CN115007879B - 具有梯度微观结构的钛合金零件的直接制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种具有梯度微观结构的钛合金零件的直接制造方法，属于钛合金材料技术领域。本发明的方法包括：a.相变点温度测试、三维模型设计b.先在基板上铺设一层粉末，采用聚焦电子束快速扫描预热一层粉末，进行预热；c.成型d.在c步骤凝固的粉末层上再次铺设一层粉末，并再次采用b步骤中的参数进行预热，以及采用c步骤中的参数进行熔化以形成新的凝固层；e重复步骤d，直至钛合金零件加工完成；f.零件加工完成后，冷却得到具有梯度微观结构的钛合金零件。本发明提供了一种具有微观梯度结构高强钛合金零件的一次成型方法。具有成型精度高、加工周期短、材料利用率高的优势。
Description
技术领域
本发明涉及一种具有梯度微观结构的钛合金零件的直接制造方法，属于钛合金材料技术领域。
背景技术
Ti-5Al-5Mo-5V-3Cr-1Fe(TC18)是一种典型的高强钛合金，具有强度高，断裂韧性好，抗腐蚀性能优异等特性，是航空航天中重要的结构材料，在飞机、卫星以及其他航天飞行器的结构部件中具有重要的应用前景。
梯度微观结构是指材料在空间中相尺寸、相形貌或者相成分存在连续梯度变化的一种显微组织。高强钛合金的梯度微观结构在航空航天中具有较大的应用前景。比如在太空中服役的钛合金部件，其外部需面临宇宙中低温和辐射的恶劣环境，而内部则与常规环境一致。因此，相关部件的制造材料要求性能和功能随零件位置的变化而变化，而采用梯度的微观组织则可有效克服同一材料内部的性能冲突。传统加工方法在制造钛合金的微观梯度结构时需选择两种或者多种成分不同、性能不同的材料进行组合，利用带压烧结等方式成型，工艺流程复杂，成本较高，质量稳定性控制较差。
电子束选区熔化技术，是一种粉末床式的金属3D打印技术，采用高能聚焦电子束作为热源，在CAD模型的引导下对金属粉末进行选择性烧结，通过逐层累加的方式实现金属部件的直接制造。基于此，电子束选区熔化技术在加工金属部件时具有原材料利用率高、加工周期短、可以直接成型几何结构复杂的零件等优点。电子束选区熔化技术加工过程中，可以采用高能电子束对粉末层进行预热处理，随后再进行熔化成型。由于其成型舱内处于高真空状态，且热量是向下传导。因此在加工钛合金这类热导率较差的材料时，很容易在成型方向上产生热量积累，使得部件的温度随着成型高度的增加而增加，导致钛合金不同位置的微观组织的析出状态不同，不能形成连续的梯度微观结构。
蔡雨升，金光，锁红波等.电子束快速成形TC18钛合金的显微组织与硬度的关系[J].航空制造技术，2014(19):5.公开研究了电子束快速成形TC18钛合金(简称KTC18)3种典型退火制度下显微组织演化规律及与显微硬度的关系.结果表明，在700～830℃单一退火条件下,合金相组成为初生α相与亚稳β相，随着温度升高，初生α相体积分数减少，基体显微硬度变化较小；在双重退火条件下,500～650℃之间低温退火过程中会析出细小，编织排列的条状α相，可显著提高基体硬度,随着低温退火温度升高，α析出相粗化且数量变少,导致基体硬度降低；三重退火条件下，高温炉冷和中温退火过程中会产生粗大的竹叶状一次α相,其数量随中温退火温度升高而减少，对显微硬度影响较小.低温退火析出的细小,弥散α相对KTC18显微硬度影响最大，其数量和尺寸取决于其他类型α相的数量和低温退火制度。然而其不能形成连续梯度结构，且需要退火，退火工艺复杂。
发明内容
本发明的目的是提供一种具有梯度微观结构的钛合金零件的直接制造方法。
为达到本发明的目的，所述具有梯度微观结构的钛合金零件的直接制造方法包括：
a.相变点温度测试、三维模型设计
所述相变点温度测试为：对所需成型的高强钛合金进行相转变点测试，获得β相向α相转变的临界温度点Tβ；
所述三维模型设计为：根据需要成型的钛合金零件的几何形状，开展三维模型的建模，得到三维模型；随后将三维模型在切片软件中进行离散化切片处理，随后导入电子束选区熔化设备中，并在设备中设置加工参数，所述离散切片的厚度为30～120μm；
b.先在基板上铺设一层粉末，采用聚焦电子束快速扫描预热一层粉末，进行预热，零件在成型前5～15mm高度时，每个粉末层的预热温度为Tβ下180～250℃；随着成型高度每增加5～15mm，每个粉末层的预热温度随之增加5～15℃，当温度加热至Tβ下120～150℃后不再随着高度的增加而升温，直至零件加工完成；
c.成型：b步骤预热后，控制高能电子束按照a步骤中设置的扫描路径和加工参数扫描粉末层，使扫描区域内的粉末熔化并凝固，c步骤的电子束扫描速度为4000～7500mm/s，电流为13～19mA；
d.在c步骤凝固的粉末层上再次铺设一层粉末，并再次采用b步骤中的参数进行预热，以及采用c步骤中的参数进行熔化以形成新的凝固层；
e重复步骤d，直至钛合金零件加工完成；
f.零件加工完成后，冷却得到具有梯度微观结构的钛合金零件；
所述粉末为钛合金粉末，所述粉末的粒度为45～130μm。
粉末层厚以达到离散切片的厚度为30～120μm为准；
所述粉末的成分为(wt.％)：Al:4.5～5.5％，Mo:4.5～5.2％，V:4.5～5.2％，Cr:0.7～1.3％，Fe:0.7～1.3％，O:≤0.18％，C:≤0.10％，N:≤0.05％，H:≤0.015％，Ti为余量。
钛合金粉末可以为近β型或者亚稳β型钛合金粉末。
在一种具体实施方式中，所述Tβ的测试采用热分析方法，钛合金原材料棒材采用热膨胀仪。
在一种具体实施方式中，所述粉末的霍尔流速为20～23s/50g。
在一种具体实施方式中，所述铺设在真空条件下进行。
在一种具体实施方式中，所述粉末在铺设前还在真空条件下进行了烘干，所述烘干的温度为80℃～120℃，烘干时间为8～10h。
在一种具体实施方式中，b步骤所述预热采用的电子束扫描速率为8000～12000mm/s。
在一种具体实施方式中，b步骤所述预热采用的电子束电流为32～36mA。
在一种具体实施方式中，c步骤所述扫描的间距为0.10～0.15mm。
在一种具体实施方式中，f步骤所述冷却为先随炉冷却至380～420℃，随后充入高纯氩气冷却至室温。
本发明的第二个目的是提供一种具有梯度微观结构的TC18钛合金零件。
为达到本发明的第二个目的，所述的具有梯度微观结构的TC18钛合金零件采用上述的方法制备得到；单个零件采用同一种钛合金粉末组成的梯度结构。
传统方法是将不同材料的粉末堆叠在一起，然后通过压制烧结才能形成梯度结构，本质上是不同位置是不同的元素或者不同的合金粉末组成的梯度结构，而本发明是单一合金粉末直接成型析出的梯度组织。
有益效果：
1、本发明提供了一种具有微观梯度结构钛合金零件的一次成型方法。相对于传统粉末冶金技术加工梯度微观结构零件，本发明不需要多种不同的材料进行复合制造，通过利用电子束选区熔化技术真空环境中的热积累效应直接实现单种钛合金材料的片层微观梯度结构的制造。
2、与传统加工技术相比，本发明可以实现复杂几何结构零件的一次成型，可以根据实际使用的工况进行梯度微观结构零件进行定制化加工，同时无需任何后处理，具有成型精度高、加工周期短、材料利用率高的优势。
3、本发明适用于近β型或者亚稳β型钛合金，选区电子束熔化技术的热效应可以直接实现不同牌号片层组织的均匀析出，同时在沉积方向上构建连续变化的梯度微观结构，具有组织均匀、力学性能优异的优点。
附图说明
图1为热膨胀仪测试的TC18钛合金的相变点图；
图2为本发明的球形粉末图；
图3为本发明成型的零件实物图；
图4为成型的零件在5mm高度处的扫描电镜图；
图5为成型的零件在30mm高度处的扫描电镜图；
图6为成型的零件在55mm高度处的扫描电镜图；
图7为对比例1成型样品图。
具体实施方式
为达到本发明的目的，所述具有梯度微观结构的钛合金零件的直接制造方法包括：
a.相变点温度测试、三维模型设计
所述相变点温度测试为：对所需成型的高强钛合金进行相转变点测试，获得β相向α相转变的临界温度点Tβ；
所述三维模型设计为：根据需要成型的钛合金零件的几何形状，开展三维模型的建模，得到三维模型；随后将三维模型在切片软件中进行离散化切片处理，随后导入电子束选区熔化设备中，并在设备中设置加工参数，所述离散切片的厚度为30～120μm；
b.先在基板上铺设一层粉末，采用聚焦电子束快速扫描预热一层粉末，进行预热，零件在成型前5～15mm高度时，每个粉末层的预热温度为Tβ下180～250℃；随着成型高度每增加5～15mm，每个粉末层的预热温度随之增加5～15℃，当温度加热至Tβ下120～150℃后不再随着高度的增加而升温，直至零件加工完成；
c.成型：b步骤预热后，控制高能电子束按照a步骤中设置的扫描路径和加工参数扫描粉末层，使扫描区域内的粉末熔化并凝固，c步骤的电子束扫描速度为4000～7500mm/s，电流为13～19mA；
d.在c步骤凝固的粉末层上再次铺设一层粉末，并再次采用b步骤中的参数进行预热，以及采用c步骤中的参数进行熔化以形成新的凝固层；
e重复步骤d，直至钛合金零件加工完成；
f.零件加工完成后，冷却得到具有梯度微观结构的钛合金零件；
所述粉末为钛合金粉末，所述粉末的粒度为45～130μm；
所述粉末的成分为(wt.％)：Al:4.5～5.5％，Mo:4.5～5.2％，V:4.5～5.2％，Cr:0.7～1.3％，Fe:0.7～1.3％，O:≤0.18％，C:≤0.10％，N:≤0.05％，H:≤0.015％，Ti为余量。
钛合金粉末可以为近β型或者亚稳β型钛合金粉末。
在一种具体实施方式中，所述Tβ的测试采用热分析方法，钛合金原材料棒材采用热膨胀仪。
在一种具体实施方式中，所述粉末的霍尔流速为20～23s/50g。
在一种具体实施方式中，所述铺设在真空条件下进行。
在一种具体实施方式中，所述粉末在铺设前还在真空条件下进行了烘干，所述烘干的温度为80℃～120℃，烘干时间为8～10h。
在一种具体实施方式中，b步骤所述预热采用的电子束扫描速率为8000～12000mm/s。
在一种具体实施方式中，b步骤所述预热采用的电子束电流为32～36mA。
在一种具体实施方式中，c步骤所述扫描的间距为0.10～0.15mm。
在一种具体实施方式中，f步骤所述冷却为先随炉冷却至380～420℃，随后充入高纯氩气冷却至室温。
本发明的第二个目的是提供一种具有梯度微观结构的TC18钛合金零件。
为达到本发明的第二个目的，所述的具有梯度微观结构的TC18钛合金零件采用上述的方法制备得到；单个零件采用同一种钛合金粉末组成的梯度结构。
传统方法是将不同材料的粉末堆叠在一起，然后通过压制烧结才能形成梯度结构，本质上是不同位置是不同的元素或者不同的合金粉末组成的梯度结构，而本发明是单一合金粉末直接成型析出的梯度组织。
下面结合实施例对本发明的具体实施方式做进一步的描述，并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。
实施例1
本实施例提供了一种具有微观梯度结构的TC18合金立方结构零件的成型方法，零件的尺寸为：20mm(长)×20mm(宽)×60mm(高)。本实施例基于电子束选区熔化技术成型有微观梯度结构的TC18合金立方结构零件的主要步骤如下：
步骤一：采用热膨胀仪对TC18高强钛合金进行相转变点测试，获得β相向α相转变的临界温度点Tβ；所述温度点Tβ的单位为℃。
本实施例所测试得到的TC18合金的Tβ温度为870℃，如图1中的Tβ温度点；
步骤二：根据需要成型的TC18钛合金零件进行三维模型建模，随后将模型导入切片软件中进行分层切片处理，将切片文件导入电子束选区熔化设备中，并在电子束选区熔化设备中设定电子束扫描路径和相应的加工参数；
本实施例中采用CATIA软件对TC18合金立方结构零件进行建模并导出成为stl格式，随后导入切片软件进行切片处理，切片厚度50μm，获得切片后的数据。将切片处理后的数据导入选区电子束熔化设备，并设置相关参数。
步骤三：将TC18高强钛合金球形粉末放入真空干燥箱中进行烘干处理，随后将烘干后的球形粉末倒入电子束选区熔化设备中，并将设备内部抽至真空；
本实施例中采用粒度范围为50-95μm的TC18球形粉末，形貌分别如图2所示，霍尔流速为22s/50g，成分为(wt.％)：Al:4.9％,Mo:4.8％,V:4.9％,Cr:0.9％,Fe:0.9％,O:0.18％,C:0.10％,N:0.04％,H:≤0.012％,Ti为余量。球形粉末的烘干温度为100℃，烘干时间为10h。随后将粉末转移到电子束熔化设备的粉末舱后，将舱内真空度抽至1.0×10- 3Pa；
步骤四：在成型基板上铺设一层均匀的TC18合金粉末，随即采用高能电子束快速扫描粉末层对其进行预热，预热至温度低于Tβ下180-250℃。
本实施例中初始预热阶段采用的参数为：粉末预热温度(870-240＝630℃)，预热电流为35.8mA，扫描速度为11000mm/s。
步骤五：控制高能电子束零件按照步骤二中设置的扫描路径和加工参数扫描粉末层，使扫描区域内的粉末熔化并凝固。
本实施例中所有高度熔化成型采用的电子束扫描速度在4530mm/s，电流为15.5mA，扫描间距为0.12mm。成型阶段的预热通过降低扫描速率增加预热温度；在10-20mm的高度范围内，预热温度增加5℃为645℃；在20-30mm的高度范围内，预热温度再增加5℃，为650℃；在30-40mm的高度范围内，预热温度再增加5℃，为655℃；在40-50mm的高度范围内，预热温度再增加5℃，为660℃；在50-60mm的高度范围内，预热温度再增加5℃，为665℃。
步骤六：在凝固的粉末层上再次铺设一层TC18粉末层，并再次预热和熔化以形成新的凝固层；
每预热和熔化一层TC18粉末后，再次铺设一层粉末进行预热和熔化。
步骤七：重复步骤四至步骤六，直至TC18合金零件加工完成。
重复步骤四至步骤六，不断逐层预热和熔化实现材料累积，制造出TC18钛合金零件，如图3所示。
步骤八：零件加工完成时，舱内温度保持在665℃左右，先随炉冷却至400℃，随后充入高纯氩气快速冷却至室温。
本申请实施例制造的TC18钛合金零件在高度5mm、30mm和55mm处的微观组织分别如图4-6所示，结果表明在5mm高度下TC18钛合金析出了α片层和残余β相组成的片层组织，α片层平均宽度为0.86μm，α片层体积分数为57.5％；在30mm高度处析出了α片层、残余β相以及纳米级次生α相组成的双片层组织,α片层平均宽度为0.75μm,α片层体积分数为48.3％，纳米级次生α相平均长度为134nm；在60mm高度处析出了α片层、残余β相以及微米级次生α相组成的双片层组织，α片层平均宽度为0.64μm,α片层体积分数为35.3％，微米级次生α相平均长度为3.5μm，形成了连续的梯度变化的微观结构。由测试可知，由于连续的微观组织变化，零件在不同位置处的力学性能也发生了连续变化，随着成型高度的增加，强度提升，塑性下降。
表1实施例1检测结果
| 取样位置 | 抗拉强度(MPa) | 屈服强度(MPa) | 延伸率(％) |
| 5mm高度处 | 1056 | 1021 | 14.5 |
| 30mm高度处 | 1089 | 1065 | 12.1 |
| 55mm高度处 | 1112 | 1095 | 10.8 |
实施例2
本实施例提供了一种具有微观梯度结构的TC18钛合金航空挂钩零件的成型方法，挂钩零件的尺寸为：55mm(长)×6.5mm(厚)×75.5mm(高)。本实施例基于电子束选区熔化技术成型有微观梯度结构的TC18钛合金航空挂钩零件的主要步骤如下：
步骤一：采用热膨胀仪对TC18高强钛合金进行相转变点测试，获得β相向α相转变的临界温度点Tβ；所述温度点Tβ的单位为℃。
本实施例所测试得到的TC18合金的Tβ温度为870℃，如图2中的Tβ温度点；
步骤二：根据需要成型的TC18钛合金零件进行三维模型建模，随后将模型导入切片软件中进行分层切片处理，将切片文件导入电子束选区熔化设备中，并在电子束选区熔化设备中设定电子束扫描路径和相应的加工参数；
本实施例中采用CATIA软件对TC18合金航空挂钩零件进行建模并导出成为stl格式，随后导入切片软件进行切片处理，切片厚度50μm，并对成型挂钩添加相关的支撑，获得添加支撑和切片后的模型数据。将切片处理和添加支撑后的数据导入选区电子束熔化设备，并设置相关参数。
步骤三：将TC18高强钛合金球形粉末放入真空干燥箱中进行烘干处理，随后将烘干后的球形粉末倒入电子束选区熔化设备中，并将设备内部抽至真空；
本实施例中采用粒度范围为45-100μm的TC18球形粉末，其平均粒度为75μm，霍尔流速为22s/50g，成分为(wt.％)：Al:4.9％，Mo:4.8％，V:4.9％，Cr:0.9％，Fe:0.9％，O:0.18％，C:0.10％，N:0.04％，H:≤0.012％，Ti为余量。球形粉末的烘干温度为100℃，烘干时间为8-10h。随后将粉末转移到电子束熔化设备的粉末舱后，将舱内真空度抽至1.0×10- 3Pa；
步骤四：在成型基板上铺设一层均匀的TC18合金粉末，随即采用高能电子束快速扫描粉末层对其进行预热，预热至温度低于Tβ下180-250℃。
本实施例初始10mm高度内的预热参数为：粉末预热温度(870-230＝640℃)，预热电流为35.8mA，扫描速度为11000mm/s。
步骤五：控制高能电子束零件按照步骤二中设置的扫描路径和加工参数扫描粉末层，使扫描区域内的粉末熔化并凝固。
本实施例中所有高度熔化成型采用的电子束扫描速度在4600mm/s，电流为15.8mA，扫描间距为0.11mm。成型阶段的预热通过降低扫描速率增加预热温度；在10-25mm的高度范围内，预热温度增加5℃，为645℃；在25-40mm的高度范围内，预热温度再增加5℃，为650℃；在40-55mm的高度范围内，预热温度再增加5℃，为655℃；在55-70mm的高度范围内，预热温度再增加5℃，为660℃，保持该预热温度直至零件加工完成；
步骤六：在凝固的粉末层上再次铺设一层TC18粉末层，并再次预热和熔化以形成新的凝固层；
每预热和熔化一层TC18粉末后，再次铺设一层粉末进行预热和熔化。
步骤七：重复步骤四至步骤六，直至TC18合金零件加工完成。
重复步骤四至步骤六，不断逐层预热和熔化实现材料累积，制造出TC18钛合金零件。
步骤八：零件加工完成时，舱内温度保持在660℃左右，先随炉冷却至400℃，随后充入高纯氩气快速冷却至室温。
本申请实施例制造的TC18钛合金挂钩零件在高度5mm、40mm和70mm处的力学性能也发生了连续变化，随着成型高度的增加，强度提升，塑性下降，如下表所示。
表2实施例2检测结果
| 取样位置 | 抗拉强度(MPa) | 屈服强度(MPa) | 延伸率(％) |
| 5mm高度处 | 1065 | 1044 | 13.8 |
| 40mm高度处 | 1095 | 1072 | 12.3 |
| 70mm高度处 | 1121 | 1089 | 9.8 |
实施例3
本实施例提供了一种具有微观梯度结构的Ti55531钛合金棒状零件的成型方法，零件的尺寸为：Φ30mm×120mm。本实施例基于电子束选区熔化技术成型有微观梯度结构的Ti55531钛合金航空棒状零件的主要步骤如下：
步骤一：采用热膨胀仪对Ti55531高强钛合金进行相转变点测试，获得β相向α相转变的临界温度点Tβ；所述温度点Tβ的单位为℃。
本实施例所测试得到的Ti55531合金的Tβ温度为840℃；
步骤二：根据需要成型的Ti55531钛合金零件进行三维模型建模，随后将模型导入切片软件中进行分层切片处理，将切片文件导入电子束选区熔化设备中，并在电子束选区熔化设备中设定电子束扫描路径和相应的加工参数；
本实施例中采用CATIA软件对Ti55531合金棒状零件进行建模并导出成为stl格式，随后导入切片软件进行切片处理，切片厚度50μm，获得切片后的模型数据。将切片处理后的数据导入选区电子束熔化设备，并设置相关参数。
步骤三：将Ti55531高强钛合金球形粉末放入真空干燥箱中进行烘干处理，随后将烘干后的球形粉末倒入电子束选区熔化设备中，并将设备内部抽至真空；
本实施例中采用粒度范围为55-135μm的Ti55531球形粉末，其平均粒度为105.6μm，霍尔流速为24s/50g，成分为(wt.％)：Al:5.10％，Mo:4.96％，V:4.91％，Cr:2.89％，Zr:0.95％，O:0.13％，C:0.10％，N:0.04％，H:≤0.01％,Ti为余量。球形粉末的烘干温度为100℃，烘干时间为8h。随后将粉末转移到电子束熔化设备的粉末舱后，将舱内真空度抽至1.0×10-3Pa；
步骤四：在成型基板上铺设一层均匀的Ti55531合金粉末，随即采用高能电子束快速扫描粉末层对其进行预热，预热至温度低于Tβ下180-250℃。
本实施例初始15mm高度内的预热参数为：粉末预热温度(840-200＝640℃)，预热电流为34.5mA，扫描速度为12000mm/s。
步骤五：控制高能电子束零件按照步骤二中设置的扫描路径和加工参数扫描粉末层，使扫描区域内的粉末熔化并凝固。
本实施例中所有高度熔化成型采用的电子束扫描速度在4500mm/s，电流为17.0mA，扫描间距为0.11mm。成型阶段的预热通过降低扫描速率增加预热温度；在15-30mm的高度范围内，预热温度增加5℃，为645℃；在30-45mm的高度范围内，预热温度再增加5℃，为650℃；在45-60mm的高度范围内，预热温度再增加5℃，为655℃；在60-75mm的高度范围内，预热温度再增加5℃，为660℃；在75-90mm的高度范围内，预热温度再增加5℃，为665℃；在90-105mm的高度范围内，预热温度再增加5℃，为670℃；保持该预热温度直至零件加工完成；
步骤六：在凝固的粉末层上再次铺设一层Ti55531粉末层，并再次预热和熔化以形成新的凝固层；
每预热和熔化一层Ti55531粉末后，再次铺设一层粉末进行预热和熔化。
步骤七：重复步骤四至步骤六，直至Ti55531合金零件加工完成。
重复步骤四至步骤六，不断逐层预热和熔化实现材料累积，制造出Ti55531钛合金零件。
步骤八：零件加工完成时，舱内温度保持在670℃左右，先随炉冷却至400℃，随后充入高纯氩气快速冷却至室温。
本申请实施例制造的Ti55531钛合金挂钩零件在高度10mm、60mm和110mm处的压缩强度，结果表明零件在不同位置处的力学性能也发生了连续变化，随着成型高度的增加，强度和硬度提升，如下表所示。
表3实施例3检测结果
| 取样位置 | 压缩强度(MPa) | 屈服强度(MPa) | 维氏硬度(Hv) |
| 10mm高度处 | 1995 | 1680 | 311 |
| 60mm高度处 | 2156 | 1926 | 328 |
| 110mm高度处 | 2330 | 2005 | 345 |
对比例1
其他与实施例1相似，与实施例1不同的是在10-20mm的高度范围内，预热温度增加20℃为660℃；在20-30mm的高度范围内，预热温度再增加20℃，为680℃；在30-40mm的高度范围内，预热温度再增加20℃，为700℃；在40-50mm的高度范围内，预热温度再增加20℃，为720℃；在50-60mm的高度范围内，预热温度再增加20℃，为740℃。如图7所示，表面呈现出严重的过烧结现象，无法实现钛合金的高质量成型。
对比例2
其他与实施例1相似，与实施例1不同的是在10-20mm的高度范围内，预热温度增加3℃为643℃；在20-30mm的高度范围内，预热温度再增加3℃，为646℃；在30-40mm的高度范围内，预热温度再增加4℃，为650℃；在40-50mm的高度范围内，预热温度再增加4℃，为654℃；在50-60mm的高度范围内，预热温度再增加3℃，为657℃。最终得到的产品析出的组织差异不大。不能形成梯度组织。
对比例3
其他与实施例1相似，唯一不同的是：Al:6.0％，V:4.0％，Fe:0.20％，O:≤0.18％，C:≤0.10％，N:≤0.05％，H:≤0.015％，Ti为余量”，无法获得片层向双片层过渡的梯度组织，只能获得单片层尺寸变大的梯度组织，性能随梯度变化较小，不能满足制造材料要求性能和功能随零件位置的变化而变化的要求。
Claims (10)
1.具有梯度微观结构的钛合金零件的直接制造方法，其特征在于，所述方法包括：
a.相变点温度测试、三维模型设计
所述相变点温度测试为：对所需成型的高强钛合金进行相转变点测试，获得β相向α相转变的临界温度点Tβ；
所述三维模型设计为：根据需要成型的钛合金零件的几何形状，开展三维模型的建模，得到三维模型；随后将三维模型在切片软件中进行离散化切片处理，随后导入电子束选区熔化设备中，并在设备中设置加工参数，所述切片的厚度为30～120μm；
b.先在基板上铺设一层粉末，采用聚焦电子束快速扫描预热一层粉末，进行预热，零件在成型前5～15mm高度时，每个粉末层的预热温度为Tβ下180～250℃；随着成型高度每增加5～15mm，每个粉末层的预热温度随之增加5～15℃，当温度加热至Tβ下120～150℃后不再随着高度的增加而升温，直至零件加工完成；
c.成型：b步骤预热后，控制高能电子束按照a步骤中设置的扫描路径和加工参数扫描粉末层，使扫描区域内的粉末熔化并凝固，c步骤的电子束扫描速度为4000～7500mm/s，电流为13～19mA；
d.在c步骤凝固的粉末层上再次铺设一层粉末，并再次采用b步骤中的参数进行预热，以及采用c步骤中的参数进行熔化以形成新的凝固层；
e重复步骤d，直至钛合金零件加工完成；
f.零件加工完成后，冷却得到具有梯度微观结构的钛合金零件；
所述粉末为钛合金粉末，所述粉末的粒度为45～130μm；
所述粉末的成分为(wt.%)：Al: 4.5～5.5%，Mo: 4.5～5.2%，V: 4.5～5.2%， Cr: 0.7～1.3%，Fe: 0.7～1.3%，O: ≤0.18%， C: ≤0.10%， N: ≤0.05%，H: ≤0.015%，Ti为余量。
2.根据权利要求1所述的具有梯度微观结构的钛合金零件的直接制造方法，其特征在于，所述粉末的霍尔流速为20～23s/50g。
3.根据权利要求1或2所述的具有梯度微观结构的钛合金零件的直接制造方法，其特征在于，所述粉末为球形粉末。
4.根据权利要求1或2所述的具有梯度微观结构的钛合金零件的直接制造方法，其特征在于，所述铺设在真空条件下进行。
5.根据权利要求1或2所述的具有梯度微观结构的钛合金零件的直接制造方法，其特征在于，所述粉末在铺设前还在真空条件下进行了烘干，所述烘干的温度为80℃～120℃，烘干时间为8～10h。
6.根据权利要求1或2所述的具有梯度微观结构的钛合金零件的直接制造方法，其特征在于，b步骤所述预热采用的电子束扫描速率为8000～12000mm/s。
7.根据权利要求1或2所述的具有梯度微观结构的钛合金零件的直接制造方法，其特征在于，b步骤所述预热采用的电子束电流为32～36mA。
8.根据权利要求1或2所述的具有梯度微观结构的钛合金零件的直接制造方法，其特征在于，c步骤所述扫描的间距为0.10～0.15mm。
9.根据权利要求1或2所述的具有梯度微观结构的钛合金零件的直接制造方法，其特征在于，f步骤所述冷却为先随炉冷却至380～420℃，随后充入高纯氩气冷却至室温。
10.具有梯度微观结构的钛合金零件，其特征在于，所述的具有梯度微观结构的钛合金零件采用权利要求1～9任一项所述的方法制备得到；单个零件采用同一种钛合金粉末组成的梯度结构。
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