CN115178750A - 一种钛合金金属相控阵标准试块及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种钛合金金属相控阵标准试块的制备方法，包括以下步骤：步骤1、按照金属相控阵标准试块的要求，生成三维模型，并根据所述的三维模型生成n个横截面层；步骤2、选择合适的钛合金粉末、每层铺粉厚度、预热温度；设定激光束的光斑直径和激光功率；步骤3、随后采用逐层扫描方式在保护气氛下进行激光扫描打印成型，形成钛合金金属相控阵标准试块制品；步骤4、将钛合金金属相控阵标准试块制品放到真空保护的热处理炉里进行去应力退火热处理，得到最终产品钛合金金属相控阵标准试块。本发明提供的一种钛合金金属相控阵标准试块的制备方法，可以使3D打印后的工件达到Ra5.8～6.3mm的尺寸精度，符合实际超声相控阵检测要求，同时内部应力较小。
Description
技术领域
本发明涉及相控阵标准试块制备领域，具体涉及一种钛合金金属相控阵标准试块及其制备方法。
背景技术
钛合金作为一种具有高的比强度和耐腐蚀性能的材料得到航空航天领域的广泛研究与应用，其中越来越多的形状复杂的钛合金零部件采用3D打印的方式生产。钛合金零部件往往要求具有较好的内部质量，因此对其检验要求十分严格。采用3D打印方式生产的钛合金零部件内部缺陷的检验，尤其针对一些价格昂贵的航空航天零部件的检验，必须采用无损检测的方式。
超声相控阵检测技术是一种典型的无损检测方式，主要利用物体中由组织结构或缺陷的差别存在而让超声波的物理性质物理量发生变化的现象来测量或检测缺陷。为了保证检测结果的准确性、再现性和重复性，需要用一个具有已知固定特性的试块对检测系统进行校准。相控阵校准试块是按照一定用途设计制作的具有简单几何形状人工反射体的试块。试块和仪器探头一样，是超声波相控阵探伤中的重要工具。
目前对3D打印生产的钛合金零部件进行相控阵超声检测时，采用常规不锈钢材料的相控阵标准试块，或者采用相同3D打印工艺生产的单个平底孔试块，两种试块均不能满足实际超声相控阵检测需求。因为对3D打印生产的钛合金零部件的检验用的相控阵标准试块，主要为普通加工方式生产的钛合金标块。由于生产方式的不同，往往会对检测结果造成较大的影响，由于原来无损检测钛合金对象均为锻造而成的工件，所以标准试块也都是锻造而成的标准工件。因此，研制合适的3D打印生产的钛合金相控阵标准试块具有重要意义。
目前采用的相控阵标准试块有A型和B型两种类型，其中A型相控阵标准试块尺寸较大，3D打印过程中，由于在热加工过程中不同部位由于温度的差异从而导致热应力较大，因此生产过程难度更大，在生产过程中常常遇到A型相控阵标准试块不容易从基板上取下来，或者从基板上取下来即出现裂缝的问题。因此，现有技术的技术问题亟待解决。
发明内容
本发明的目的旨在针对现有技术的不足，提供一种钛合金金属相控阵标准试块的制备方法。本发明提供的一种钛合金金属相控阵标准试块的制备方法，采用该工艺后，可以使3D打印后的工件达到Ra5.8～6.3mm的尺寸精度，符合实际超声相控阵检测要求，同时内部应力较小不开裂，可以实现钛合金金属A型相控阵标准试块的生产。
本发明的技术方案是这样实现的：
一种钛合金金属相控阵标准试块的制备方法，包括以下步骤：
步骤1、按照金属相控阵标准试块的要求，生成三维模型，并根据所述的三维模型生成n个横截面层，这里n≥2，n代表将三维模型进行分层数量；优选的，本发明中金属相控阵标准试块为金属相控阵标准试块A型；优选的，三维模型采用CAD三维模型。
步骤2、选择合适的钛合金粉末、每层铺粉厚度、预热温度；设定激光束的光斑直径和激光功率；
步骤3、随后采用逐层扫描方式在保护气氛下进行激光扫描打印成型，形成钛合金金属相控阵标准试块制品；
步骤4、将钛合金金属相控阵标准试块制品放到真空保护的热处理炉里进行去应力退火热处理，得到最终产品钛合金金属相控阵标准试块。
作为一种优选的实施方案，所述步骤2中的钛合金粉末选择氧含量为0.1％的TC4钛合金粉末，TC4钛合金粉末粒度为15～53μm。在此条件下，处于该粒度范围的钛合金粉末，其均匀度较好，可以减少打印过程中带来的组织不均。本发明中选用氧含量为0.1％的TC4钛合金粉末，确保在激光扫描时不产生氧化物。优选的，本发明中TC4钛合金粉末化学成分及质量百分含量为V:4.1％、Al:5.72％、O:0.1％、C:0.016％、Fe:0.15％、N:0.02％、H:0.04％、Ti:余量。
作为一种优选的实施方案，所述步骤2中的选择每层铺粉厚度为60μm，预热温度为35℃～50℃，预热温度为基板温度35℃～50℃为打印过程自然激光通过凝固层自然传热。优选的，所述步骤2中的选择每层铺粉厚度为60μm，预热温度为35℃。因为铺粉厚度大于60μm，无法完全熔化粉末层，容易造成未熔缺陷，造成层间开裂；铺粉厚度小于60μm，由于粉末颗粒有粒径范围要求，最小铺粉层厚不能小于粉末最小粒径，在此基础上，小的粉末层厚容易造成局部粉末反复重熔，造成过烧，形成匙孔，造成元素挥发。
作为一种优选的实施方案，所述步骤2中的设定激光束的光斑直径为85～95μm，激光功率为325W～350W。优选的，所述步骤2中的设定激光束的光斑直径为90μm，激光功率为340W。在此条件下，可实现最小孔隙率，无裂纹，致密度最大。
作为一种优选的实施方案，所述步骤3中采用逐层扫描方式在氩气的保护气氛下进行激光打印成型，所述逐层扫描的参数设定如下：扫描间隔设定为0.12mm，扫描速度为1250mm/s，各铺粉层的层间转角为67°。在此条件下，避免出现裂纹以及孔隙率差。
作为一种优选的实施方案，所述步骤3中的激光扫描采用棋盘式扫描方式，将扫描面分割成若干个棋盘，采用随机的方式对各棋盘进行扫描。在此条件下，棋盘式随机排列，可以避免条带式扫描带来的单方向应力过大。
作为一种优选的实施方案，所述步骤3中的激光扫描采用棋盘式激光扫描的方式，将扫描面分割成若干长度为10mm的棋盘，采用随机的方式对各棋盘进行扫描。
作为一种优选的实施方案，所述步骤4中去应力退火热处理的条件为：热处理温度为800℃，保温时间为4h。在此条件下，热处理温度高于800℃或时间长于4h，导致晶粒粗大影响力学性能且能源消耗大，热处理温度低于800℃或时间短于于4h，难以保证应力的释放。
基于同一个发明构思，本发明还提供了一种钛合金金属相控阵标准试块，通过如上所述的一种钛合金金属相控阵标准试块的制备方法制备而成。
本发明的有益效果是：
本发明提供的一种钛合金金属相控阵标准试块的制备方法，采用该工艺后，可以使3D打印后的工件达到Ra5.8～6.3mm的尺寸精度，符合实际超声相控阵检测要求，同时内部应力较小不会开裂，可以实现钛合金金属A型相控阵标准试块的生产。
附图说明
图1为本发明实施例1提供的一种钛合金金属相A型控阵标准试块的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的内容，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
除非另有定义，本说明书所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。
实施例1：
本实施例提供的一种钛合金金属相控阵标准试块的制备方法，包括以下步骤：
步骤1、按照A型相控阵金属标准试块的要求，生成三维CAD模型，并根据所述的三维CAD模型生成n个横截面层；
步骤2、本实施例中TC4钛合金粉末化学成分及质量百分含量为V:4.1％、Al:5.72％、O:0.1％、C:0.016％、Fe:0.15％、N:0.02％、H:0.04％、Ti:余量。粉末粒度为15～53μm；选择每层铺粉厚度为60μm，预热温度为35℃；设定激光束的光斑直径为90μm，激光功率为340W；
步骤3、采用逐层扫描方式在氩气的保护气氛下进行激光打印成型，扫描间隔设定为0.12mm，扫描速度为1250mm/s，各铺粉层的层间转角为67°；激光扫描采用棋盘式方式，将扫描面分割成若干长度为10mm的棋盘，采用随机的方式对各棋盘进行扫描，打印形成钛合金金属相控阵标准试块制品；
步骤4、立即将钛合金金属相控阵标准试块制品放到真空保护的热处理炉里进行去应力退火热处理，热处理温度为800℃，保温时间为4h。
对本实施例制备的A型相控阵钛合金金属标准试块进行观察，如图1所示，工件上的小孔椭圆度好、尺寸精度高，达到Ra6.3mm，无开裂现象。
实施例2：
本实施例提供的一种钛合金金属相控阵标准试块的制备方法，包括以下步骤：
步骤1、按照A型相控阵金属标准试块的要求，生成三维CAD模型，并根据所述的三维CAD模型生成n个横截面层；
步骤2、本实施例中TC4钛合金粉末化学成分及质量百分含量为V:4.1％、Al:5.72％、O:0.1％、C:0.016％、Fe:0.15％、N:0.02％、H:0.04％、Ti:余量。粉末粒度为15～53μm；选择每层铺粉厚度为60μm，预热温度为40℃；设定激光束的光斑直径为95μm，激光功率为340W；
步骤3、采用逐层扫描方式在氩气的保护气氛下进行激光打印成型，扫描间隔设定为0.12mm，扫描速度为1250mm/s，各铺粉层的层间转角为67°；激光扫描采用棋盘式方式，将扫描面分割成若干长度为10mm的棋盘，采用随机的方式对各棋盘进行扫描，打印形成钛合金金属相控阵标准试块制品；
步骤4、立即将钛合金金属相控阵标准试块制品放到真空保护的热处理炉里进行去应力退火热处理，热处理温度为800℃，保温时间为4h。
对本实施例制备的A型相控阵钛合金金属标准试块进行观察，工件上的小孔椭圆度好、尺寸精度高，达到Ra6.0mm，无开裂现象。
实施例3：
本实施例提供的一种钛合金金属相控阵标准试块的制备方法，包括以下步骤：
步骤1、按照A型相控阵金属标准试块的要求，生成三维CAD模型，并根据所述的三维CAD模型生成n个横截面层；
步骤2、本实施例中TC4钛合金粉末化学成分及质量百分含量为V:4.1％、Al:5.72％、O:0.1％、C:0.016％、Fe:0.15％、N:0.02％、H:0.04％、Ti:余量。粉末粒度为15～53μm；选择每层铺粉厚度为60μm，预热温度为35℃；设定激光束的光斑直径为85μm，激光功率为350W；
步骤3、采用逐层扫描方式在氩气的保护气氛下进行激光打印成型，扫描间隔设定为0.12mm，扫描速度为1250mm/s，各铺粉层的层间转角为67°；激光扫描采用棋盘式方式，将扫描面分割成若干长度为10mm的棋盘，采用随机的方式对各棋盘进行扫描，打印形成钛合金金属相控阵标准试块制品；
步骤4、立即将钛合金金属相控阵标准试块制品放到真空保护的热处理炉里进行去应力退火热处理，热处理温度为800℃，保温时间为4h。
对本实施例制备的A型相控阵钛合金金属标准试块进行观察，工件上的小孔椭圆度好、尺寸精度高，达到Ra5.8mm，无开裂现象。
实施例4：
本实施例提供的一种钛合金金属相控阵标准试块的制备方法，包括以下步骤：
步骤1、按照A型相控阵金属标准试块的要求，生成三维CAD模型，并根据所述的三维CAD模型生成n个横截面层；
步骤2、本实施例中TC4钛合金粉末化学成分及质量百分含量为V:4.1％、Al:5.72％、O:0.1％、C:0.016％、Fe:0.15％、N:0.02％、H:0.04％、Ti:余量。粉末粒度为15～53μm；选择每层铺粉厚度为60μm，预热温度为50℃；设定激光束的光斑直径为95μm，激光功率为325W；
步骤3、采用逐层扫描方式在氩气的保护气氛下进行激光打印成型，扫描间隔设定为0.12mm，扫描速度为1250mm/s，各铺粉层的层间转角为67°；激光扫描采用棋盘式方式，将扫描面分割成若干长度为10mm的棋盘，采用随机的方式对各棋盘进行扫描，打印形成钛合金金属相控阵标准试块制品；
步骤4、立即将钛合金金属相控阵标准试块制品放到真空保护的热处理炉里进行去应力退火热处理，热处理温度为800℃，保温时间为4h。
对本实施例制备的A型相控阵钛合金金属标准试块进行观察，如图1所示，工件上的小孔椭圆度好、尺寸精度高，达到Ra6.0mm，无开裂现象。
对比例1：
本对比例提供的一种钛合金金属相控阵标准试块的制备方法，包括以下步骤：
步骤1、按照A型相控阵金属试块的要求，生成三维CAD模型，并根据所述的三维CAD模型生成n个横截面层；
步骤2、本对比例中TC4钛合金粉末化学成分及质量百分含量为V:4.1％、Al:5.72％、O:0.1％、C:0.016％、Fe:0.15％、N:0.02％、H:0.04％、Ti:余量。粉末粒度为15～53μm；选择每层铺粉厚度为60μm，预热温度为35℃；设定激光束的光斑直径为90μm，激光功率为340W；
步骤3、采用逐层扫描方式在氩气的保护气氛下进行激光打印成型，扫描间隔设定为0.12mm，扫描速度为1250mm/s，各铺粉层的层间转角为67°；激光扫描采用条带式方式，将扫描面分割成若干宽度为5mm的条带，采用逐个条带进行扫描的方式进行扫描，打印形成钛合金金属相控阵标准试块制品；
步骤4、立即将钛合金金属相控阵标准试块制品放到真空保护的热处理里进行去应力退火热处理，热处理温度为800℃，保温时间为4h。
对本对比例制备的A型相控阵钛合金金属标准试块进行观察，该方法可以使打印后的工件具有良好的尺寸精度，达到Ra6.3mm，但内部应力较大，打印后将工件从基板上去除的过程中发生开裂。
对比例2：
本对比例提供的一种钛合金金属相控阵标准试块的制备方法，包括以下步骤：
步骤1、按照A型相控阵金属试块的要求，生成三维CAD模型，并根据所述的三维CAD模型生成n个横截面层；
步骤2、本对比例中TC4钛合金粉末化学成分及质量百分含量为V:4.1％、Al:5.72％、O:0.1％、C:0.016％、Fe:0.15％、N:0.02％、H:0.04％、Ti:余量。粉末粒度为15～53μm；选择每层铺粉厚度为60μm，预热温度为35℃；设定激光束的光斑直径为90μm，激光功率为200W；
步骤3、采用逐层扫描方式在氩气的保护气氛下进行激光打印成型，扫描间隔设定为0.12mm，扫描速度为600mm/s，各铺粉层的层间转角为67°；激光扫描采用棋盘式方式，将扫描面分割成若干长度为10mm的棋盘，采用随机的方式对各棋盘进行扫描，打印形成钛合金金属相控阵标准试块制品；
步骤4、立即将钛合金金属相控阵标准试块制品放到真空保护的热处理里进行去应力退火热处理，热处理温度为800℃，保温时间为4h。
对本对比例制备的A型相控阵钛合金金属标准试块进行观察，该方法可以使打印后的工件尺寸精度低，达到Ra10.1mm，无开裂现象。
对比例3：
本对比例提供的一种钛合金金属相控阵标准试块的制备方法，包括以下步骤：
步骤1、按照A型相控阵金属试块的要求，生成三维CAD模型，并根据所述的三维CAD模型生成n个横截面层；
步骤2、本对比例中TC4钛合金粉末化学成分及质量百分含量为V:4.1％、Al:5.72％、O:0.1％、C:0.016％、Fe:0.15％、N:0.02％、H:0.04％、Ti:余量。粉末粒度为10-90μm；选择每层铺粉厚度为60μm，预热温度为25℃；设定激光束的光斑直径为60μm，激光功率为150W；
步骤3、采用逐层扫描方式在氩气的保护气氛下进行激光打印成型，扫描间隔设定为0.12mm，扫描速度为1250mm/s，各铺粉层的层间转角为67°；激光扫描采用棋盘式方式，将扫描面分割成若干长度为10mm的棋盘，采用随机的方式对各棋盘进行扫描，打印形成钛合金金属相控阵标准试块制品；
步骤4、立即将钛合金金属相控阵标准试块制品放到真空保护的热处理里进行去应力退火热处理，热处理温度为800℃，保温时间为4h。
对本对比例制备的A型相控阵钛合金金属标准试块进行观察，该方法可以使打印后的工件尺寸精度低，达到Ra10.5mm，无开裂现象。
通过以上实施例1-4和对比例1-3可知，本发明实施例1-4制备的钛合金金属相控阵标准试块无论从尺寸精度，还是内部应力均优于对比例1-3制备的钛合金金属相控阵标准试块。从对比例1可以看出，采用条带式方式激光扫描，制备的钛合金金属相控阵标准试块内部应力较大，导致工件从基板上去除的过程中发生开裂；从对比例2和对比例3可以看出，激光束的光斑直径、激光功率、扫描速度的设置对工件尺寸精度影响很大，尺寸精度高需要合适的光斑直径、激光功率、扫描速度的参数的设置。通过以上可以对比可以看出，激光扫描方式与激光束的光斑直径、激光功率、扫描速度等参数的设置必须配合使用，才能使得钛合金金属相控阵标准试块整体的综合性能够得以实现，替换扫描方式或者替换扫描参数无法实现本发明的优异效果。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种钛合金金属相控阵标准试块的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、按照金属相控阵标准试块的要求，生成三维模型，并根据所述的三维模型生成n个横截面层；
步骤2、选择合适的钛合金粉末、每层铺粉厚度、预热温度；设定激光束的光斑直径和激光功率；
步骤3、随后采用逐层扫描方式在保护气氛下进行激光扫描打印成型，形成钛合金金属相控阵标准试块制品；
步骤4、将钛合金金属相控阵标准试块制品放到真空保护的热处理炉里进行去应力退火热处理，得到最终产品钛合金金属相控阵标准试块。
2.根据权利要求1所述的一种钛合金金属相控阵标准试块的制备方法，其特征在于，所述步骤2中的钛合金粉末选择氧含量为0.1％的TC4钛合金粉末，TC4钛合金粉末粒度为15～53μm。
3.根据权利要求1所述的一种钛合金金属相控阵标准试块的制备方法，其特征在于，所述步骤2中的选择每层铺粉厚度为60μm，预热温度为35℃～50℃。
4.根据权利要求1所述的一种钛合金金属相控阵标准试块的制备方法，其特征在于，所述步骤2中的设定激光束的光斑直径为85～95μm，激光功率为325W～350W。
5.根据权利要求1所述的一种钛合金金属相控阵标准试块的制备方法，其特征在于，所述步骤3中采用逐层扫描方式在氩气的保护气氛下进行激光打印成型，所述逐层扫描的参数设定如下：扫描间隔设定为0.12mm，扫描速度为1250mm/s，各铺粉层的层间转角为67°。
6.根据权利要求1所述的一种钛合金金属相控阵标准试块的制备方法，其特征在于，所述步骤3中的激光扫描采用棋盘式扫描方式，将扫描面分割成若干个棋盘，采用随机的方式对各棋盘进行扫描。
7.根据权利要求6所述的一种钛合金金属相控阵标准试块的制备方法，其特征在于，所述步骤3中的激光扫描采用棋盘式激光扫描的方式，将扫描面分割成若干长度为10mm的棋盘，采用随机的方式对各棋盘进行扫描。
8.根据权利要求1所述的一种钛合金金属相控阵标准试块的制备方法，其特征在于，所述步骤4中去应力退火热处理的条件为：热处理温度为800℃，保温时间为4h。
9.一种钛合金金属相控阵标准试块，其特征在于，根据权利要求1～8中的任意一项所述的一种钛合金金属相控阵标准试块的制备方法制备而成。
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