CN115815625A - 一种组织及应力双梯度金属构件的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种组织及应力双梯度金属构件的制备方法，包括：获取微观组织与增材制造工艺参数的映射关系式；依据映射关系式，对具有梯度组织的金属构件进行增材制造；对具有梯度组织的金属构件进行内应力去除，获得零应力梯度微观组织金属构件；利用激光冲击在零应力梯度微观组织金属构件的表层引入残余压应力，获得组织及应力双梯度金属构件。该组织及应力双梯度金属构件的制备方法的目的是解决现有梯度金属材料的强度、表面抗疲劳及耐磨损综合性能相对较差的问题。

Description

一种组织及应力双梯度金属构件的制备方法

技术领域

本发明涉及梯度材料制备技术领域，具体涉及一种组织及应力双梯度金属构件的制备方法。

背景技术

梯度材料是指内部具有均匀或非均匀变化组分，不同区域表现出差异化性能，满足特殊使用要求的新型材料。就梯度金属材料而言，常见的梯度金属材料包括具有梯度微观组织的金属材料和具有梯度应力结构的金属材料。梯度微观组织能够实现材料强度和韧性的双高，特别是由表层细晶向内部粗晶梯度过渡的结构，可由表层细晶提供优异的塑性、并由芯部粗晶提供良好的强度。梯度应力则能够实现材料表面性能的提升，特别是表层压应力向芯部拉应力梯度过渡的结构，可由表层压应力中和部分服役外载荷，延缓材料表面破损发生的时间，获得疲劳、磨损等性能的提升。

专利CN113510248B公开了一种通过调整搭接距离、送粉速率、激光光斑大小、熔池搭接率、激光功率等工艺参数，制备得到了梯度组织的钛合金整体叶盘的专利，但其不具备梯度应力分布。专利CN104588650B公开了一种基于三维异质铺粉的功能梯度零件增材制造方法，实现了零件内每一点的材料组分的精确控制，但其也不具备梯度应力分布。专利CN106825574B则公开了一种金属梯度材料激光冲击锻打复合增材制造方法，其采用激光冲击主要目的是避免或减少气孔、未融合和缩松等缺陷。

因此，发明人提供了一种组织及应力双梯度金属构件的制备方法。

发明内容

(1)要解决的技术问题

本发明实施例提供了一种组织及应力双梯度金属构件的制备方法，解决了现有梯度金属材料的强度、表面抗疲劳及耐磨损综合性能相对较差的技术问题。

(2)技术方案

本发明提供了一种组织及应力双梯度金属构件的制备方法，包括以下步骤：

获取微观组织与增材制造工艺参数的映射关系式；

依据所述映射关系式，对具有梯度组织的金属构件进行增材制造；

对所述具有梯度组织的金属构件进行内应力去除，获得零应力梯度微观组织金属构件；

利用激光冲击在所述零应力梯度微观组织金属构件的表层引入残余压应力，获得组织及应力双梯度金属构件。

进一步地，所述获取微观组织与增材制造工艺参数的映射关系式，具体包括如下步骤：

计算待加工试块的累计输入能量，并采用金相法测定所述待加工试块的平均晶粒尺寸；

利用所述平均晶粒尺寸、所述累计输入能量分别对微观组织、增材制造工艺参数进行参量化表示，获取第一参量式、第二参量式；

依据所述第一参量式及所述第二参量式，获取所述平均晶粒尺寸与所述累计输入能量之间的映射关系式。

进一步地，所述计算待加工试块的累计输入能量，具体包括如下步骤：

以设定激光功率制备所述待加工试块，并记录加工时间；

依据所述设定功率及所述加工时间，计算所述累计输入能量。

进一步地，所述依据所述第一参量式及所述第二参量式，获取所述平均晶粒尺寸与所述累计输入能量之间的映射关系式，具体包括如下步骤：

通过最小二乘法及非线性函数拟合获得所述平均晶粒尺寸与所述累计输入能量之间的映射关系；

依据所述映射关系，获得所述平均晶粒尺寸与所述增材制造工艺参数之间的映射关系式。

进一步地，所述依据所述映射关系式，对具有梯度组织的金属构件进行增材制造，具体为：

采用累计输入能量E₁制备厚度为Δh₁的增材层，其对应的晶粒尺寸为d₁，采用累计输入能量E₂制备厚度为Δh₂的增材层，其对应的晶粒尺寸为d₂，采用累计输入能量E₃制备厚度为Δh₃的增材层，其对应的晶粒尺寸为d₃，以此类推，获得具有均匀梯度组织的金属增材构件。

进一步地，所述依据所述映射关系式，对具有梯度组织的金属构件进行增材制造，具体为：

采用累计输入能量E₁制备厚度为Δh₁的增材层，其对应的晶粒尺寸为d₁，采用累计输入能量E₂制备厚度为Δh₂的增材层，其对应的晶粒尺寸为d₂，采用累计输入能量E₁制备厚度为Δh₁的增材层，其对应的晶粒尺寸为d₁，以此类推，获得具有重复梯度组织的金属增材构件。

进一步地，所述对所述具有梯度组织的金属构件进行内应力去除，获得零应力梯度微观组织金属构件，具体为：

采用热时效和/或振动时效去除所述具有梯度组织的金属构件的内应力，获得所述零应力梯度微观组织金属构件。

进一步地，所述利用激光冲击在所述零应力梯度微观组织金属构件的表层引入残余压应力，获得组织及应力双梯度金属构件，具体为：

采用脉冲激光对所述零应力梯度微观组织金属构件进行一次或多次冲击，在其表层引入残余压应力，获得所述组织及应力双梯度金属构件。

进一步地，激光冲击处理前在所述零应力梯度微观组织金属构件的待冲击表面设置吸收层、施加去离子水约束层。

进一步地，所述获得组织及应力双梯度金属构件之后，还包括：

采用无损或有损残余应力检测方法测定残余应力随深度方向的分布。

(3)有益效果

综上，本发明通过采用激光冲击具有梯度组织的增材制造金属构件，可减少增材制造构件的内部缺陷，提高增材制造构件的使用安全性和可靠性，制备的金属梯度构件兼具梯度微观组织和梯度应力分布，梯度微观组织可实现强韧协同，梯度应力分布可获得表面性能的提升，两者组合拓展了金属梯度构件更广泛的应用场景。

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一种组织及应力双梯度金属构件的制备方法的流程示意图；

图2是本发明实施例1提供的一种组织及应力双梯度金属构件的结构示意图；

图3是本发明实施例2提供的一种组织及应力双梯度金属构件的结构示意图。

图中：

1-第一增材层；2-第二增材层；3-第三增材层；4-第一待冲击表面；5-第二待冲击表面；6-第一表层残余压应力层；7-第一中心芯部拉应力层；8-第四增材层；9-第五增材层；10-第六增材层；11-第七增材层；12-第三待冲击表面；13-第二表层残余压应力层；14-第二中心芯部拉应力层。

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。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是本发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，或者是本领域技术人员惯常理解的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

图1是本发明实施例提供的一种组织及应力双梯度金属构件的制备方法的流程示意图，该方法可以包括以下步骤：

S100、获取微观组织与增材制造工艺参数的映射关系式；

S200、依据映射关系式，对具有梯度组织的金属构件进行增材制造；

S300、对具有梯度组织的金属构件进行内应力去除，获得零应力梯度微观组织金属构件；

S400、利用激光冲击在零应力梯度微观组织金属构件的表层引入残余压应力，获得组织及应力双梯度金属构件。

在上述实施方式中，通过采用激光冲击具有梯度组织的增材制造金属构件，可减少增材制造构件的内部缺陷，提高增材制造构件的使用安全性和可靠性，制备的金属梯度构件兼具梯度微观组织和梯度应力分布，梯度微观组织可实现强韧协同，梯度应力分布可获得表面性能的提升，两者组合拓展了金属梯度构件更广泛的应用场景。

作为一种可选的实施方式，步骤S100中，获取微观组织与增材制造工艺参数的映射关系式，具体包括如下步骤：

S101、计算待加工试块的累计输入能量，并采用金相法测定待加工试块的平均晶粒尺寸；

S102、利用平均晶粒尺寸、累计输入能量分别对微观组织、增材制造工艺参数进行参量化表示，获取第一参量式、第二参量式；

S103、依据第一参量式及第二参量式，获取平均晶粒尺寸与累计输入能量之间的映射关系式。

在上述实施方式中，采用激光、电弧、电子束等束流作为热源按照特定路径对金属粉末进行熔化，采用平均晶粒尺寸d对微观组织进行参量化表示，采用累计能量输入E(式1)对增材制造工艺参数进行参量化表示：

E＝ηPt(1)；

式中，η为功率有效系数、P为增材制造过程所用功率、t为制备相同形状、相同体积构件所需的时间。进而通过最小二乘法、非线性函数拟合等方法进一步获得E与d之间的映射关系，从而获得平均晶粒尺寸d与增材制造工艺参数之间的映射关系式(式2)：

d＝f(E)(2)。

作为一种可选的实施方式，步骤S200中，依据映射关系式，对具有梯度组织的金属构件进行增材制造，具体为：

采用累计输入能量E₁制备厚度为Δh₁的增材层，其对应的晶粒尺寸为d₁，采用累计输入能量E₂制备厚度为Δh₂的增材层，其对应的晶粒尺寸为d₂，采用累计输入能量E₃制备厚度为Δh₃的增材层，其对应的晶粒尺寸为d₃，以此类推，获得具有均匀梯度组织的金属增材构件。

在上述实施方式中，获得厚度为H的具有均匀梯度组织的金属增材构件，该金属增材构件的晶粒尺寸分布则为d₁、d₂、d₃、……、d_n，H＝Δh₁+Δh₂+Δh₃+…+Δh_n。

作为一种可选的实施方式，步骤S200中，依据映射关系式，对具有梯度组织的金属构件进行增材制造，具体为：

采用累计输入能量E₁制备厚度为Δh₁的增材层，其对应的晶粒尺寸为d₁，采用累计输入能量E₂制备厚度为Δh₂的增材层，其对应的晶粒尺寸为d₂，采用累计输入能量E₁制备厚度为Δh₁的增材层，其对应的晶粒尺寸为d₁，以此类推，获得具有重复梯度组织的金属增材构件。

在上述实施方式中，获得厚度为H的具有重复梯度组织的金属增材构件，该金属增材构件的晶粒尺寸分布则为d₁、d₂、d₁、d₂、……、d₁、d₂，

作为一种可选的实施方式，步骤S300中，对具有梯度组织的金属构件进行内应力去除，获得零应力梯度微观组织金属构件，具体为：采用热时效和/或振动时效去除具有梯度组织的金属构件的内应力，获得零应力梯度微观组织金属构件。

在上述实施方式中，采用热时效、振动时效等物理方法去除梯度微观组织金属构件的内应力，最终获得具有接近零应力状态的梯度微观组织金属构件。热时效需要严格根据材料种类选用合适的温度、振动时效前需要提前根据零件尺寸通过有限元数值模拟计算其固有频率。

其中，热时效步骤主要包括升温、保温和降温过程，其中升温和降温过程需要控制温度变化速率。

其中，振动时效步骤主要包括固有频率求解、慢升速、高升速、缓慢降速阶段。

作为一种可选的实施方式，步骤S400中，利用激光冲击在零应力梯度微观组织金属构件的表层引入残余压应力，获得组织及应力双梯度金属构件，具体为：采用脉冲激光对零应力梯度微观组织金属构件进行一次或多次冲击，在其表层引入残余压应力，获得组织及应力双梯度金属构件。

在上述实施方式中，激光冲击强化的主要步骤包括：激光参数选择、吸收层布置、约束层设置、激光路径规划、激光冲击及零件化学清理。

作为一种可选的实施方式，激光冲击处理前在零应力梯度微观组织金属构件的待冲击表面设置吸收层、施加去离子水约束层。

作为一种可选的实施方式，获得组织及应力双梯度金属构件之后，还包括：采用无损或有损残余应力检测方法测定残余应力随深度方向的分布。

实施例1

步骤一：增材制造微观组织与工艺参数映射。采用激光选取熔化增材TC4钛合金，首先从高到低设定两档激光功率(P₁、P₂)，并通过调节送粉量、光斑直径、扫描速度等工艺参数制备两块长宽高分别为a、b、c的试块，记录所需时间分别为t₁和t₂，并根据式(1)计算累计输入能量为E₁和E₂，并采用金相法测定其对应的晶粒尺寸分别为d₁、d₂。

步骤二：具有梯度组织的金属构件增材制造。采用步骤一中的累计输入能量E₁对应的增材制造参数制备第三增材层3、随后采用步骤一中的累计输入能量E₂对应的增材制造参数制备第一增材层1、最后采用步骤一中的累计输入能量E₂对应的增材制造参数制备第二增材层2，从而完成具有梯度组织的金属增材构件制造。

步骤三：增材制造梯度金属构件的内应力去除。对步骤二制备的具有梯度组织的金属增材构件制造进行去应力退火，获得零应力状态的金属增材构件制造。

步骤四：增材制造梯度金属构件的梯度应力植入。采用激光冲击强化对零应力状态的金属增材构件制造进行处理，冲击处理前在第一待冲击表面4布置吸收层，施加去离子水约束层，并进行冲击；采用同样的方法对第二待冲击表面5进行冲击，制备出如图2所示的双梯度金属构件。

步骤五：梯度应力测试表征。采用电解抛光剥层法获得激光冲击后的增材制造梯度金属构件的不同深度层、采用X射线衍射测定不同深度层的残余应力，获得表层残余压应力层6与中心芯部拉应力层7。

通过上述五个步骤完成了具有不同晶粒尺寸d₁-d₂-d₁的梯度微观组织，残余压应力-残余拉应力-残余压应力的梯度应力分布的组织/应力双梯度金属构件制备。

实施例2

步骤一：增材制造微观组织与工艺参数映射。采用激光选取熔化增材TC4钛合金，首先从高到低设定两档激光功率(P₃、P₄、P₅、P₆)，并通过调节送粉量、光斑直径、扫描速度等工艺参数制备两块长宽高分别为a、b、c的试块，记录所需时间分别为t₃、t₄、t₅、t₆，并根据式(1)计算累计输入能量为E₃、E₄、E₅、E₆，并采用金相法测定其对应的晶粒尺寸分别为d₃、d₄、d₅、d₆。

步骤二：具有梯度组织的金属构件增材制造。采用步骤一中的累计输入能量E₃对应的增材制造参数制备第四增材层8、随后采用步骤一中的累计输入能量E₄对应的增材制造参数制备第五增材层9、采用步骤一中的累计输入能量E₅对应的增材制造参数制备第六增材层10、采用步骤一中的累计输入能量E₆对应的增材制造参数制备第七增材层11，从而完成具有梯度组织的金属增材构件制造。

步骤三：增材制造梯度金属构件的内应力去除。对步骤二制备的具有梯度组织的金属增材构件制造进行振动时效去应力，获得零应力状态的金属增材构件制造。

步骤四：增材制造梯度金属构件的梯度应力植入。采用激光冲击强化对零应力状态的金属增材构件制造进行处理，冲击处理前在第三待冲击表面12布置吸收层，施加去离子水约束层，并进行冲击，制备出如图3所示的双梯度金属构件。

步骤五：梯度应力测试表征。采用电解抛光剥层法获得激光冲击后的增材制造梯度金属构件的不同深度层、采用X射线衍射测定不同深度层的残余应力，获得表层残余压应力层13与中心芯部拉应力层14。

通过上述五个步骤完成了具有不同晶粒尺寸d₃-d₄-d₅-d₆的梯度微观组织，残余压应力-残余拉应力-残余压应力的梯度应力分布的组织/应力双梯度金属构件制备。

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 (10)

1.一种组织及应力双梯度金属构件的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

获取微观组织与增材制造工艺参数的映射关系式；

依据所述映射关系式，对具有梯度组织的金属构件进行增材制造；

对所述具有梯度组织的金属构件进行内应力去除，获得零应力梯度微观组织金属构件；

利用激光冲击在所述零应力梯度微观组织金属构件的表层引入残余压应力，获得组织及应力双梯度金属构件。

2.根据权利要求1所述的组织及应力双梯度金属构件的制备方法，其特征在于，所述获取微观组织与增材制造工艺参数的映射关系式，具体包括如下步骤：

计算待加工试块的累计输入能量，并采用金相法测定所述待加工试块的平均晶粒尺寸；

利用所述平均晶粒尺寸、所述累计输入能量分别对微观组织、增材制造工艺参数进行参量化表示，获取第一参量式、第二参量式；

依据所述第一参量式及所述第二参量式，获取所述平均晶粒尺寸与所述累计输入能量之间的映射关系式。

3.根据权利要求2所述的组织及应力双梯度金属构件的制备方法，其特征在于，所述计算待加工试块的累计输入能量，具体包括如下步骤：

以设定激光功率制备所述待加工试块，并记录加工时间；

依据所述设定功率及所述加工时间，计算所述累计输入能量。

4.根据权利要求2所述的组织及应力双梯度金属构件的制备方法，其特征在于，所述依据所述第一参量式及所述第二参量式，获取所述平均晶粒尺寸与所述累计输入能量之间的映射关系式，具体包括如下步骤：

通过最小二乘法及非线性函数拟合获得所述平均晶粒尺寸与所述累计输入能量之间的映射关系；

依据所述映射关系，获得所述平均晶粒尺寸与所述增材制造工艺参数之间的映射关系式。

5.根据权利要求1所述的组织及应力双梯度金属构件的制备方法，其特征在于，所述依据所述映射关系式，对具有梯度组织的金属构件进行增材制造，具体为：

采用累计输入能量E₁制备厚度为Δh₁的增材层，其对应的晶粒尺寸为d₁，采用累计输入能量E₂制备厚度为Δh₂的增材层，其对应的晶粒尺寸为d₂，采用累计输入能量E₃制备厚度为Δh₃的增材层，其对应的晶粒尺寸为d₃，以此类推，获得具有均匀梯度组织的金属增材构件。

6.根据权利要求1所述的组织及应力双梯度金属构件的制备方法，其特征在于，所述依据所述映射关系式，对具有梯度组织的金属构件进行增材制造，具体为：

采用累计输入能量E₁制备厚度为Δh₁的增材层，其对应的晶粒尺寸为d₁，采用累计输入能量E₂制备厚度为Δh₂的增材层，其对应的晶粒尺寸为d₂，采用累计输入能量E₁制备厚度为Δh₁的增材层，其对应的晶粒尺寸为d₁，以此类推，获得具有重复梯度组织的金属增材构件。

7.根据权利要求1所述的组织及应力双梯度金属构件的制备方法，其特征在于，所述对所述具有梯度组织的金属构件进行内应力去除，获得零应力梯度微观组织金属构件，具体为：

采用热时效和/或振动时效去除所述具有梯度组织的金属构件的内应力，获得所述零应力梯度微观组织金属构件。

8.根据权利要求1所述的组织及应力双梯度金属构件的制备方法，其特征在于，所述利用激光冲击在所述零应力梯度微观组织金属构件的表层引入残余压应力，获得组织及应力双梯度金属构件，具体为：

采用脉冲激光对所述零应力梯度微观组织金属构件进行一次或多次冲击，在其表层引入残余压应力，获得所述组织及应力双梯度金属构件。

9.根据权利要求1所述的组织及应力双梯度金属构件的制备方法，其特征在于，激光冲击处理前在所述零应力梯度微观组织金属构件的待冲击表面设置吸收层、施加去离子水约束层。

10.根据权利要求1所述的组织及应力双梯度金属构件的制备方法，其特征在于，所述获得组织及应力双梯度金属构件之后，还包括：

采用无损或有损残余应力检测方法测定残余应力随深度方向的分布。

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