CN115011828A - 一种激光熔覆沉积制备高强Ti185合金的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种激光熔覆沉积制备高强Ti185合金的方法，该方法包括：一、装粉；二、对激光熔覆沉积设备的底板添加加热装置并对底板加热至460℃～500℃保温；三、送粉在底板上形成铺粉层；四、熔化扫描形成单层实体片层，升高激光器；五、重复上述工艺直至各单层实体片层逐层堆积得到Ti185合金。本发明通过对底板添加加热装置，使得激光熔覆沉积过程中反复进行热处理，有利于Ti185合金内部热应力逐步释放，促进了合金内部组织趋于均一，避免了Fe元素偏析产生β斑缺陷，同时促进了纳米α相的析出，使得Ti185合金的强度和塑性提高，因而可制作为高强度部件，适用范围广泛。
Description
技术领域
本发明属于合金材料制备技术领域，具体涉及一种激光熔覆沉积制备高强Ti185合金的方法。
背景技术
钛合金由于比强度高、耐腐蚀性能强、服役寿命长等优点，在航空、航天、船舶等领域得到了广泛应用。在航空领域，钛合金主要应用在飞机骨架、舱门、起落架等零部件上。随着航空航天事业的快速发展，常规的钛合金材料难以满足其需求，于是高强钛合金进入了人们的视线。
Ti185合金(Ti-1Al-8V-5Fe)属于亚稳β钛合金，具有较高的抗拉强度和剪切强度，广泛应用于航空紧固件和一些对于强度要求较高的零部件。此外，该合金相比于其他亚稳β钛合金，成本较低，Ti185合金含有较高含量的低成本的Fe，相比于高成本的Mo、V、Cr等β稳定元素，添加较高含量的Fe可降低合金的成本。但研究显示，钛合金中添加超过2.5wt％含量的Fe，在合金熔炼制备过程中会产生Fe元素的偏析，形成“β斑”，导致合金的力学性能显著降低。通常情况下，合金制备过程中要采用多次熔炼、热变形加工、热处理等方式来防止这种成分偏析，会增加其制备工序和成本。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供一种激光熔覆沉积制备高强Ti185合金的方法。该方法通过对激光熔覆沉积设备的底板添加加热装置，使得形成激光熔覆沉积成形件的过程中反复进行热处理，有利于Ti185合金内部热应力逐步释放，促进了Ti185合金内部组织趋于均一，避免了Fe元素偏析产生β斑缺陷，同时促进了Ti185合金中纳米α相的析出并发挥强化作用，综合提高了Ti185合金的强度和塑性。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种激光熔覆沉积制备高强Ti185合金的方法，其特征在于，通过对激光熔覆沉积设备的底板添加加热装置以调控底板温度，获得无成分偏析的纳米α相强化的高强钛合金，该方法具体包括以下步骤：
步骤一、将球形Ti185合金粉末放入激光熔覆沉积设备的送粉器中；
步骤二、对激光熔覆沉积设备的底板添加加热装置，然后对底板进行加热至460℃～500℃并保温；
步骤三、开启激光熔覆沉积设备的保护气氛装置和送粉器，根据目标产物高强Ti185合金的设计工艺进行送粉，并铺设在步骤二中加热保温的底板上形成铺粉层；
步骤四、开启激光熔覆沉积设备的激光器，按照设计的熔化扫描参数对步骤三中底板上形成的铺粉层进行熔化扫描，形成单层实体片层，然后升高激光器；
步骤五、重复步骤三中的送粉、铺设工艺、步骤四中的熔化扫描工艺和升高激光器工艺，直至各单层实体片层逐层堆积，形成激光熔覆沉积成形件，然后关闭加热装置和保护气氛装置，待底板降至室温后取出激光熔覆沉积成形件，得到Ti185合金；所述Ti185合金的抗拉强度为1248MPa以上，抗拉屈服强度为1201MPa以上，断后伸长率为5％以上。
本发明采用激光熔覆沉积的方法制备Ti185合金，通过对激光熔覆沉积设备的底板添加加热装置，将底板温度控制在460℃～500℃，使得在底板上铺粉、熔化扫描形成各单层实体片层后均经历了热处理过程，即制备得到激光熔覆沉积成形件的过程中反复进行热处理，使得Ti185合金内部热应力逐步释放，进而促进了Ti185合金内部组织趋于均一，避免了Ti185合金中发生成分偏析，特别是避免了Fe元素偏析产生β斑缺陷，提高了Ti185合金的力学性能。同时，本发明控制底板温度为460℃～500℃，促进了Ti185合金中纳米α相的析出，有效发挥了纳米α相的强化作用，综合提高了Ti185合金的强度和塑性。
上述的一种激光熔覆沉积制备高强Ti185合金的方法，其特征在于，步骤一中所述球形Ti185合金粉末由以下质量百分含量的成分组成：Al 0.8％～1.5％，V 7.5％～8.5％，Fe 4.0％～6.0％，O 0.1％～0.2％，余量为钛和不可避免的杂质。本发明通过对Ti185合金的化学成分进行控制，有利于组分均匀化，进而保证Ti185合金的力学性能。
上述的一种激光熔覆沉积制备高强Ti185合金的方法，其特征在于，步骤一中所述球形Ti185合金粉末的粒径为40μm～100μm。上述粒径的球形Ti185合金粉末流动性较好，有利于Ti185合金球形粉末在底板上均匀铺展，进而提高Ti185合金中各组分的均匀性，避免发生成分偏析现象；同时，上述粒径的球形Ti185合金粉末有利于提高激光熔覆沉积熔化过程中的熔化速度。
上述的一种激光熔覆沉积制备高强Ti185合金的方法，其特征在于，步骤二中所述加热的速度为10℃/min～30℃/min。上述的加热的速度，有利于底板的均匀加热保温，避免Ti185合金发生成分偏析现象。
上述的一种激光熔覆沉积制备高强Ti185合金的方法，其特征在于，步骤三中所述保护气氛装置送入的保护气氛为氩气，送气速度为16L/min，所述送粉的速度为0.12kg/h，所述铺粉层的厚度为0.35mm。本发明通过送入保护气氛氩气，有效避免了其他杂质气体对Ti185合金中组分的影响，减少了Ti185合金中的杂质含量；同时，本发明将铺粉层的厚度设置为0.35mm，以适应激光对球形Ti185合金粉末的熔化能力，保证了球形Ti185合金粉末的充分熔化成形。
上述的一种激光熔覆沉积制备高强Ti185合金的方法，其特征在于，步骤四中所述熔化扫描的方式为蛇形扫描，采用的激光功率为500W，熔化扫描速度为800mm/min。采用上述熔化扫描参数对球形Ti185合金粉末进行激光熔覆沉积制备Ti185合金，有效控制了成形过程中各片层的熔化质量，使得Ti185合金的内部组织均匀，有利于提高Ti185合金的强度。
上述的一种激光熔覆沉积制备高强Ti185合金的方法，其特征在于，步骤四中所述激光器的升高高度与步骤三中铺粉层的厚度一致。通过设置激光器的升高高度与铺粉层的厚度一致，保证了激光熔覆沉积成形的连续性，有利于激光熔覆沉积成形件均匀、连续成形，提高了Ti185合金的内部组织均匀。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1、本发明采用采用激光熔覆沉积的方法制备Ti185合金，通过对激光熔覆沉积设备的底板添加加热装置，使得形成激光熔覆沉积成形件的过程中反复进行热处理，有利于Ti185合金内部热应力逐步释放，进而促进了Ti185合金内部组织趋于均一，避免了Ti185合金中发生成分偏析，特别是避免了Fe元素偏析产生β斑缺陷，提高了Ti185合金的力学性能。
2、本发明通过控制激光熔覆沉积设备的底板温度为460℃～500℃，促进了Ti185合金中纳米α相的析出，有效发挥了纳米α相的强化作用，综合提高了Ti185合金的强度和塑性。
3、本发明制备的Ti185合金中无β斑缺陷，且Ti185合金的抗拉强度大于1248MPa，抗拉屈服强度大于1201MPa，断后伸长率大于5％，可用于制作高强度部件，适用范围广泛。
4、本发明仅需对激光熔覆沉积设备的底板添加加热装置，无需采用多次熔炼、热变形加工、热处理等方式以防止Fe元素偏析产生β斑缺陷，缩短了制备工序并节约了制备成本。
下面通过附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明实施例1制备的Ti185合金的SEM图。
图2为图1中方框区域的放大图。
具体实施方式
实施例1
本实施例包括以下步骤：
步骤一、将3kg球形Ti185合金粉末放入激光熔覆沉积设备的送粉器中；所述球形Ti185合金粉末由以下质量百分含量的成分组成：Al 1.37％，V 7.97％，Fe 4.43％，O0.14％，余量为钛和不可避免的杂质，所述球形Ti185合金粉末的粒径为40μm～100μm；
步骤二、对激光熔覆沉积设备的底板添加加热炉，将加热炉设置与底板的正下方，且加热炉上表面可加热尺寸(长×宽)为150mm×150mm，底板的尺寸(长×宽)为100mm×100mm，然后加热炉以10℃/min～30℃/min的速度升温至480℃，采用测温计对底板的不同部位进行测温，保证底板的温度加热至480℃并保温；
步骤三、开启激光熔覆沉积设备的保护气氛装置和送粉器，保护气氛装置送入的保护气氛为氩气，送气速度为16L/min，根据目标产物高强Ti185合金的设计工艺进行送粉，送粉的速度为0.12kg/h，并铺设在步骤二中加热保温的底板上形成厚度为0.35mm的铺粉层；
步骤四、待步骤三中的送粉工艺结束后，开启激光熔覆沉积设备的激光器，采用的激光功率为500W，采用蛇形扫描的方式、以800mm/min的熔化扫描速度对步骤三中底板上形成的铺粉层进行熔化扫描，形成单层实体片层，然后升高激光器0.35mm；
步骤五、重复步骤三中的送粉、铺设工艺、步骤四中的熔化扫描工艺和升高激光器工艺，直至各单层实体片层逐层堆积，形成激光熔覆沉积成形件，然后关闭加热装置和保护气氛装置，待底板降至室温后取出激光熔覆沉积成形件，得到Ti185合金。
经检测，本实施例制备的Ti185合金的抗拉强度为1289MPa，抗拉屈服强度为1253MPa，断后伸长率为7.5％。
图1为本实施例制备的Ti185合金的SEM图，图2为图1中方框区域的放大图，结合图1和图2可以看出，该Ti185合金的内部为纳米α相，即β晶粒内部为纳米α增强相。
对比例1
本对比例与实施例1的不同之处在于：本对比例步骤三中底板温度为25℃，即未对底板进行加热。
经检测，本对比例制备的Ti185合金的抗拉强度为1044MPa，抗拉屈服强度为1016MPa，断后伸长率为9％，未达到高强钛合金水平。
对比例2
本对比例与实施例1的不同之处在于：本对比例步骤三中底板温度为540℃。
经检测，本对比例制备的Ti185合金抗拉强度为1100MPa，抗拉屈服强度为1058MPa，断后伸长率为8％，未达到高强钛合金水平。
对比例3
本对比例与实施例1的不同之处在于：本对比例步骤五中激光功率为400W。
经检测，本对比例制备的Ti185合金的抗拉强度为1059MPa，抗拉屈服强度为1031MPa，断后伸长率为6％，未达到高强钛合金水平。
将本发明实施例1与对比例1比较可知，实施例1制备的Ti185合金的强度高于对比例1制备的Ti185合金。激光熔覆沉积过程中，Ti185合金粉末在激光束的加热作用下熔化形成熔池，在能量输入降低和能量损失增大的影响下，熔化的Ti185合金粉末发生凝固，熔池首先凝固为单一β相，而激光熔覆沉积成形过程的冷却速度较快，β相转变为亚稳相；由于对比例1中的底板未进行加热，仅靠激光熔覆沉积成形过程的热量累积，β相未发生或仅发生部分相转变，Ti185合金内部以β相为主，Ti185合金的强度低，而实施例1中的底板处于加热保温状态，在激光熔覆沉积成形过程中反复经历热处理，使得熔化的Ti185合金粉末凝固形成的β相获得足够的热量转变为亚稳相，由亚稳相转变为α纳米相发挥强化作用，因此制备的Ti185合金的强度更高。
将本发明实施例1与对比例2比较可知，实施例1制备的Ti185合金的强度高于对比例2制备的Ti185合金。由于对比文件2控制底板的加热保温温度高达540℃，在激光熔覆沉积成形过程中反复经历热处理获得的热量累积和底板温度540℃的双重热影响下，熔化的Ti185合金粉末凝固形成的β相获得过高的热量转变为亚稳相后又继续转变为α相，且α相尺寸较大为微米尺寸，相比于纳米尺寸α相，微米尺寸α相对Ti185合金的强化效果较弱，导致对比例2中Ti185合金的强度低于实施例1。
综上，本发明通过控制激光熔覆沉积设备的底板加热保温温度，促进了Ti185合金中纳米α相的析出，即β晶粒内部为纳米α增强相，有效发挥了纳米α相的强化作用，综合提高了Ti185合金的强度和塑性力学性能。
将本发明实施例1与对比例3比较可知，实施例1制备的Ti185合金的强度高于对比例3制备的Ti185合金。对比例3的制备过程中采用的激光功率降为400W，降低了能量密度输入，不利于控制Ti185合金内部组织的均一性进而导致其致密度缺陷，而实施例1通过采用合适的激光功率，避免了Ti185合金的组织缺陷，提高了Ti185合金的致密度，从而提高了Ti185合金的强度力学性能。
实施例2
本实施例包括以下步骤：
步骤一、将3kg球形Ti185合金粉末放入激光熔覆沉积设备的送粉器中；所述球形Ti185合金粉末由以下质量百分含量的成分组成：Al 0.8％，V 8.5％，Fe 4.0％，O 0.1％，余量为钛和不可避免的杂质，所述球形Ti185合金粉末的粒径为40μm～100μm；
步骤二、对激光熔覆沉积设备的底板添加加热炉，将加热炉设置与底板的正下方，且加热炉上表面可加热尺寸(长×宽)为150mm×150mm，底板的尺寸(长×宽)为100mm×100mm，然后加热炉以10℃/min～30℃/min的速度升温至460℃，采用测温计对底板的不同部位进行测温，保证底板的温度加热至460℃并保温；
步骤三、开启激光熔覆沉积设备的保护气氛装置和送粉器，保护气氛装置送入的保护气氛为氩气，送气速度为16L/min，根据目标产物高强Ti185合金的设计工艺进行送粉，送粉的速度为0.12kg/h，并铺设在步骤二中加热保温的底板上形成厚度为0.35mm的铺粉层；
步骤四、待步骤三中的送粉工艺结束后，开启激光熔覆沉积设备的激光器，采用的激光功率为500W，采用蛇形扫描的方式、以800mm/min的熔化扫描速度对步骤三中底板上形成的铺粉层进行熔化扫描，形成单层实体片层，然后升高激光器0.35mm；
步骤五、重复步骤三中的送粉、铺设工艺、步骤四中的熔化扫描工艺和升高激光器工艺，直至各单层实体片层逐层堆积，形成激光熔覆沉积成形件，然后关闭加热装置和保护气氛装置，待底板降至室温后取出激光熔覆沉积成形件，得到Ti185合金。
经检测，本实施例制备的Ti185合金的抗拉强度为1248MPa，抗拉屈服强度为1201MPa，断后伸长率为5％。
实施例3
本实施例包括以下步骤：
步骤一、将3kg球形Ti185合金粉末放入激光熔覆沉积设备的送粉器中；所述球形Ti185合金粉末由以下质量百分含量的成分组成：Al 1.5％，V 7.5％，Fe 6.0％，O 0.2％，余量为钛和不可避免的杂质，所述球形Ti185合金粉末的粒径为40μm～100μm；
步骤二、对激光熔覆沉积设备的底板添加加热炉，将加热炉设置与底板的正下方，且加热炉上表面可加热尺寸(长×宽)为150mm×150mm，底板的尺寸(长×宽)为100mm×100mm，然后加热炉以10℃/min～30℃/min的速度升温至500℃，采用测温计对底板的不同部位进行测温，保证底板的温度加热至500℃并保温；
步骤三、开启激光熔覆沉积设备的保护气氛装置和送粉器，保护气氛装置送入的保护气氛为氩气，送气速度为16L/min，根据目标产物高强Ti185合金的设计工艺进行送粉，送粉的速度为0.12kg/h，并铺设在步骤二中加热保温的底板上形成厚度为0.35mm的铺粉层；
步骤四、待步骤三中的送粉工艺结束后，开启激光熔覆沉积设备的激光器，采用的激光功率为500W，采用蛇形扫描的方式、以800mm/min的熔化扫描速度对步骤三中底板上形成的铺粉层进行熔化扫描，形成单层实体片层，然后升高激光器0.35mm；
步骤五、重复步骤三中的送粉、铺设工艺、步骤四中的熔化扫描工艺和升高激光器工艺，直至各单层实体片层逐层堆积，形成激光熔覆沉积成形件，然后关闭加热装置和保护气氛装置，待底板降至室温后取出激光熔覆沉积成形件，得到Ti185合金。
经检测，本实施例制备的Ti185合金的抗拉强度为1255MPa，抗拉屈服强度为1213MPa，断后伸长率为5.5％。
Claims (7)
1.一种激光熔覆沉积制备高强Ti185合金的方法，其特征在于，通过对激光熔覆沉积设备的底板添加加热装置以调控底板温度，获得无成分偏析的纳米α相强化的高强钛合金，该方法具体包括以下步骤：
步骤一、将球形Ti185合金粉末放入激光熔覆沉积设备的送粉器中；
步骤二、对激光熔覆沉积设备的底板添加加热装置，然后对底板进行加热至460℃～500℃并保温；
步骤三、开启激光熔覆沉积设备的保护气氛装置和送粉器，根据目标产物高强Ti185合金的设计工艺进行送粉，并铺设在步骤二中加热保温的底板上形成铺粉层；
步骤四、开启激光熔覆沉积设备的激光器，按照设计的熔化扫描参数对步骤三中底板上形成的铺粉层进行熔化扫描，形成单层实体片层，然后升高激光器；
步骤五、重复步骤三中的送粉、铺设工艺、步骤四中的熔化扫描工艺和升高激光器工艺，直至各单层实体片层逐层堆积，形成激光熔覆沉积成形件，然后关闭加热装置和保护气氛装置，待底板降至室温后取出激光熔覆沉积成形件，得到Ti185合金；所述Ti185合金的抗拉强度为1248MPa以上，抗拉屈服强度为1201MPa以上，断后伸长率为5％以上。
2.根据权利要求1所述的一种激光熔覆沉积制备高强Ti185合金的方法，其特征在于，步骤一中所述球形Ti185合金粉末由以下质量百分含量的成分组成：Al 0.8％～1.5％，V7.5％～8.5％，Fe 4.0％～6.0％，O 0.1％～0.2％，余量为钛和不可避免的杂质。
3.根据权利要求1所述的一种激光熔覆沉积制备高强Ti185合金的方法，其特征在于，步骤一中所述球形Ti185合金粉末的粒径为40μm～100μm。
4.根据权利要求1所述的一种激光熔覆沉积制备高强Ti185合金的方法，其特征在于，步骤二中所述加热的速度为10℃/min～30℃/min。
5.根据权利要求1所述的一种激光熔覆沉积制备高强Ti185合金的方法，其特征在于，步骤三中所述保护气氛装置送入的保护气氛为氩气，送气速度为16L/min，所述送粉的速度为0.12kg/h，所述铺粉层的厚度为0.35mm。
6.根据权利要求1所述的一种激光熔覆沉积制备高强Ti185合金的方法，其特征在于，步骤四中所述熔化扫描的方式为蛇形扫描，采用的激光功率为500W，熔化扫描速度为800mm/min。
7.根据权利要求1所述的一种激光熔覆沉积制备高强Ti185合金的方法，其特征在于，步骤四中所述激光器的升高高度与步骤三中铺粉层的厚度一致。
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| WO2016026415A1 (zh) * | 2014-08-18 | 2016-02-25 | 中国科学院重庆绿色智能技术研究院 | 一种多波长激光选区快速成形系统及方法 |
| CN110449581A (zh) * | 2019-08-23 | 2019-11-15 | 中国航发北京航空材料研究院 | 一种TiAl+Ti2AlNb复合材料激光熔化沉积制备的方法 |
| CN112191843A (zh) * | 2020-08-26 | 2021-01-08 | 东莞材料基因高等理工研究院 | 一种激光选区熔化制备Ti-1Al-8V-5Fe合金材料的方法 |
-
2022
- 2022-05-26 CN CN202210584356.9A patent/CN115011828A/zh active Pending
Patent Citations (3)
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| CN112191843A (zh) * | 2020-08-26 | 2021-01-08 | 东莞材料基因高等理工研究院 | 一种激光选区熔化制备Ti-1Al-8V-5Fe合金材料的方法 |
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