CN115846688A - 一种基于磁场调控的双相钛合金激光增材制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于磁场调控的双相钛合金激光增材制造方法，属于金属增材制造技术领域。本发明提供的磁场调控的双相钛合金激光增材制造方法，包括：在磁场作用下，对双相钛合金粉末进行进行激光增材制造，得到双相钛合金。本发明采用外加磁场实时影响双相钛合激光增材制造过程中的高温相变区域，实时控制组织演化过程，抑制残余应力并提高综合力学性能；将磁场引入激光增材制造的原位热处理中，将磁场作用于由热循环造成的高温相变区域，为固态相变提供额外的磁场能量，在磁吉布斯自由能和高温的共同作用下，改变多次固态相变过程的相变热力学和元素的扩散行为，引导位错在晶内迁移，促进马氏体的分解和网篮结构的粗化。
Description
技术领域
本发明涉及金属增材制造技术领域，尤其涉及一种基于磁场调控的双相钛合金激光增材制造方法。
背景技术
钛合金凭借着低密度、高比强度和耐腐蚀性，被广泛应用于航空航天、生物医学、兵器等领域。双相钛合金主要以α相为主，并含有一定量的β相，其具有相较于α相钛合金更优异的综合力学性能，和比β相钛合金更高的使用温度。因此双相钛合金被广泛应用于航空航天领域，如航空发动机的压气机盘、风扇、机匣和飞机隔框等。
对于复杂结构的双相钛合金零件，传统加工技术存在加工难度大、工期时间长、工艺复杂等缺点，而使用激光增材制造技术可以很好的解决这些问题。激光增材制造技术通过高能激光束熔化同步输送的金属粉末，并利用分层原理，将三维实体转化为二维图像，在控制系统操控下，以一定的形状逐层累积出三维实体。激光增材制造技术较小的熔池尺度，给予其制造过程中更高的空间自由度，可柔性制造复杂结构零件。
较小的熔池尺度同时也给双相钛合金的凝固过程带来了较高的冷却速度和较高的温度梯度，这导致双相钛合金的高温β相直接转变为马氏体相，并使得零件内部存在较大的残余应力，这导致激光增材制造的双相钛合金零件具有强度高塑性低的特点。在激光增材制造过程中，后一层的熔覆过程会导致前一层已凝固组织的部分重熔，因此双相钛合金的组织内部存在外延生长且穿过多个沉积层的粗大β柱状晶，在高于β转变温度的热处理下才可以将其转变为β等轴晶，这导致激光增材制造钛合金零件的力学性能具有明显的各向异性。其力学性能难以满足ASTM B381-13的标准，严重制约了激光增材制造双相钛合金的发展和应用。
从现有的研究结果来看，通过调整激光工艺参数来调控双相钛合金的力学性能是有限的。磁场作为一种无接触式的冶金控制手段，早在六七十年前就被应用于冶金材料制备过程。对于熔体的凝固过程，外加磁场可基于磁阻尼效应和热电磁效应，在不同的凝固条件、磁场强度和作用尺度下促进或抑制熔体的流动和传热，进而影响凝固枝晶的取向、间距以及形貌。需要注意的是，磁场可以改变钛合金的相变动力学，在热和磁场的耦合作用下，双相钛合金的组织形貌会发生一定的改变，中国专利：一种TC4钛合金加工方法(CN110551956A)，在传统热处理过程中对激光选区熔化Ti-6Al-4V合金施加强磁场以大大提高了钛合金的强度和塑性。
激光增材制造作为一种多层熔覆的技术，在层层堆叠的过程中，已凝固层的温度必然会上升到很高的温度，同时也随着激光高能束的移动而冷却。虽然此过程十分短暂，但是温度的升高和下降会随着沉积的进行循环往复，这也被称为热循环过程。在激光增材制造的热循环过程中，马氏体相会分解为α相和β相，网篮组织也会发生一定的变化，这相当于对双相钛合金零件进行了原位热处理，但由于高温作用时间短暂，激光增材制造双相钛合金的塑性不如传统加工所得的双相钛合金。
为了能够提高双相钛合金的性能，往往需要对打印好的钛合金进行热处理，传统的获得双态组织钛合金热处理工艺通常是以多重退火及多次时效相结合，虽然这种热处理方式会根据温度及时间和冷却速率的不同在不同程度上提升双相钛合金的塑性，但是对于服役环境严苛的双相钛合金而言其塑性仍然不够理想，且这种获得双态组织的热处理方式由于需要在Tβ附近进行多次加热及冷却，效率较低。
因此，提供一种制备过程简单，且能够提高双相钛合金塑性的方法，成为本领域亟待解决的技术问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于磁场调控的双相钛合金激光增材制造方法，本发明提供的磁场原位热处理方法制备的双相钛合金具有更平衡的力学性能。
为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
本发明提供了一种基于磁场调控的双相钛合金激光增材制造方法，包括：在磁场作用下，对双相钛合金粉末进行进行激光增材制造，得到双相钛合金。
优选地，所述双相钛合金粉末包括但不限于Ti-6Al-4V、Ti-5Al-2Sn-2Zr-4Mn-4Cr或Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo。
优选地，所述双相钛合金粉末的粒径范围为53～150μm，平均粒径为75～90μm。
优选地，所述激光增材制造在保护气氛中进行，所述保护气氛为氩气或氦气。
优选地，所述保护气氛中的氧含量低于50ppm。
优选地，所述磁场的强度为0.1～1T。
优选地，所述磁场作用于由原位热循环造成的α\β高温相变区域。
优选地，所述α\β高温相变区域的温度为800～1000℃。
优选地，所述激光增材制造的参数包括：激光功率为1800～2200W，激光扫描速度为5～20mm/s，激光能量密度为100～200J/mm，送粉量为5～20g/min，激光熔覆头抬升量为0.4～0.5mm。
本发明提供了上述技术方案所述激光增材制造方法制备得到的双相钛合金。
本发明提供了一种基于磁场调控的双相钛合金激光增材制造方法，包括：在磁场作用下，对双相钛合金粉末进行进行激光增材制造，得到双相钛合金。本发明采用外加磁场实时影响双相钛合激光增材制造过程中的高温相变区域，实时控制组织演化过程，抑制残余应力并提高综合力学性能；将磁场引入激光增材制造的原位热处理中，为固态相变提供额外的磁场能量，在磁吉布斯自由能和高温的共同作用下，改变多次固态相变过程的相变热力学和元素的扩散行为，引导位错在晶内迁移，促进马氏体的分解和网篮结构的粗化；相较于改善激光增材制造双相钛合金微观组织的传统技术，具有干净无接触、高效便捷且成本低的特点，适用于航空航天、兵器、医疗等诸多双相钛合金制造技术领域。实施例的结果显示，本发明提供的制造方法得到的双相钛合金展现出粗大的网篮组织，同时双相钛合金的极限抗拉强度超过950MPa，断裂延伸率超过14％，具有更平衡的力学性能。
附图说明
图1为本发明中用于磁场调控的双相钛合金激光增材制造的装置；
图1中，1为基板，2为钛合金零件，3为磁体装置，4为磁体固定装置，5为激光熔覆头，6为水冷系统，7为数控系统，8为送粉器，9为激光器；
图2为本发明中用于磁场调控的双相钛合金激光增材制造的装置；
图2中，1为基板，2为钛合金零件，3为磁体装置，4为磁体固定装置，5为激光熔覆头，6为水冷系统，7为数控系统，8为送粉器，9为激光器；
图3为本发明实施例1制备的双相钛合金的显微组织；
图4为本发明实施例1制备的双相钛合金的显微组织；
图5为本发明对比例1制备的双相钛合金的显微组织；
图6为本发明对比例1制备的双相钛合金的显微组织。
具体实施方式
本发明提供了一种基于磁场调控的双相钛合金激光增材制造方法，包括：在磁场作用下，对双相钛合金粉末进行进行激光增材制造，得到双相钛合金。本发明采用外加磁场实时影响双相钛合激光增材制造过程中的高温相变区域，实时控制组织演化过程，抑制残余应力并提高综合力学性能。
在本发明中，所述双相钛合金粉末优选包括但不限于Ti-6Al-4V、Ti-5Al-2Sn-2Zr-4Mn-4Cr或Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo，更优选为Ti-6Al-4V合金粉末；所述双相钛合金粉末的粒径范围优选为50～150μm，更优选为80～120μm；所述双相钛合金粉末的平均粒径优选为75～90μm。本发明对所述双相钛合金粉末的具体来源没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的市售产品即可。
在本发明中，所述双相钛合金粉末在进行激光增材制造前优选进行干燥处理。在本发明中，所述干燥处理的温度优选为80～120℃，更优选为100℃；所述干燥处理的时间优选为2～3h，更优选为2h；所述干燥处理优选在真空环境中进行。本发明通过对双相钛合金粉末进行干燥处理，可以去除双相钛合金粉末表面的水分，避免在激光增材制造的过程中出现粉末粘连或激光熔覆头粉口堵塞的现象。
在本发明中，所述激光增材制造优选在保护气氛中进行；所述保护气氛优选为氩气或氦气，更优选为氩气。在本发明中，所述保护气氛中的氧含量优选低于50ppm。本发明通过在保护气氛中进行激光增材制造，可以防止双相钛合金粉末发生氧化以及球化、未融合等缺陷的产生。
在本发明中，所述激光增材制造在磁场中进行；所述磁场优选为横向磁场；所述磁场的强度优选为0.1～1T，更优选为0.2～0.9T，进一步优选为0.5～0.8T。在本发明中，所述磁场优选作用于由原位热循环造成的α/β高温相变区域；所述α/β高温相变区域的温度优选为800～1000℃，更优选为850～950℃，进一步优选为900℃。本发明通过控制磁场位置，使最大磁场强度区域位于由原位热循环造成的α/β高温相变区域，这可以保证在激光增材制造过程中磁场为相变区域提供额外的磁吉布斯自由能，从而调控双相钛合金的组织演化过程。
在本发明中，所述由原位热循环造成的α/β高温相变区域的测定方法优选为：根据激光增材制造的参数，使用模拟计算软件对该参数下的激光增材制造过程的温度曲线进行模拟，得到由原位热循环造成的α/β高温相变区域与激光焦点的距离。在本发明中，为明确概念，将熔池位置默认为激光焦点位置，在实际操作中可以根据离焦距离进行相应的调节。
在本发明中，所述激光增材制造的参数优选包括：激光功率为1800～2200W，激光扫描速度为5～20mm/s，激光能量密度为100～200J/mm，送粉量为5～20g/min，激光熔覆头抬升量为0.4～0.5mm，更优选为：激光功率为2000～2100W，激光扫描速度为10～15mm/s，激光能量密度为150～180J/mm，送粉量为10～15g/min，激光熔覆头抬升量为0.5mm。本发明通过控制激光增材制造的参数，能够进一步提高双相钛合金的塑性。
本发明还提供了上述技术方案所述磁场调控的双相钛合金激光增材制造方法所使用的装置。
如图1所示，在本发明的一个实施例中，所述用于磁场调控的双相钛合金激光增材制造的装置包括基板1、钛合金零件2、磁体装置3、磁体固定装置4、激光熔覆头5、水冷系统6、数控系统7、送粉器8和激光器9；
所述钛合金零件2在基板1的上方；
所述磁体装置3通过磁体固定装置4固定在钛合金零件2的两侧；
所述激光熔覆头5设置在钛合金零件2的上方；
所述激光熔覆头5固定在数控系统7的行进系统上；
所述送粉器8通过送粉管道与激光熔覆头5相通；
所述激光器9通过光纤与激光熔覆头5相接；
所述水冷系统6通过水路管道接入到激光熔覆头5中。
在本发明的一个实施例中，磁体装置3包括永磁体或电磁铁。
在本发明的一个实施例中，所述送粉器5的送粉方式优选为同轴送粉或侧向送粉；所述送粉时的载流气优选为氩气。
在本发明的一个实施例中，所述激光器9为CO2气体激光器、YAG固体激光器、二极管激光器、光纤激光器或半导体激光器。
在本发明中，所述激光熔覆头5包括聚焦激光束和同轴送粉两个作用；所述数控系统7用于控制激光熔覆头行走路径。
本发明还提供了另一种上述技术方案所述磁场调控的双相钛合金激光增材制造方法所使用的装置。
如图2所示，在本发明的一个实施例中，所述用于磁场调控的双相钛合金激光增材制造的装置包括基板1、钛合金零件2、磁体装置3、磁体固定装置4、激光熔覆头5、水冷系统6、数控系统7、送粉器8和激光器9；
所述钛合金零件2在基板1的上方；
所述磁体装置3通过磁体固定装置4同轴安置在激光熔覆头5的两侧；
所述激光熔覆头5设置在钛合金零件2的上方；
所述激光熔覆头5固定在数控系统7的行进系统上；
所述送粉器8通过送粉管道与激光熔覆头5相通；
所述激光器9通过光纤与激光熔覆头5相接；
所述水冷系统6通过水路管道接入到激光熔覆头5中。
本发明将磁体装置3通过磁体固定装置4同轴安置在激光熔覆头5的两侧，可以使磁体装置跟随着激光熔覆头的移动而移动。
在本发明中，所述磁体装置3与激光熔覆头5的Z轴相对位置可进行调节，使目标区域位于最大磁场强度处，从而进一步提高双相钛合金的性能。
本发明提供了上述技术方案所述激光增材制造方法制备得到的双相钛合金。本发明提供的双相钛合金展现出粗大的网篮组织。
下面将结合本发明中的实施例，对本发明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。
实施例1
一种基于磁场调控的双相钛合金激光增材制造方法，具体步骤为：先将双相钛合金粉末在80℃的真空环境下干燥2h，然后在保护气氛下，对其进行激光增材制造，得到性能优越的双相钛合金；
所述激光增材制造在强度为0.55T的磁场中进行，所述磁场作用于由原位热循环造成的α/β高温相变区域；
所述双相钛合金粉末为Ti-6Al-4V合金粉末，双相钛合金粉末的粒径范围为80～120μmm；所述保护气氛为氩气，保护气氛中的氧含量低于50ppm；
所述激光增材制造的参数为：激光功率为2100W，激光扫描速度为10mm/s，激光能量密度为150～180J/mm，送粉量为10g/min，激光熔覆头抬升量为0.5mm。
对实施例1得到的双相钛合金的显微组织进行观察，其结果分别如图3和图4所示。由图3和图4可以看出，在磁场的控制下，双相钛合金中的马氏体退化，并且网篮组织明显出现一定的粗化。
对比例1
将实施例1中的磁场强度调整为0T(即无磁场)，其他条件不变。
将对比例1得到的双相钛合金的显微组织进行观察，其结果分别如图5和图6所示。由图5和图6可以看出，在没有磁场时，双相钛合金内部为细小的网篮组织和大量的马氏体。
对实施例1和对比例1制备的双相钛合金的力学性能进行测试，其结果如表1所示：
表1实施例1和对比例1制备的双相钛合金的力学性能
| 极限抗拉强度(MPa) | 断裂延伸率(％) | |
| 实施例1 | 963.9±13.5 | 14.6±3.1 |
| 对比例1 | 1034±5.5 | 10.2±0.5 |
由表1可以看出，在对α/β高温相变区域施加一定的磁场后，双相钛合金的极限抗拉强度仅仅出现小幅度的下降，但是其断裂延伸率提高了近45％，从而使双相钛合金具有更平衡的力学性能。
由实施例1和对比例1的对比可以看出，本发明采用外加磁场实时影响双相钛合激光增材制造过程中的高温相变区域，实时控制组织演化过程，抑制残余应力并提高综合力学性能；通过施加横向磁场对激光增材制造钛合金的热循环过程进行调控，有效改善了快速冷却下钛合金的微观组织，尤其促进了马氏体进一步分解，获得粗化的网篮组织，改善激光增材制造双相钛合金的综合力学性能，极大地丰富了激光增材制造钛合金的适用场景，并且在磁场下原位热处理获得的组织往往是现有技术中需要经过长时间热处理才可以获得的，说明本发明降低了激光增材制造双相钛合金的时间成本和经济成本。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种基于磁场调控的双相钛合金激光增材制造方法，包括：在磁场作用下，对双相钛合金粉末进行进行激光增材制造，得到双相钛合金。
2.根据权利要求1所述的激光增材制造方法，其特征在于，所述双相钛合金粉末包括但不限于Ti-6Al-4V、Ti-5Al-2Sn-2Zr-4Mn-4Cr或Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo。
3.根据权利要求1或2所述的激光增材制造方法，其特征在于，所述双相钛合金粉末的粒径范围为53～150μm，平均粒径为75～90μm。
4.根据权利要求1所述的激光增材制造方法，其特征在于，所述激光增材制造在保护气氛中进行，所述保护气氛为氩气或氦气。
5.根据权利要求1或5所述的激光增材制造方法，其特征在于，所述保护气氛中的氧含量低于50ppm。
6.根据权利要求1所述的激光增材制造方法，其特征在于，所述磁场的强度为0.1～1T。
7.根据权利要求1所述的激光增材制造方法，其特征在于，所述磁场作用于由原位热循环造成的α\β高温相变区域。
8.根据权利要求7所述的激光增材制造方法，其特征在于，所述α\β高温相变区域的温度为800～1000℃。
9.根据权利要求1所述的激光增材制造方法，其特征在于，所述激光增材制造的参数包括：激光功率为1800～2200W，激光扫描速度为5～20mm/s，激光能量密度为100～200J/mm，送粉量为5～20g/min，激光熔覆头抬升量为0.4～0.5mm。
10.权利要求1～9任意一项所述激光增材制造方法制备得到的双相钛合金。
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2022
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