0.8～2μm，β相宽度为0.04～0.15μm，更细小的组织能够提供更优的材料性能。

2，热循环是钛合金常用的一种热处理方式，但是传统利用热处理炉进行的热循环因系统热惯性大，难以实现高频次和大温度跨度的热循环，因此热处理效率较低，且该条件下的高温区停留时间超过5h，热处理过程中的冷却速度在2.5℃/min左右，容易得到粗化的组织。使用本发明提出的激光施加的热循环，在高温区的停留时间更短，仅5min，具有仅20℃/s的更快地冷却速率，从而避免相尺寸过度长大，有助于获得如图8(b)所示的性能优异的细小相结构。

3，采用热处理炉对增材制造非规则构件或大型结构件进行热处理时，没有考虑增材制造件的典型特点，即组织不均匀性。结构件不同待处理区域的马氏体分解程度不同，采用统一的热处理方式，可能会出现部分区域马氏体未完全分解或(α+β)组织在保温过程中粗化的问题，组织的不均匀性会影响组织的协调变形能力从而降低材料的力学性能。采用激光热处理方法，针对不同待处理区域采取不同的工艺参数，保证结构件热处理后组织的均一性，强化零件的力学性能。图9为TA15钛合金三种典型组织的拉伸力学性能：欠热处理部分分解状态17下的试样表现出了较高的抗拉强度和较低的延伸率16；过度热处理粗化状态18下的试样表现出较低的抗拉强度和较高的延伸率；而热处理完全分解状态19下的试样同时表现出较高的抗拉强度和延伸率。本发明中，欠热处理部分分解状态17下试样的抗拉强度为1259Mpa，延伸率低至7.3％；过度热处理粗化状态18下的试样的抗拉强度为1061Mpa，延伸率达到12.0％，而与之比较的热处理完全分解状态19下的马氏体试样的抗拉强度为1230Mpa，延伸率为12.8％。

本发明能够实现快速循环的热处理温度曲线，使α′马氏体快速分解为细小的(α+β)组织，从而极大提升热处理效率，同时额外提供分区热处理的自由度。这种激光热处理方法可适用于增材制造的钛合金构件，同时也可拓展应用至其他方法制备的钛合金构件。

附图说明

图1是重复扫描模式示意图；其中，图1a是单向扫描，图1b是双向扫描。

图2是平移扫描模式示意图；其中，图1a是单向扫描，图1b是双向扫描。

图3重复扫描模式下的典型温度曲线。

图4平移扫描模式下的典型温度曲线。

图5是利用激光束-工作台相对平移运动实现激光扫描的激光热处理装置示意图。

图6是利用振镜系统实现激光扫描的激光热处理装置示意图。

图7为多光束激光热处理示意图。

图8是马氏体分解组织对比图；其中，图8a是粗化的(α+β)组织，图8b细小的(α+β)组织。

图9是不同组织状态下试样的力学性能。

图10是本发明技术方案示意图。

图11是实施例一零件、实施例三中零件、实施例五、实施例六的结构示意图。

图12是实施例二中零件的结构示意图。

图13是实施例四的零件示意图；其中，图13a是实施例四的零件结构图，图13b是图13a中1#待处理区和2#待处理区的扫描过程示意图。

图14是本发明的流程图。

图中：1.β相转变温度；2.熔化温度；3.保护气进口；4.激光热处理加工室；5.激光器；6.光束引导系统；7.聚焦镜；8.零件；9.工作台；10.底座；11.保护气出口；12.计算机；13.振镜系统；14.f-θ场镜；15.抗拉强度；16.延伸率；17.欠热处理部分分解状态；18.过度热处理粗化状态；19.热处理完全分解状态；20.实施例二的#1待处理区；21.实施例二的#2待处理区；22.实施例二的#3待处理区；23.实施例四的#1待处理区；24.实施例四的#2待处理区。

具体实施方式

实施例一

已有的研究表明，α′马氏体所特有的尖锐端部在其分解过程中会逐渐钝化，曲率半径增大，因此可通过测量α′马氏体端部曲率半径以确定α′马氏体分解程度。本实施例采用破坏零件型分析测试方法中的金相法来确定零件不同待处理区域马氏体分解程度，为热处理工艺参数的确定提供依据。

本实施例对SLM-TC4钛合金板状零件8进行激光热处理。图11为所述钛合金板状零件的结构示意图，其中L＝40mm，W＝10mm，H＝2mm。

本实施例的具体过程是：

步骤1，确定零件热处理需求：

从SLM-TC4钛合金板状的零件8中截取试样。具体是，采用线切割方法在该零件长度方向的中部沿横截面截取一段试样。以该试样横截面的顶部作为顶部金相试样，以该试样横截面的中部作为中部金相试样，以该试样横截面的底部作为底部金相试样。

观察得到的所述顶部金相试样、中部金相试样和底部金相试样样的显微组织，采用常规方法测量α′马氏体端部曲率半径以确定α′马氏体分解程度。本实施例中，测得所述顶部金相试样α′马氏体端部曲率半径为2.9μm，中部金相试样α′马氏体端部曲率半径为2.4μm，底部金相试样α′马氏体端部曲率半径为2.1μm，所述零件8金相试样整体的马氏体端部曲率半径为2.0～3.0μm，表明其分解程度低，各区域差异小。

一组激光扫描热处理参数就能满足零件8的热处理要求，即能够保证零件8马氏体的分解和组织一致性调控。

步骤2，确定热循环温度曲线：

根据步骤1获得的所述零件的马氏体分解程度确定热循环温度曲线，将热循环温度曲线的频率定为3Hz，过热次数定为4次。所述TC4钛合金的β相转变温度1为980℃，熔化温度2取1600℃，故该热循环温度曲线峰值温度为该TC4钛合金的β相转变温度+100～300℃，不能超过该TC4钛合金的熔化温度2，热循环温度曲线峰谷温度维持为不低于400℃，故设定峰值温度为1250℃，峰谷温度为400℃。

步骤3，确定激光扫描方式及扫描工艺参数：

通过ABAQUS软件建立激光扫描热处理温度场模型，以模拟激光热处理过程中零件的温度场变化，从而根据步骤2确定的热循环温度曲线确定其对应的激光扫描方式及扫描工艺参数。该激光扫描热处理温度场模型包括高斯热源模型、材料密度、材料导热率、材料比热容、导热通量、对流换热通量和辐射通量。

所确定的激光扫描方式为采用重复扫描模式控制过热次数，扫描策略为双向扫描，激光重复扫描次数为4次。

所确定的扫描工艺参数为：激光功率为600W，激光扫描速度为30mm/s，光斑直径为4mm，道间距为1mm。

步骤4，钛合金的激光扫描热处理：

在计算机12的控制下，使用激光多次扫描所述SLM-TC4钛合金板状的零件8的待处理区域，形成步骤2所确定的热循环曲线条件，使马氏体快速分解。具体过程是：

4.1零件表面的预处理：取一个零件8，使用砂纸打磨该零件8的氧化皮后，用无水乙醇清洗干净。

4.2放置零件：采用粘结剂将经过预处理的零件8固定在激光热处理加工室7的工作台9上。

4.3建立坐标系：在所述钛合金板状零件8上表面建立坐标系，并使该坐标系的原点O位于该零件一端端面的直角处，以该零件8的长度方向作为该坐标系的x方向，以该零件8的高度方向作为该坐标系的z方向，以该零件8的宽度方向作为该坐标系的y方向，如图11所示。

4.4充入保护气：通过激光热处理装置的保护气进口3向激光热处理加工室4内充入纯度为99.99％的高纯氩气作为保护气，同时打开保护气出口11，通过气体循环控制氧含量，使工作室中的氧含量低于1000ppm。

4.5预热零件：使用电阻加热器将所述零件8预热到400℃。

4.6扫描：以所述坐标系的原点O处为激光扫描起始点，对零件进行激光扫描热处理：

本实施例选择固定工作台9，以所建立的坐标系的原点作为零件8热处理起始点，通过激光器5、光束引导系统6和聚焦镜7控制激光束的平移，实现激光在零件8表面的扫描。在激光扫描钛合金前，根据建立的坐标系移动激光束，使激光束对准零件热处理起始点O，从这里开始对零件8进行激光扫描热处理。

本实施例采用重复扫描模式。所述激光扫描的具体过程是：

i第一扫描道的激光扫描

通过激光束沿y轴正方向移动，按设定的扫描参数完成第一扫描道的激光扫描，本实施例中，激光扫描距离为10mm，所用激光功率为600W，激光扫描速度为30mm/s，光斑直径为4mm，采取的激光扫描模式为重复扫描，对当前扫描道重复扫描4次，完成第一扫描道的激光扫描。激光扫描策略为双向扫描。

ii第二扫描道的激光扫描

使激光束沿x轴正方向移动一个扫描道间距来完成扫描道的变换，使激光束到达下一个扫描道的起点。本实施例中，所述扫描道间距为1mm，即激光束向x轴正方向移动1mm。通过激光束沿y轴正方向移动，按设定的扫描参数完成当前扫描道的激光扫描。本实施例中，激光扫描距离为10mm，所用激光功率为600W，激光扫描速度为30mm/s，光斑直径为4mm，采取的激光扫描模式为重复扫描，对当前扫描道重复扫描4次，完成当前扫描道的激光扫描。激光扫描策略为双向扫描。

iii继续各扫描道的激光扫描

重复第二扫描道的激光扫描的过程，直至完成各扫描道的激光扫描，即完成整个待热处理区，实现对该零件8的激光扫描热处理，得到经过激光扫描热处理的零件8。

实施例二

已有的研究表明，α′马氏体在分解的过程中会形成α相和β相，其中β相与α′马氏体晶格结构不同，会在XRD衍射图谱中形成特有的衍射峰，因此可以通过XRD方法来识别β相的析出量，从而判断α′马氏体的分解程度。本实施例采用破坏零件型分析测试方法中的XRD法来确定零件不同待处理区域马氏体分解程度，为热处理工艺参数的确定提供依据。

本实施例对固溶处理后的激光立体成形TC4钛合金阶梯状零件8进行激光热处理。图12为所述钛合金阶梯状零件8示意图，其中L＝42mm，W＝10mm，H＝3mm，h＝1mm。根据阶梯状零件8不同区域的厚度差异，按照厚度从小到大划分待热处理区，其中厚度为1mm的定义为实施例二的#1待处理区20、厚度为2mm的定义为实施例二的#2待处理区21、厚度为3mm的定义为实施例二的#3待处理区22。

本实施例的具体过程是：

步骤1，确定零件热处理需求

从激光立体成形TC4钛合金阶梯状零件中截取试样。具体是，采用线切割方法在该零件宽度方向的中部沿横截面截取一段试样，以该试样1mm厚度的区域作为实施例二的#1待处理区20的XRD试样，以该试样2mm厚度的区域作为实施例二的#2待处理区21的XRD试样，以该试样3mm厚度的区域作为实施例二的#3待处理区22的XRD试样。

观察得到的所述#1热处理区试样、#2热处理区试样、#3热处理区试样的XRD衍射峰，采用常规方法测量β相衍射峰的强度来确定α′马氏体分解程度，本实施例中测得试样#1热处理区、#2热处理区、#3热处理区的β相衍射峰强度几乎为0，零件8整体的β相衍射强度几乎为0，表明其分解程度低，各区域差异小。

一组激光扫描热处理参数就能满足零件8的热处理要求，即能够保证零件8马氏体的快速分解和组织一致性调控。

步骤2，确定热循环温度曲线。

根据步骤1获得的所述零件的马氏体分解程度确定热循环温度曲线，将热循环温度曲线的频率定为4Hz，过热次数定为7次。所述TC4钛合金的β相转变温度1为980℃，熔化温度2取1600℃，该热循环温度曲线峰值温度为零件所属钛合金β相转变温度+100～300℃，峰谷温度≥400℃。该热循环曲线峰值温度＜零件所属钛合金的熔化温度。故设定峰值温度为1280℃，峰谷温度为480℃。

步骤3，确定激光扫描方式及扫描工艺参数。

通过ABAQUS软件建立激光扫描热处理温度场模型，以模拟激光热处理过程中零件的温度场变化，从而根据步骤2确定的热循环温度曲线确定其对应的激光扫描方式及扫描工艺参数。该激光扫描热处理温度场模型包括高斯热源模型、材料密度、材料导热率、材料比热容、导热通量、对流换热通量和辐射通量。

所确定的激光扫描方式为采用重复扫描模式控制过热次数，扫描策略为单向扫描，激光重复扫描次数为7次。

所确定的扫描工艺参数为：激光功率为500W，激光扫描速度为40mm/s，光斑直径为3mm，道间距为1mm。

步骤4，钛合金的激光扫描热处理。

在计算机12的控制下，使用激光多次扫描所述固溶处理后的激光立体成形TC4钛合金阶梯状零件8的待处理区域，形成步骤2所确定的热循环曲线条件，使马氏体快速分解。具体过程是：

4.1零件表面的预处理：取一个零件8，使用砂纸打磨该零件8的氧化皮后，用无水乙醇清洗干净。

4.2放置零件：采用卡具将经过预处理的零件8固定在激光热处理加工室7的工作台9上。

4.3建立坐标系：在所述固溶处理后的激光立体成形TC4钛合金阶梯状零件8上表面建立坐标系，并使该坐标系的原点O位于该阶梯状零件8#1待处理区上表面的直角处，以该零件8的长度方向作为该坐标系的x方向，以该零件8的高度方向作为该坐标系的z方向，以该零件8的宽度方向作为该坐标系的y方向，如图12所示。

4.4充入保护气：通过激光热处理装置的保护气进口3向激光热处理加工室4内充入纯度为99.99％的高纯氩气作为保护气，同时打开保护气出口11，通过气体循环控制氧含量，使工作室中的氧含量低于1000ppm。

4.5预热零件：使用感应加热方式将所述零件8预热到480℃。

4.6扫描：以所述坐标系的原点O处为激光扫描起始点，对零件进行激光扫描热处理：

本实施例选择固定激光光源，以所建立的坐标系的原点作为零件8热处理起始点，通过工作台9的X、Y和Z向运动来实现激光在零件8表面的扫描。在激光扫描钛合金前，根据建立的坐标系移动工作台9，使激光束对准零件8热处理起始点O，从这里开始对零件8进行激光扫描热处理。所述激光扫描的具体过程是：

本实施例采用重复扫描模式。激光扫描过程的具体过程是：

i第一扫描道的激光扫描

通过工作台9带动零件8沿y轴负方向移动，按设定的扫描参数完成第一扫描道的激光扫描，本实施例中，激光扫描距离为10mm，所用激光功率为500W，激光扫描速度为40mm/s，光斑直径为3mm，采取的激光扫描模式为重复扫描，对当前扫描道重复扫描7次，完成第一扫描道的激光扫描。激光扫描策略为单向扫描。

ii第二扫描道的激光扫描

使激光束沿x轴负方向移动一个扫描道间距来完成扫描道的变换，使激光束到达下一个扫描道的起点。本实施例中，所述扫描道间距为1mm，即通过工作台9带动零件10沿x轴负方向移动1mm。通过工作台9带动零件8沿y轴负方向移动，按设定的扫描参数完成当前扫描道的激光扫描，本实施例中，激光扫描距离为10mm，所用激光功率为500W，激光扫描速度为40mm/s，光斑直径为3mm，采取的激光扫描模式为重复扫描，对当前扫描道重复扫描7次，完成当前扫描道的激光扫描。激光扫描策略为单向扫描。

iii继续各扫描道的激光扫描

重复第二扫描道的激光扫描的过程，直至完成各扫描道的激光扫描，即完成整个#1待热处理区20，结束#1待热处理区20的热处理工作。零件8中还存在#2待热处理区21和#3待热处理区22，通过工作台9带动零件8沿z轴负方向移动一个台阶高度，本实施例中，所述台阶高度为1mm，即通过工作台9带动零件8沿z轴负方向移动1mm。重复第二扫描道的激光扫描的过程，直至完成各扫描道的激光扫描，即完成整个#2待热处理区21，结束#2待热处理区21的热处理工作。零件8中还存在#3待热处理区22，通过工作台9带动零件8沿z轴负方向移动一个台阶高度，本实施例中，所述台阶高度为1mm，即通过工作台9带动零件8沿z轴负方向移动1mm。重复第二扫描道的激光扫描的过程，直至完成各扫描道的激光扫描，即完成整个#3待热处理区22，实现对该零件8的激光扫描热处理，得到经过激光扫描热处理的零件8。

实施例三

已有的研究表明，α′马氏体在分解的过程中会析出β相，析出β相带来的沉淀强化效应会使零件的硬度上升，因此可以通过测量硬度以确认α′马氏体的分解程度。本实施例采用非破坏零件型实验测定方法中的硬度法来确定零件8不同待处理区域马氏体分解程度，为热处理工艺参数的确定提供依据。

本实施例对固溶处理后的铸态TC4钛合金板状零件8进行激光热处理。图11为所述钛合金板状零件8的结构示意图，其中L＝40mm，W＝10mm，H＝2mm。

本实施例的具体过程是：

步骤1，确定零件热处理需求

测试固溶处理后的铸态TC4钛合金板状零件8顶部、中部、底部的维氏硬度以确定α′马氏体分解程度，本实施例中测得顶部的维氏硬度为356HV，中部的维氏硬度为349HV，底部的维氏硬度为352HV，零件8整体的维氏硬度值均在340HV～358HV之间，表明其分解程度低，各区域差异小。

一组激光扫描热处理参数就能满足零件8的热处理要求，即保证零件8马氏体的快速分解和组织一致性调控。

步骤2，确定热循环温度曲线。

根据步骤1获得的所述零件的马氏体分解程度确定热循环温度曲线，将热循环温度曲线的频率定为10Hz，过热次数定为10次。所述TC4钛合金的β相转变温度1为980℃，熔化温度2取1600℃，该热循环温度曲线峰值温度为零件所属钛合金β相转变温度+100～300℃，峰谷温度≥400℃。该热循环曲线峰值温度＜零件所属钛合金的熔化温度。故设定峰值温度为1180℃，峰谷温度为420℃。

步骤3，确定激光扫描方式及扫描工艺参数。

通过温度场测试校准实验记录激光热处理过程中零件的温度场变化，从而根据步骤2确定的目标热循环温度曲线确定其对应的激光扫描方式及扫描工艺参数。该温度场测试校准实验使用预估的激光扫描方式和扫描工艺参数对零件进行激光扫描，通过热电偶获得激光扫描过程中零件的热循环温度曲线，将其与目标热循环温度曲线进行对比，以此校准激光扫描方式及扫描工艺参数，直至测温热电偶获得的热循环温度曲线与目标热循环温度曲线一致，由此确定激光扫描方式及扫描工艺参数。

所确定的激光扫描方式为采用平移扫描模式控制过热次数，扫描策略为双向扫描。

所确定的扫描工艺参数为：激光功率为1500W，激光扫描速度为100mm/s，光斑直径为2mm，道间距为0.1mm。

步骤4，钛合金的激光扫描热处理。

在计算机12的控制下，使用激光多次扫描所述固溶处理后的铸态TC4钛合金板状的零件8的待处理区域，形成步骤2所确定的热循环曲线条件，使马氏体快速分解。

具体过程是：

4.1零件表面的预处理：取一个零件8，使用砂纸打磨该零件8的氧化皮后，用无水乙醇清洗干净。

4.2放置零件：采用粘结剂将经过预处理的零件8固定在激光热处理加工室7的工作台9上。

4.3建立坐标系：在所述钛合金板状零件8上表面建立坐标系，并使该坐标系的原点O位于该零件一端端面的直角处，以该零件8的长度方向作为该坐标系的x方向，以该零件8的高度方向作为该坐标系的z方向，以该零件8的宽度方向作为该坐标系的y方向，如图11所示。

4.4充入保护气：通过激光热处理装置的保护气进口3向激光热处理加工室4内充入纯度为99.99％的高纯氩气作为保护气，同时打开保护气出口11，通过气体循环控制氧含量，使工作室中的氧含量低于1000ppm。

4.5预热零件：使用电阻加热器将所述零件8预热到400℃。

4.6扫描：以所述坐标系的原点O处为激光扫描起始点，对零件进行激光扫描热处理：

本实施例选择固定工作台9，以所建立的坐标系的原点O作为零件热处理起始点，通过激光器8、振镜系统16控制振镜扫描来实现激光在零件8表面的扫描。在激光扫描钛合金前，根据建立的坐标系调整振镜，使激光束对准零件8热处理起始点O，从这里开始对零件8进行激光扫描热处理。

本实施例采用平移扫描模式。激光扫描过程的具体过程是：

i第一扫描道的激光扫描

通过调整振镜使激光束沿y轴正方向移动，按设定的扫描参数完成第一扫描道的激光扫描，本实施例中，激光扫描距离为10mm，所用激光功率为1500W，激光扫描速度为100mm/s，光斑直径为2mm，采取的激光扫描模式为平移扫描，对当前扫描道扫描1次，完成第一扫描道的激光扫描。激光扫描策略为双向扫描。

ii第二扫描道的激光扫描

通过调整振镜使激光束沿x轴正方向移动一个扫描道间距来完成扫描道的变换，使激光束到达下一个扫描道的起点。本实施例中，所述扫描道间距为0.1mm，即通过调整振镜使激光束沿x轴正方向移动0.1mm。通过调整振镜使激光束沿y轴正方向移动，按设定的扫描参数完成当前扫描道的激光扫描，本实施例中，激光扫描距离为10mm，所用激光功率为1500W，激光扫描速度为100mm/s，光斑直径为2mm，采取的激光扫描模式为平移扫描，对当前扫描道扫描1次，完成当前扫描道的激光扫描。激光扫描策略为双向扫描。

iii继续各扫描道的激光扫描

重复第二扫描道的激光扫描的过程，直至完成各扫描道的激光扫描，即完成整个待热处理区，实现对该零件8的激光扫描热处理，得到经过激光扫描热处理的零件8。

实施例四

已有的研究表明，马氏体的分解与其在高温下的保持时间关联，因此可通过对零件8成形过程温度场的计算机模拟来判断α′马氏体的分解程度，即在高温下保持时间长的区域马氏体分解程度高，而保持时间短的区域马氏体分解程度低。本实施例采用数值分析方法中的基于温度场的固态相变模型来确定零件8不同待处理区域马氏体分解程度，为热处理工艺参数的确定提供依据。

本实施例对SLM-TA15钛合金非规则零件8进行激光热处理。图13为所述钛合金非规则零件8示意图，其中L＝80mm，k＝50mm，2R＝30mm，h＝8mm。

本实施例的具体过程是：

步骤1，确定零件热处理需求：

通过ABAQUS软件建立激光成形温度场模型，以模拟激光成形过程中零件的温度场变化，从而确定零件8不同待处理区域马氏体分解程度。该激光成形温度场模型包括高斯热源模型、材料密度、材料导热率、材料比热容、导热通量、对流换热通量和辐射通量。通过模拟发现：部分待处理区域在600℃以上的保持时间长于20分钟，部分待处理区域在600℃以上的保持时间短于20分钟，因此将前者所对应的区域划分为实施例四的#1待热处理区23，后者所对应的区域划分为实施例四的#2待处理区域24。#1待处理区域23马氏体分解程度高，#2待处理区域24马氏体分解程度低。

需要对#1待处理区域23和#2待处理区域24采用不同的激光扫描热处理参数来满足零件8的热处理要求，即能够保证零件8马氏体的快速分解和组织一致性调控。

步骤2，确定热循环温度曲线。

根据步骤1获得的所述零件的马氏体分解程度确定热循环温度曲线，将#1待处理区域23热循环温度曲线的频率定为1Hz，过热次数定为3次。所述TA15钛合金的β相转变温度1为985℃，熔化温度2取1650℃，该热循环温度曲线峰值温度为零件所属钛合金β相转变温度+100～300℃，峰谷温度≥400℃。该热循环曲线峰值温度＜零件所属钛合金的熔化温度。故设定峰值温度为1100℃，峰谷温度为450℃；将#2待处理区域24热循环温度曲线的频率定为2Hz，过热次数定为8次。所述TA15钛合金的β相转变温度1为985℃，熔化温度2取1650℃，该热循环温度曲线峰值温度为零件所属钛合金β相转变温度+100～300℃，峰谷温度≥400℃。该热循环曲线峰值温度＜零件所属钛合金的熔化温度。故设定峰值温度为1250℃，峰谷温度为450℃。

步骤3，确定激光扫描方式及扫描工艺参数。

通过ABAQUS软件建立激光扫描热处理温度场模型，以模拟激光热处理过程中零件的温度场变化，从而根据步骤2确定的热循环温度曲线确定其对应的激光扫描方式及扫描工艺参数。该激光扫描热处理温度场模型包括高斯热源模型、材料密度、材料导热率、材料比热容、导热通量、对流换热通量和辐射通量。

本实施例采用重复扫描模式与平移扫描模式的组合控制过热次数。

零件中的#1待处理区域23所确定的激光扫描方式为采用重复扫描模式控制过热次数，扫描策略为单向扫描，激光重复扫描次数为3次。

#1待处理区域23所确定的扫描工艺参数为：激光功率为1000W，激光扫描速度为50mm/s，光斑直径为5mm，道间距为5mm。

零件中的#2待处理区域24所确定的激光扫描方式为采用平移扫描模式控制过热次数，扫描策略为单向扫描。

#2待处理区域24所确定的扫描工艺参数为：激光功率为1300W，激光扫描速度为60mm/s，光斑直径为5mm，道间距为0.5mm。

步骤4，钛合金的激光扫描热处理。

在计算机12的控制下，使用激光多次扫描所述SLM-TA15钛合金非规则零件8的待处理区域，形成步骤2所确定的热循环曲线条件，使马氏体快速分解。具体过程是：

4.1零件表面的预处理：取一个零件8，使用砂纸打磨该零件8的氧化皮后，用无水乙醇清洗干净。

4.2放置零件：采用卡具将经过预处理的零件8固定在激光热处理加工室7的工作台9上。

4.3建立坐标系：在所述SLM-TA15钛合金非规则零件8上表面建立坐标系。该坐标系的原点O位于该钛合金非规则零件8上表面#1待处理区域23和#2待处理区域24分界线的端点处，以该零件#1待处理区域23和#2待处理区域24的分界线作为该坐标系的x方向，以该零件8的高度方向作为该坐标系的z方向，以该零件8的长度方向作为该坐标系的y方向，如图13所示。

4.4充入保护气：通过激光热处理装置的保护气进口3向激光热处理加工室4内充入纯度为99.99％的高纯氩气作为保护气，同时打开保护气出口11，通过气体循环控制氧含量，使工作室中的氧含量低于1000ppm。4.5预热零件：使用感应加热方式将零件预热到450℃。

4.6扫描：以所述坐标系的原点O处为激光扫描起始点，对零件进行激光扫描热处理：

本实施例选择固定工作台9，以所建立的坐标系的原点为零件8#1待处理区域23和#2待处理区域24的热处理起始点，通过激光器8、振镜系统16控制振镜扫描来实现激光在零件8表面的扫描。为了进一步提升热处理效率，使用两套f-θ场镜16，采用双激光束对零件8进行扫描热处理。在激光扫描钛合金前，根据建立的坐标系调整振镜，使激光束#1和激光束#2对准零件8热处理起始点，从这里开始对零件8进行激光扫描热处理。

本实施例采用重复扫描模式与平移扫描模式的组合控制过热次数，激光扫描过程的具体过程是：

i第一扫描道的激光扫描

通过调整#1振镜使激光束#1沿y轴负方向移动，按设定的扫描参数完成第一扫描道的激光扫描，本实施例中，激光扫描距离为50mm，所用激光功率为1000W，激光扫描速度为50mm/s，光斑直径为5mm，采取的激光扫描模式为重复扫描，对当前扫描道重复扫描3次，完成第一扫描道的激光扫描。扫描策略为单向扫描。

通过调整#2振镜使激光束#2沿x轴负方向移动，按设定的扫描参数完成第一扫描道的激光扫描，本实施例中，激光扫描距离为30mm，激光功率为1300W，激光扫描速度为60mm/s，光斑直径为5mm，采取的激光扫描模式为平移扫描，对当前扫描道扫描1次，完成第一扫描道的激光扫描。扫描策略为单向扫描。

ii第二扫描道的激光扫描

调整#1振镜使激光束沿x轴正方向移动一个扫描道间距来完成扫描道的变换，使激光束到达下一个扫描道的起点。本实施例中，所述扫描道间距为3mm，即调整振镜使激光束向x轴正方向移动3mm。通过调整#1振镜使激光束#1沿y轴负方向移动，按设定的扫描参数完成当前扫描道的激光扫描，本实施例中，激光扫描距离为50mm，所用激光功率为1000W，激光扫描速度为50mm/s，光斑直径为5mm，采取的激光扫描模式为重复扫描，对当前扫描道重复扫描3次，完成当前扫描道的激光扫描。扫描策略为单向扫描。

调整#2振镜使激光束沿y轴正方向移动一个扫描道间距来完成扫描道的变换，使激光束到达下一个扫描道的起点。本实施例中，所述扫描道间距为0.5mm，即调整振镜使激光束向y轴正方向移动0.5mm。通过调整#2振镜使激光束#2沿x轴负方向移动，按设定的扫描参数完成当前扫描道的激光扫描，本实施例中，激光扫描距离为30mm，激光功率为1300W，激光扫描速度为60mm/s，光斑直径为5mm，采取的激光扫描模式为平移扫描，对当前扫描道扫描1次，完成当前扫描道的激光扫描。扫描策略为单向扫描。

iii继续各扫描道的激光扫描

重复第二扫描道的激光扫描的过程，直至完成各扫描道的激光扫描，即完成整个待热处理区，实现对该零件8的激光扫描热处理，得到经过激光扫描热处理的零件8。

实施例五

已有的研究表明，α′马氏体所特有的尖锐端部在其分解过程中会逐渐钝化，曲率半径增大，因此可通过测量α′马氏体端部曲率半径以确定α′马氏体分解程度。本实施例采用破坏零件型实验测定方法中的金相法来确定零件待处理区域马氏体分解程度，为热处理工艺参数的确定提供依据。

本实施例对SLM-TC4钛合金板状零件8进行激光热处理。图11为所述钛合金板状零件的结构示意图，其中L＝40mm，W＝10mm，H＝2mm。

本实施例的具体过程是：

步骤1，确定零件热处理需求：

从SLM-TC4钛合金板状的零件8中截取试样。具体是，采用线切割方法在该零件长度方向的中部沿横截面截取一段试样。以该试样横截面的顶部作为顶部金相试样，以该试样横截面的中部作为中部金相试样，以该试样横截面的底部作为底部金相试样。

观察得到的所述顶部金相试样、中部金相试样和底部金相试样的显微组织，采用常规方法测量α′马氏体端部曲率半径以确定α′马氏体分解程度。本实施例中，测得所述顶部金相试样α′马氏体端部曲率半径为4.3μm，中部金相试样α′马氏体端部曲率半径为4.1μm，底部金相试样α′马氏体端部曲率半径为3.9μm，所述零件8金相试样整体的马氏体端部曲率半径>3.0μm，且表明其分解程度高，各区域差异小。

一组激光扫描热处理参数就能满足零件8的热处理要求，即能够保证零件8马氏体的分解和组织一致性调控。

步骤2，确定热循环温度曲线：

根据步骤1获得的所述零件的马氏体分解程度确定热循环温度曲线，将热循环温度曲线的频率定为0.5Hz，过热次数定为2次。所述TC4钛合金的β相转变温度1为980℃，熔化温度2取1600℃，该热循环温度曲线峰值温度为零件所属钛合金β相转变温度+100～300℃，峰谷温度≥400℃。该热循环曲线峰值温度＜零件所属钛合金的熔化温度。故设定峰值温度为1150℃，峰谷温度为450℃。

步骤3，确定激光扫描方式及扫描工艺参数：

通过ABAQUS软件建立激光扫描热处理温度场模型，以模拟激光热处理过程中零件的温度场变化，从而根据步骤2确定的热循环温度曲线确定其对应的激光扫描方式及扫描工艺参数。该激光扫描热处理温度场模型包括高斯热源模型、材料密度、材料导热率、材料比热容、导热通量、对流换热通量和辐射通量。

所确定的激光扫描方式为采用重复扫描模式控制过热次数，扫描策略为双向扫描，激光重复扫描次数为2次。

所确定的扫描工艺参数为：激光功率为600W，激光扫描速度为5mm/s，光斑直径为4mm，道间距为1mm。

步骤4，钛合金的激光扫描热处理：

在计算机12的控制下，使用激光多次扫描所述SLM-TC4钛合金板状的零件8的待处理区域，形成步骤2所确定的热循环曲线条件，使马氏体快速分解。具体过程是：

4.1零件表面的预处理：取一个零件8，使用砂纸打磨该零件8的氧化皮后，用无水乙醇清洗干净。

4.2放置零件：采用粘结剂将经过预处理的零件8固定在激光热处理加工室7的工作台9上。

4.3建立坐标系：在所述钛合金板状零件8上表面建立坐标系，并使该坐标系的原点O位于该零件一端端面的直角处，以该零件8的长度方向作为该坐标系的x方向，以该零件8的高度方向作为该坐标系的z方向，以该零件8的宽度方向作为该坐标系的y方向，如图11所示。

4.4充入保护气：通过激光热处理装置的保护气进口3向激光热处理加工室4内充入纯度为99.99％的高纯氩气作为保护气，同时打开保护气出口11，通过气体循环控制氧含量，使工作室中的氧含量低于1000ppm。

4.5预热零件：使用电阻加热器将所述零件8预热到450℃。

4.6扫描：以所述坐标系的原点O处为激光扫描起始点，对零件进行激光扫描热处理：

本实施例选择固定工作台9，以所建立的坐标系的原点O作为零件8热处理起始点，通过激光器5、光束引导系统6和聚焦镜7控制激光束的平移，实现激光在零件8表面的扫描。在激光扫描钛合金前，根据建立的坐标系移动激光束，使激光束对准零件热处理起始点O，从这里开始对零件8进行激光扫描热处理。

本实施例采用重复扫描模式，激光扫描过程的具体过程是：

i第一扫描道的激光扫描

通过激光束沿y轴正方向移动，按设定的扫描参数完成第一扫描道的激光扫描，本实施例中，激光扫描距离为10mm，所用激光功率为600W，激光扫描速度为5mm/s，光斑直径为4mm，采取的激光扫描模式为重复扫描，对当前扫描道重复扫描2次，完成第一扫描道的激光扫描。激光扫描策略为双向扫描。

ii第二扫描道的激光扫描

使激光束沿x轴正方向移动一个扫描道间距来完成扫描道的变换，使激光束到达下一个扫描道的起点。本实施例中，所述扫描道间距为1mm，即激光束向x轴正方向移动1mm。通过激光束沿y轴正方向移动，按设定的扫描参数完成当前扫描道的激光扫描。本实施例中，激光扫描距离为10mm，所用激光功率为600W，激光扫描速度为5mm/s，光斑直径为4mm，采取的激光扫描模式为重复扫描，对当前扫描道重复扫描2次，完成当前扫描道的激光扫描。激光扫描策略为双向扫描。

iii继续各扫描道的激光扫描

重复第二扫描道的激光扫描的过程，直至完成各扫描道的激光扫描，即完成整个待热处理区，实现对该零件8的激光扫描热处理，得到经过激光扫描热处理的零件8。

实施例六

已有的研究表明，α′马氏体所特有的尖锐端部在其分解过程中会逐渐钝化，曲率半径增大，因此可通过测量α′马氏体端部曲率半径以确定α′马氏体分解程度。本实施例采用破坏零件型实验测定方法中的金相法来确定零件待处理区域马氏体分解程度，为热处理工艺参数的确定提供依据。

本实施例对SLM-TC4钛合金板状零件8进行激光热处理。图11为所述钛合金板状零件的结构示意图，其中L＝40mm，W＝10mm，H＝2mm。

本实施例的具体过程是：

步骤1，确定零件热处理需求：

从SLM-TC4钛合金板状的零件8中截取试样。具体是，采用线切割方法在该零件长度方向的中部沿横截面截取一段试样。以该试样横截面的顶部作为顶部金相试样，以该试样横截面的中部作为中部金相试样，以该试样横截面的底部作为底部金相试样。

观察得到的所述顶部金相试样、中部金相试样和底部金相试样的显微组织，采用常规方法测量α′马氏体端部曲率半径以确定α′马氏体分解程度。本实施例中，测得所述顶部金相试样α′马氏体端部曲率半径为3.4μm，中部金相试样α′马氏体端部曲率半径为3.7μm，底部金相试样α′马氏体端部曲率半径为3.5μm，所述零件8金相试样整体的马氏体端部曲率半径>3.0μm，且表明其分解程度高，各区域差异小。

一组激光扫描热处理参数就能满足零件8的热处理要求，即能够保证零件8马氏体的分解和组织一致性调控。

步骤2，确定热循环温度曲线：

根据步骤1获得的所述零件的马氏体分解程度确定热循环温度曲线，将热循环温度曲线的频率定为2Hz，过热次数定为1次。所述TC4钛合金的β相转变温度1为980℃，熔化温度2取1600℃，该热循环温度曲线峰值温度为零件所属钛合金β相转变温度+100～300℃，峰谷温度≥400℃。该热循环曲线峰值温度＜零件所属钛合金的熔化温度。故设定峰值温度为1200℃，峰谷温度为500℃。

步骤3，确定激光扫描方式及扫描工艺参数：

通过ABAQUS软件建立激光扫描热处理温度场模型，以模拟激光热处理过程中零件的温度场变化，从而根据步骤2确定的热循环温度曲线确定其对应的激光扫描方式及扫描工艺参数。该激光扫描热处理温度场模型包括高斯热源模型、材料密度、材料导热率、材料比热容、导热通量、对流换热通量和辐射通量。

所确定的激光扫描方式为采用平移扫描模式控制过热次数，扫描策略为双向扫描。

所确定的扫描工艺参数为：激光功率为600W，激光扫描速度为20mm/s，光斑直径为4mm，道间距为3mm。

步骤4，钛合金的激光扫描热处理：

在计算机12的控制下，使用激光多次扫描所述SLM-TC4钛合金板状的零件8的待处理区域，形成步骤2所确定的热循环曲线条件，使马氏体快速分解。具体过程是：

4.1零件表面的预处理：取一个零件8，使用砂纸打磨该零件8的氧化皮后，用无水乙醇清洗干净。

4.2放置零件：采用粘结剂将经过预处理的零件8固定在激光热处理加工室7的工作台9上。

4.3建立坐标系：在所述钛合金板状零件8上表面建立坐标系，并使该坐标系的原点O位于该零件一端端面的直角处，以该零件8的长度方向作为该坐标系的x方向，以该零件8的高度方向作为该坐标系的z方向，以该零件8的宽度方向作为该坐标系的y方向，如图11所示。

4.4充入保护气：通过激光热处理装置的保护气进口3向激光热处理加工室4内充入纯度为99.99％的高纯氩气作为保护气，同时打开保护气出口11，通过气体循环控制氧含量，使工作室中的氧含量低于1000ppm。

4.5预热零件：使用电阻加热器将所述零件8预热到500℃。

4.6扫描：以所述坐标系的原点O处为激光扫描起始点，对零件进行激光扫描热处理：

本实施例选择固定工作台9，以所建立的坐标系的原点O作为零件8热处理起始点，通过激光器5、光束引导系统6和聚焦镜7控制激光束的平移，实现激光在零件8表面的扫描。在激光扫描钛合金前，根据建立的坐标系移动激光束，使激光束对准零件热处理起始点O，从这里开始对零件8进行激光扫描热处理。

本实施例采用平移扫描模式，激光扫描过程的具体过程是：

i第一扫描道的激光扫描

通过激光束沿y轴正方向移动，按设定的扫描参数完成第一扫描道的激光扫描，本实施例中，激光扫描距离为10mm，所用激光功率为600W，激光扫描速度为20mm/s，光斑直径为4mm，采取的激光扫描模式为平移扫描，对当前扫描道扫描1次，完成第一扫描道的激光扫描。激光扫描策略为双向扫描。

ii第二扫描道的激光扫描

使激光束沿x轴正方向移动一个扫描道间距来完成扫描道的变换，使激光束到达下一个扫描道的起点。本实施例中，所述扫描道间距为3mm，即激光束向x轴正方向移动3mm。通过激光束沿y轴正方向移动，按设定的扫描参数完成当前扫描道的激光扫描。本实施例中，激光扫描距离为10mm，所用激光功率为600W，激光扫描速度为20mm/s，光斑直径为4mm，采取的激光扫描模式为平移扫描，对当前扫描道扫描1次，完成当前扫描道的激光扫描。激光扫描策略为双向扫描。

iii继续各扫描道的激光扫描

重复第二扫描道的激光扫描的过程，直至完成各扫描道的激光扫描，即完成整个待热处理区，实现对该零件8的激光扫描热处理，得到经过激光扫描热处理的零件8。

附表：本发明各实施例技术特征/技术参数汇总

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Claims (6)

1.一种钛合金的激光热处理方法，其特征在于，具体过程是：

步骤1，确定零件热处理需求；

所述确定零件热处理需求时，是通过实验测定方法或数值分析方法，确定零件待处理区域初始组织状态中马氏体初始分解程度，为热处理工艺参数的确定提供依据；所述实验测定方法，包括破坏零件型和非破坏零件型；当采用破坏零件型测定方法时，通过抽样测试确定批次零件待处理区域马氏体分解程度；

步骤2，确定热循环温度曲线：

根据零件的热处理需求确定所需的热循环温度曲线；

确定的所述热循环温度曲线中，热循环温度曲线峰值温度为零件所属钛合金β相转变温度+100～300℃，峰谷温度≥400℃；该热循环曲线峰值温度＜零件所属钛合金的熔化温度；

对于马氏体初始分解程度高的区域，所需的热处理强度低，所述热循环温度曲线的频率为0.5～2Hz，过热次数为1～3；对于马氏体初始分解程度低的区域，所需的热处理强度高，所述热循环温度曲线的频率为2～10Hz，过热次数为4～10；

步骤3，确定激光扫描方式及扫描工艺参数：

根据得到的热循环温度曲线确定激光扫描方式及扫描工艺参数；

Ⅰ确定所述激光扫描方式，包括扫描模式和扫描策略；

ⅰ确定激光扫描方式

确定的激光扫描模式为重复扫描模式或平移扫描模式或重复扫描模式与平移扫描模式的组合；

ⅱ所述的扫描策略有单向扫描和双向扫描；

Ⅱ通过温度场测试校准实验或数值模拟软件确定扫描工艺参数；

步骤4，钛合金的激光扫描热处理：

按照确定的扫描工艺参数，使用激光多次扫描钛合金零件的待处理区域，形成所述热循环曲线条件，使马氏体快速分解；具体过程是：

4.1零件表面的预处理；

4.2放置零件：将零件固定在激光热处理加工室的工作台上；

4.3建立坐标系：建立所述零件的坐标系，并使该坐标系的原点O位于该零件一端端面的直角处，以该零件的长度方向作为该坐标系的x方向，以该零件的高度方向作为该坐标系的z方向，以该零件的宽度方向作为该坐标系的y方向；

4.4充入保护气：通过激光热处理装置的保护气进口向激光热处理加工室内充入纯度为99.99％的氩气作为保护气，同时打开保护气出口，通过气体循环使工作室中的氧含量低于1000ppm；

4.5预热零件：采用电阻方式或感应加热方式将零件预热至热循环曲线峰谷温度；

4.6扫描：以所述坐标系的原点O处为激光扫描起始点，采用确定的激光扫描模式对零件进行激光扫描热处理；激光扫描时，按设定的扫描参数完成当前扫描道的激光扫描，并重复当前扫描道的激光扫描过程，继续其余各扫描道的激光扫描，直至激光束扫描完该待热处理区；使激光进入下一个待热处理区，重复前一待热处理区的激光扫描过程，完成当前待热处理区的激光扫描；循环重复所述激光进入下一个待热处理区，重复前一待热处理区的激光扫描的过程，直至激光束扫描完所有待热处理区，完成零件的激光扫描热处理。

2.如权利要求1所述钛合金的激光热处理方法，其特征在于，所述数值分析方法是采用基于温度场的固态相变模型估算马氏体初始分解程度。

3.如权利要求1所述钛合金的激光热处理方法，其特征在于：

所述重复扫描模式为：在同一扫描道上进行第一次扫描后，进行第二次扫描，直至完成第n次扫描后再变换扫描道，进行后续的扫描；n等于过热次数，且n>1；

所述平移扫描模式为：扫描1个单程后就变换扫描道，进行后续的扫描；

所述重复扫描模式与平移扫描模式的组合，是根据零件中不同区域选择的不同扫描模式，分别采用重复扫描模式或平移扫描模式进行扫描；

热循环温度曲线中所述的过热次数通过确定的所述激光扫描模式实现。

4.如权利要求1所述钛合金的激光热处理方法，其特征在于，所述的扫描策略有单向扫描和双向扫描；当扫描策略为单向扫描时，激光束扫描完一个单程后，回到此次扫描的起始点，采用相同的扫描方向进行下一次扫描；当扫描策略为双向扫描时，激光束扫描完一个单程后，采用与上一次相反的扫描方向进行下一次扫描。

5.如权利要求1所述钛合金的激光热处理方法，其特征在于，所述激光扫描工艺参数包括激光功率、激光扫描速度、光斑直径、激光扫描道间距、激光重复扫描次数；确定的激光功率为500～1500W，确定的激光扫描速度为5～100mm/s，确定的光斑直径为2～5mm，确定的激光扫描道间距为0.5～50mm，确定的激光重复扫描次数为1～10次。

6.如权利要求1所述钛合金的激光热处理方法，其特征在于，在采用确定的激光扫描模式对零件进行激光扫描热处理时：

Ⅰ当采用重复扫描模式时，激光扫描过程的具体过程是：

ⅰ第一扫描道的激光扫描

通过工作台和激光束之间的相对运动使激光沿x轴方向移动，按设定的扫描参数对当前扫描道重复扫描后，完成第一扫描道的激光扫描；

ⅱ第二扫描道的激光扫描

通过工作台和激光束之间的相对运动，使激光沿y轴方向移动一个扫描道间距来完成扫描道的变换，使激光到达下一个扫描道的起点，之后通过工作台和激光束之间的相对运动使激光沿x轴方向移动，按设定的扫描参数完成当前扫描道的激光扫描；

ⅲ继续其余各扫描道的激光扫描

重复第二扫描道的激光扫描的过程，直至完成各扫描道的激光扫描，即完成整个待热处理区，实现对该零件的激光扫描热处理，得到经过激光扫描热处理的零件；更进一步地，当零件中存在多个热处理区时，通过工作台和激光束之间的相对运动使激光进入下一个待热处理区；重复所述第一扫描道的激光扫描过程和第二扫描道的激光扫描过程，直至激光束扫描完该待热处理区；继续通过工作台和激光束之间的相对运动使激光进入下一个待热处理区，直至激光束扫描完所有待热处理区，完成零件的激光扫描热处理；

Ⅱ当采用平移扫描模式时，激光扫描过程的具体实现包括如下几个内容

ⅰ第一扫描道的激光扫描

通过工作台和激光束之间的相对运动使激光沿x轴方向移动，按设定的扫描参数对当前扫描道扫描1次后，完成第一扫描道的激光扫描；

ⅱ第二扫描道的激光扫描

通过工作台和激光束之间的相对运动，使激光沿y轴方向移动一个扫描道间距来完成扫描道的变换，使激光到达下一个扫描道的起点，之后通过工作台和激光束之间的相对运动使激光沿x轴方向移动，按设定的扫描参数完成当前扫描道的激光扫描；

ⅲ继续其余各扫描道的激光扫描

重复第二扫描道的激光扫描的过程，直至完成各扫描道的激光扫描，即完成整个待热处理区，实现对该零件的激光扫描热处理，得到经过激光扫描热处理的零件；更进一步地，当零件中存在多个热处理区时，需要通过工作台和激光束之间的相对运动使激光进入下一个待热处理区；重复第一扫描道的激光扫描过程和第一扫描道的激光扫描过程，直至激光束扫描完该待热处理区；继续通过工作台和激光束之间的相对运动使激光进入下一个待热处理区，直至激光束扫描完所有待热处理区，完成零件的激光扫描热处理；

Ⅲ当采用重复扫描与平移扫描组合的扫描模式时，对于零件中选择采用重复扫描模式的区域进行重复扫描，对于选择采用平移扫描模式的区域进行平移扫描。