CN115502412A - 一种TiAl单晶材料的电子束选区熔化增材制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种TiAl单晶材料的电子束选区熔化增材制造方法，该方法至少包括以下步骤：将TiAl合金粉末和成形基板分别预热，所述TiAl合金成分为：Ti‑(42～45)Al‑(6～10)Nb‑(0.1～1)Ta/W；按照设定的工艺顺序和相应参数，将所述TiAl合金粉末分别逐层铺粉、熔化凝固堆积成形，在每层完成成形后，对已成形零件预热后再铺粉进行下一层的成形，直到完成零件成形。本申请通过设计了一种适合于电子束选区熔化增材制造单晶的TiAl合金，并采用电子束选区熔化增材制造的方法研制TiAl合金单晶材料，解决了现有方法制造的TiAl合金单晶组织成分不均、合金洁净度低和成品率低的问题。
Description
技术领域
本发明涉及金属材料技术领域，具体涉及一种TiAl单晶材料的电子束选区熔化增材制造方法。
背景技术
TiAl系合金具有高比强度和比模量，以及良好的高温性能，可在高温下长期工作，而其密度仅为镍基高温合金的一半，是替代镍基高温合金的理想轻质耐高温材料。为了适应航空发动机叶片的高耐温要求和苛刻的载荷服役条件，需要进一步提升TiAl合金的使用性能，就全片层组织进行控制，最终获得TiAl金属间化合物单晶全片层组织。
目前，国内外TiAl合金单晶制备方法主要包括籽晶法和非籽晶法，两种方法均采用铸造的方法。籽晶法由于制备工艺比较复杂，籽晶研制难度大，且大尺寸籽晶制备难度极大，只有凝固初生相有α的合金才可以用籽晶法制备单晶，因此，会有明显的不足。非籽晶法存在坩埚材料对合金的污染，以及存在模壳的制备难、成品率低等问题。因此需要研究新的制备方法，以研制组织成分均匀、合金洁净度和成品率高的TiAl合金单晶。
发明内容
(1)要解决的技术问题
本发明实施例提供了一种TiAl单晶材料的电子束选区熔化增材制造方法，通过设计了一种适合于电子束选区熔化增材制造单晶的TiAl合金，并采用电子束选区熔化增材制造的方法研制TiAl合金单晶材料，以解决现有方法制造的TiAl合金单晶组织成分不均、合金洁净度低和成品率低的问题。
(2)技术方案
本发明的实施例提供了TiAl单晶材料的电子束选区熔化增材制造方法，至少包括以下步骤：
S110：将TiAl合金粉末和成形基板分别预热，所述TiAl合金成分为：Ti-(42～45)Al-(6～10)Nb-(0.1～1)Ta/W；
S120：按照设定的工艺顺序和相应参数，将所述TiAl合金粉末分别逐层铺粉、熔化凝固堆积成形，在每层完成成形后，对已成形零件预热后再铺粉进行下一层的成形，直到完成零件成形。
进一步地，在步骤S110前，将成形舱室抽真空至真空度为1×10-3Pa～3×10-3Pa。
进一步地，步骤S110中，所述TiAl合金粉末在可加热式粉箱中进行加热至600～800℃后，保温使TiAl合金粉末充分预热。
进一步地，在步骤S110中，将所述成形基板加热至TiAl合金粉末材料相变点以上，保温使成形基板充分预热并保证成形环境温度在材料相变点以上。
进一步地，所述可加热式粉箱包括箱体内胆，所述箱体内胆为加热陶瓷内胆，所述可加热式粉箱的箱体周围设有粉箱隔热罩，采用多层耐热不锈钢薄板包裹，所述箱体底部设有可开闭的漏粉孔，对TiAl合金粉末加热时，所述漏粉孔关闭，预热完成后，所述漏粉孔开启，预热后的粉末流出用于成形。
进一步地，可加热式粉箱中设有温度传感器，所述温度传感器用于测量所述箱体内胆中的粉末温度。
进一步地，漏粉孔出设有可移动式挡板，用于控制所述漏粉孔的开闭状态。
进一步地，在步骤S120中，所述TiAl合金粉末的单层厚度为0.5mm，粉末铺放完成后，对已铺放粉末再次进行预热以增加导电性和热量输入，预热完成后再熔化凝固堆积成形。
进一步地，在步骤S120中，熔化工艺为：电子束流为20～30mA，加速电压为60KV，300～800mm/s，聚焦电流为700～850mA，采用多次熔化，以增加热量输入，熔化完成后，再次通过预热进行热量补偿，进行下一层的成形。
(3)有益效果
综上，本发明提供了一种TiAl单晶材料的电子束选区熔化增材制造方法，本申请方法的有益效果有：(1)根据电子束选区熔化增材制造工艺特点，优化设计了一种专门用于电子束选区熔化增材制造TiAl合金单晶的粉末。(2)提出了一种采用增材制造研制TiAl合金单晶的方法，可以实现无需模壳、自由成形、组织均匀性好、洁净度高、成本低的TiAl合金单晶研制。(3)设计了一种可加热式粉箱，对粉末预先加热，减小成形过程中由粉末引起的热量损失。通过查新证实，该方法在电子束选区熔化增材制造的研究、应用中未见报道，具有新颖性、创新性。见查新报告。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的TiAl合金成分设计参考相图；
图2是本发明实施例提供的方法制备的一种成形TiAl合金全片层组织图；
图3是本发明实施例提供的一种可加热式粉箱示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例的详细描述和附图用于示例性地说明本发明的原理，但不能用来限制本发明的范围，即本发明不限于所描述的实施例，在不脱离本发明的精神的前提下覆盖了零件、部件和连接方式的任何修改、替换和改进。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参照附图并结合实施例来详细说明本申请。
参见附图1～3，本申请实施例的种TiAl单晶材料的电子束选区熔化增材制造方法，能够获得TiAl单晶材料，具体制造方法至少包括以下步骤：
S110：将TiAl合金粉末和成形基板分别预热，所述TiAl合金成分为：Ti-(42～45)Al-(6～10)Nb-(0.1～1)Ta/W。
S120：按照设定的工艺顺序和相应参数，将所述TiAl合金粉末分别逐层铺粉、熔化凝固堆积成形，在每层完成成形后，对已成形零件预热后再铺粉进行下一层的成形，直到完成零件成形。图1是TiAl合金成分设计参考相图。
在步骤S110前，首先需要将成形舱室抽真空至真空度为1×10-3Pa～3×10-3Pa。步骤S110中，TiAl合金粉末在可加热式粉箱中进行加热至600～800℃后，本实施例中为加热至800℃，并保温30分钟，使TiAl合金粉末充分预热。并将成形基板加热至TiAl合金粉末材料相变点以上，保温30分钟，使成形基板充分预热，并保证成形环境温度在材料相变点以上。
具体操作时，由于设计材料相变点为1200℃，为保证成形温度在相变点以上，首先将成形基板加热至1300℃，并保持成形环境温度在1300℃以上进行成形。
如图3所示，本实施例的可加热式粉箱包括箱体内胆，箱体内胆为加热陶瓷内胆，可加热式粉箱的箱体周围设有粉箱隔热罩，采用多层耐热不锈钢薄板包裹，箱体底部设有可开闭的漏粉孔，对TiAl合金粉末加热时，漏粉孔关闭，预热完成后，漏粉孔开启，预热后的粉末流出用于成形。
可加热式粉箱中设有温度传感器，所述温度传感器用于测量所述箱体内胆中的粉末温度。漏粉孔出设有可移动式挡板，用于控制所述漏粉孔的开闭状态。具体操作时，可以拉近粉箱与成形平台间距离用以减小铺粉距离，缩短铺粉时间，并为设备增加设置了不锈钢保温包套，防止成形件热量散失。
在步骤S120中，TiAl合金粉末的单层厚度为0.5mm，粉末铺放完成后，对已铺放粉末再次进行预热以增加导电性和热量输入，预热完成后再熔化凝固堆积成形。预热工艺为：电子束流30mA，扫描速度18000mm/s，扫描次数10次。预热完成后，开始熔化成形。熔化工艺为：电子束流为20～30mA，加速电压为60KV，300～800mm/s，聚焦电流为700～850mA，采用多次熔化，以增加热量输入，熔化完成后，再次通过预热进行热量补偿，进行下一层的成形。
首先，本申请的方法实现了电子束选区熔化增材制造TiAl合金单晶材料成分的主动优化设计。为EBM工艺设计的TiAl合金成分方案为Ti-(42～45)Al-(6～10)Nb-(0.1～1)Ta/W，与TiAl-4822合金相比，其中Al(42～45at.％)降低了合金相变点(参照图1)。增加了Nb含量，并采用W/Ta代替Mo，从而保证合金具有更好的高温强度和抗蠕变性。
其次，采用电子束选区熔化增材制造的方法成形TiAl合金单晶。通过预热方式，成形整个过程保持在材料相变点温度在以上，通过熔化工艺采用大束流、低扫描速度、多次重熔的方式增大成形热输入，获得全片层组织(如图2)的成形材料，得到最初的单晶组织后，通过预热粉末、增强保温以及每层多次补热的方式减小热量散失，保证成形温度在相变点以上，保证成形的单晶组织不会在循环加热作用下发生转变。以获得TiAl合金单晶材料。
下面以设计的成形用粉末成分为Ti-43Al-8Nb-0.4W的TiAl合金为例说明其具体制造方法：
1.设计成形用粉末成分为Ti-43Al-8Nb-0.4W的TiAl合金。
2.采用气雾化的方法研制电子束选区熔化用TiAl合金粉末。
3.将成形舱室抽真空至真空度为1×10-3Pa～3×10-3Pa。
4.将可加热式粉箱进行加热，加热至800℃后，保温30分钟，使粉末充分预热。
5.将成形基板加热至1300℃，保温30分钟，开始成形。
6.粉末单层厚度为0.5mm，粉末铺放完成后，预热铺放粉末，预热工艺为：电子束流30mA，扫描速度18000mm/s，扫描次数10次。预热完成后，开始熔化成形，熔化工艺为：电子束流为23mA，加速电压为60KV，500mm/s，聚焦电流为750mA，熔化次数2次。
7.熔化完成后，采用预热工艺再次进行能量补偿后，继续铺放粉末进行下一层的成形。
需要明确的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同或相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。本发明并不局限于上文所描述并在图中示出的特定步骤和结构。并且，为了简明起见，这里省略对已知方法技术的详细描述。
以上仅为本申请的实施例而已，并不限制于本申请。在不脱离本发明的范围的情况下对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围内。
Claims (9)
1.一种TiAl单晶材料的电子束选区熔化增材制造方法，其特征在于，该方法包括：
S110：将TiAl合金粉末和成形基板分别预热，所述TiAl合金成分为：Ti-(42～45)Al-(6～10)Nb-(0.1～1)Ta/W；
S120：按照设定的工艺顺序和相应参数，将所述TiAl合金粉末分别逐层铺粉、熔化凝固堆积成形，在每层完成成形后，对已成形零件预热后再铺粉进行下一层的成形，直到完成零件成形。
2.根据权利要求1所述的TiAl单晶材料的电子束选区熔化增材制造方法，其特征在于，在步骤S110前，将成形舱室抽真空至真空度为1×10-3Pa～3×10-3Pa。
3.根据权利要求1所述的TiAl单晶材料的电子束选区熔化增材制造方法，其特征在于，步骤S110中，所述TiAl合金粉末在可加热式粉箱中进行加热至600～800℃，保温使TiAl合金粉末充分预热。
4.根据权利要求1所述的提高增材制造成形精度的自适应铺粉方法，其特征在于，在步骤S110中，将所述成形基板加热至TiAl合金粉末材料相变点以上，保温使成形基板充分预热。
5.根据权利要求3所述的TiAl单晶材料的电子束选区熔化增材制造方法，其特征在于，所述可加热式粉箱包括箱体内胆，所述箱体内胆为加热陶瓷内胆，所述可加热式粉箱的箱体周围设有粉箱隔热罩，采用多层耐热不锈钢薄板包裹，所述箱体底部设有可开闭的漏粉孔，对TiAl合金粉末加热时，所述漏粉孔关闭，预热完成后，所述漏粉孔开启，预热后的粉末流出用于成形。
6.根据权利要求5所述的TiAl单晶材料的电子束选区熔化增材制造方法，其特征在于，可加热式粉箱中设有温度传感器，所述温度传感器用于测量所述箱体内胆中的粉末温度。
7.根据权利要求5所述的TiAl单晶材料的电子束选区熔化增材制造方法，其特征在于，漏粉孔出设有可移动式挡板，用于控制所述漏粉孔的开闭状态。
8.根据权利要求1所述的TiAl单晶材料的电子束选区熔化增材制造方法，其特征在于，在步骤S120中，所述TiAl合金粉末的单层厚度为0.5mm，粉末铺放完成后，对已铺放粉末再次进行预热以增加导电性和热量输入，预热完成后再熔化凝固堆积成形。
9.根据权利要求8所述的TiAl单晶材料的电子束选区熔化增材制造方法，其特征在于，在步骤S120中，熔化工艺为：电子束流为20～30mA，加速电压为60KV，300～800mm/s，聚焦电流为700～850mA，采用多次熔化，以增加热量输入，熔化完成后，再次通过预热进行热量补偿，进行下一层的成形。
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