CN116275115B - 一种TiAl合金的电子束选区增材制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种TiAl合金的电子束选区增材制造方法，涉及电子束增材制造技术领域。该方法包括以下步骤：S1.将TiAl合金棒材制得TiAl合金粉末；S2.将TiAl合金粉末选取合适比例粒径分布；S3.将筛分后的TiAl合金粉末混合均匀；S4.步骤S3制得的TiAl合金粉末与基板一同送入电子束设备；S5.对基板进行预热；S6.开始电子束成形，将TiAl合金粉末铺展在基板上，依次进行粉末预热‑实体熔化‑实体预热，完成单层成形；S7.将加工平台下降一个层厚高度，重复步骤S6；S8.重复步骤S7，即得TiAl合金。本发明通过探索粉末特性区间与预热工艺解决电子束成形的吹粉问题。
Description
技术领域
本发明涉及电子束增材制造技术领域，尤其涉及一种TiAl合金的电子束选区增材制造方法。
背景技术
TiAl合金具有强度高、密度低、抗疲劳性能、高温抗氧化和抗蠕变性能优异等特点，被认为是极具应用潜力的轻质耐热材料，有望替代镍基高温合金成为新一代航空发动机用高温结构材料。目前TiAl合金大部分采用铸造、锻造、粉末冶金等技术成形，但由于其本征脆性，加工性能较差，传统加工方法难以满足工程化应用需求，且内部存在各种裂纹、偏析、夹杂等冶金缺陷，难以保证其优异性能，生产成本较大。
电子束增材制造（SEBM）技术作为一种制备TiAl合金的近成形工艺，可预热温度至1000℃以上，降低成形过程中温度梯度，同时利用电子束快速扫描预热提高温度场分布均匀性，可降低内部残余应力，有效解决成形过程中材料开裂问题；且在真空环境下，控制杂质元素进入，可提高加工质量；高能量输入可使TiAl合金粉末充分熔化，实现致密化，成形效率高，原料利用率高，在制造复杂结构件方面具有独特的优势，在航空航天、生物医疗、汽车模具等领域具有广阔应用前景。作为TiAl合金主要成形手段，SEBM仍存在部分工艺难点，一般认为，当高密度电荷聚集在粉末层时，粉末层带负电，导致粉末与粉末之间、粉末与基板之间及粉末与电子束流之间存在互相排斥的作用力，成形过程中，粉末容易在电子束作用下溃散，即导致“吹粉”现象的发生，从而引起高压放电，迫使成形中断。
目前研究认为通过粉末层预热等方法使粉末预烧结，提高粉末层的结合力、抗冲击力和导电性，使粉末表面所带负电荷迅速导走，减少粉末间排斥力，从而防止粉末层溃散，可降低“吹粉”现象发生。可见，抑制“吹粉”现象发生的关键在于粉床预烧结程度，这与粉末的物理性能以及预热工艺有关，目前SEBM成形TiAl合金的粉末制造方法有旋转电极雾化法和气雾化两种方法，选用粒径为50-150μm的粉末作为成形原料，在实际成形过程中，经常发生“吹粉”，对于SEBM成形最佳粉末特性并无明确研究，同时由于粉末粒径、流动性、球形度等粉末特性不一致，往往需要在前期通过尝试预热环节的参数搭配，调整预热工艺参数来优化预烧结粉末层的方法来解决“吹粉”问题，耗时较长，且收效较低。基于此，本发明提供一种TiAl合金的电子束选区增材制造方法，通过探索电子束成形所需最佳粉末特性区间，搭配合适的预热工艺解决吹粉问题，提高TiAl合金成形效率。
发明内容
本发明通过对TiAl合金的电子束选区增材制造方法中所需金属粉末性能与适配预热工艺进行调节，控制金属粉末的粒径分布、流动性等粉末性能，提高粉末颗粒之间粘接性、结合力、抗冲击力以及导电性，同时搭配合适预热工艺，保证预热后粉床的均匀性与稳定性，可有效解决电子束选区增材制造过程中吹粉问题，实现TiAl金属粉末电子束增材制造稳定成形，具有实用价值。
为解决上述技术问题，本发明提供一种TiAl合金的电子束选区增材制造方法，具体包括以下技术方案：
提供一种TiAl合金的电子束选区增材制造方法，包括以下步骤：
S1. 将TiAl合金棒材采用等离子旋转电极雾化法制得20-150μm的TiAl合金粉末；
S2.将步骤S1制得的TiAl合金粉末选取合适比例粒径分布，得到为粒度范围分别在20-50μm、50-100μm、100-150μm的TiAl合金粉末；以重量百分比计，所述的TiAl合金粉末包括20-50μm的TiAl合金粉末12.5-25%、50-100μm的TiAl合金粉末50-75%和100-150μm的TiAl合金粉末12.5-25%；完成TiAl合金粉末的筛分；
S3.将筛分后的TiAl合金粉末混合均匀，完成TiAl合金粉末的制备；
S4.步骤S3制得的TiAl合金粉末与基板一同送入电子束设备的加工平台上；
S5.对基板进行预热，使得基板的温度在1000℃以上；
S6.开始电子束成形，将TiAl合金粉末铺展在基板上，依次进行粉末预热-实体熔化-实体预热，完成单层成形；
S7.将加工平台下降一个层厚高度，重复步骤S6，完成下一层成形；
S8.重复步骤S7，完成成形，即得TiAl合金；
所述的TiAl合金棒材的成分为Ti-(42-48)Al-(2-9)Nb-(0-3)(V/Cr/Mo)-(0.01-1)（C/B）。
优选的，TiAl合金棒材的成分为Ti-(42-48)Al-(2-9)Nb。
优选的，步骤S2中，所述的TiAl合金粉末选取合适比例粒径分布为采用旋风分离技术进行筛分。
优选的，步骤S3中，采用球磨机将筛分后的TiAl合金粉末混合均匀。
优选的，步骤S4中，所述的电子束设备为顶粉式设备。
进一步的，步骤S3中，制备完成后的TiAl合金粉末的流动性为25-35s/50g、振实密度为2.8-3.0g/cm³。
进一步的，步骤S1中，TiAl合金粉末的球形度为0.93-0.98。
优选的，步骤S1中，TiAl合金粉末中空心粉与卫星粉的占比低于7%。
进一步的，步骤S5中，基板的预热为：将电子束的电流调整为8-10mA，加热15-20min后；将电子束的电流升高至15-20mA，加热15-20min；然后将电子束的电流降低至3.5-8mA，保温15-20min；然后电子束的电流升高至35-40mA，加热15-20min；最后将电子束的电流升高至45-48mA，加热15-20min。
进一步的，步骤S6中，粉末预热为调整电子束的初始电流在20mA以下，分6-8级阶梯级数依次递增，使得终止电流达到40-48mA。
进一步的，步骤S6中，粉末预热的电子束离焦量在0.2-0.4V，扫描时间为50-60s，扫描速度在12-15m/s。
优选的，步骤S6中，粉末预热的预热扫描线为横纵交替式扫描，横向扫描采用从左向右收尾相连的扫描路线，纵向扫描采用从前往后收尾相连的扫描路线。
进一步的，步骤S4前还包括将电子束设备抽至真空状态，待真空度小于1.0e-4Pa后充入氦气，使得充入氦气后的成形环境气压为1.0e-1-1.5e-1Pa。
进一步的，步骤S3中，制备完成后的TiAl合金粉末的光洁度为60-80%。
进一步的，步骤S6中，TiAl合金粉末的铺设厚度为80-90μm。
优选的，步骤S6中，TiAl合金粉末的铺设厚度与单层成形厚度相同。
进一步的，等离子旋转电极雾化法的等离子弧电流为1700-1900A，电极转速为18000-25000r/min，进给速率为0.8-1.2mm/s。
进一步的，所述的基板为钢基材。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
本发明通过TiAl合金粉末性能进行选择并结合预热方法，可有效解决电子束选区增材制造过程中吹粉问题，实现TiAl合金粉末电子束增材制造稳定成形，具有实用价值。
其中，本发明中的TiAl合金粉末，具备高球形度、合理的粒径分布以及流动性，既可以保证粉末在粉床上均匀铺展，又可以保证粉末间粘连紧密，适用于电子束成形；同时结合本发明电子束选区增材制造方法中的预热工艺，可保证预热后粉末预烧结程度最佳，增加粉床稳定性及导电性，有效抑制电子束成形TiAl合金时吹粉现象的发生，对成形TiAl合金部件具有相当大的实用价值。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图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为本发明中实施例1中TiAl合金粉末的形貌图；
图2为图1的局部放大图；
图3为本发明实施例1制得的TiAl合金。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，以下将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作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。
本实施例中所述的实体预热条件可为：电子束电流45mA，电子束离焦量在0.3-0.36V，扫描时间为35s-40s。（具体值可在此区间选取）
本实施例中所述的实体预热条件具体为电子束电流45mA，电子束离焦量在0.36V，扫描时间为35s。
实施例1
一种TiAl合金的电子束选区增材制造方法，包括以下步骤：
S1. 将TiAl合金棒材（Ti45Al8Nb）采用等离子旋转电极雾化法制得20-150μm的TiAl合金粉末；等离子旋转电极雾化法的等离子弧电流为1800A，电极转速为20000r/min，进给速率为1.0mm/s；TiAl合金粉末的球形度为0.94。
S2.将步骤S1制得的TiAl合金粉末选取合适比例粒径分布，得到为粒度范围分别在20-50μm、50-100μm、100-150μm的TiAl合金粉末；以重量百分比计，所述的TiAl合金粉末包括20-50μm的TiAl合金粉末12.5%、50-100μm的TiAl合金粉末75%和100-150μm的TiAl合金粉末12.5%；完成TiAl合金粉末的筛分；
S3.将筛分后的TiAl合金粉末采用球磨机混合均匀，完成TiAl合金粉末的制备；制得的TiAl合金粉末的流动性为28s/50g、振实密度为2.9g/cm³、光洁度为70%；TiAl合金粉末的形貌图如图1和图2所示；
S4. 选择钢基材作为基板，步骤S3制得的TiAl合金粉末与基板一同送入电子束设备的加工平台上；步骤S4前将电子束设备抽至真空状态，待真空度小于1.0e-4Pa后充入氦气，使得充入氦气后的成形环境气压为1.0e-1Pa。
S5.对基板进行预热，将电子束的电流调整为8mA，加热15min后；将电子束的电流升高至15mA，加热15min；然后将电子束的电流降低至3.5mA，保温15min；然后电子束的电流升高至35mA，加热15min；最后将电子束的电流升高至48mA，加热15min，使得基板的温度为1148℃；
S6.开始电子束成形，将TiAl合金粉末铺展在基板上，TiAl合金粉末的铺设厚度为90μm，依次进行粉末预热-实体熔化-实体预热，完成单层成形；粉末预热为调整电子束的初始电流在20mA，分6级阶梯级数依次递增，使得终止电流达到48mA；粉末预热的电子束离焦量在0.2V，扫描时间为55s，扫描速度在13m/s；
S7.将加工平台下降90μm的高度，重复步骤S6，完成下一层成形；
S8.重复步骤S7，完成成形，即得TiAl合金。
实施例1制得的TiAl合金如图3所示。实施例1的TiAl合金的电子束选区增材制造方法制造过程中未发生吹粉，成功成形出TiAl合金的试样块。可见，本发明可以有效解决TiAl合金的电子束选区增材制造过程中的吹粉现象，增加了成形稳定性，技术优势明显。
实施例2
一种TiAl合金的电子束选区增材制造方法，包括以下步骤：
S1. 将TiAl合金棒材（Ti45Al5Nb1Mo）采用等离子旋转电极雾化法制得20-150μm的TiAl合金粉末；等离子旋转电极雾化法的等离子弧电流为1800A，电极转速为20000r/min，进给速率为1.0mm/s；TiAl合金粉末的球形度为0.95；TiAl合金粉末中空心粉与卫星粉的占比为5%。
S2.将步骤S1制得的TiAl合金粉末采用旋风分离技术选取合适比例粒径分布，得到为粒度范围分别在20-50μm、50-100μm、100-150μm的TiAl合金粉末；以重量百分比计，所述的TiAl合金粉末包括20-50μm的TiAl合金粉末25%、50-100μm的TiAl合金粉末50%和100-150μm的TiAl合金粉末25%；完成TiAl合金粉末的筛分；
S3.将筛分后的TiAl合金粉末采用球磨机混合均匀，完成TiAl合金粉末的制备；制得的TiAl合金粉末的流动性为35s/50g、振实密度为3.0g/cm³、光洁度为60%；
S4. 选择钢基材作为基板，步骤S3制得的TiAl合金粉末与基板一同送入电子束设备的加工平台上；所述的电子束设备为顶粉式设备；
步骤S4前将电子束设备抽至真空状态，待真空度小于1.0e-4Pa后充入氦气，使得充入氦气后的成形环境气压为1.0e-1Pa。
S5.对基板进行预热，将电子束的电流调整为8mA，加热15min后；将电子束的电流升高至15mA，加热15min；然后将电子束的电流降低至3.5mA，保温15min；然后电子束的电流升高至35mA，加热15min；最后将电子束的电流升高至48mA，加热15min，使得基板的温度为1170℃；
S6.开始电子束成形，将TiAl合金粉末铺展在基板上，TiAl合金粉末的铺设厚度为80μm，依次进行粉末预热-实体熔化-实体预热，完成单层成形；粉末预热为调整电子束的初始电流在20mA，分6级阶梯级数依次递增，使得终止电流达到48mA；粉末预热的电子束离焦量在0.2V，扫描时间为55s，扫描速度在13m/s；粉末的预热扫描线为横纵交替式扫描，横向扫描采用从左向右收尾相连的扫描路线，纵向扫描采用从前往后收尾相连的扫描路线；
S7.将加工平台下降80μm的高度，重复步骤S6，完成下一层成形；
S8.重复步骤S7，完成成形，即得TiAl合金。
对比例1
一种TiAl合金的电子束选区增材制造方法，包括以下步骤：
S1. 将TiAl合金棒材（Ti45Al8Nb）采用等离子旋转电极雾化法制得20-150μm的TiAl合金粉末；等离子旋转电极雾化法的等离子弧电流为1800A，电极转速为20000r/min，进给速率为1.0mm/s；TiAl合金粉末的球形度为0.94。
S2. 将步骤S1制得的TiAl合金粉末进行筛分及粒径分析，得到20-150μm的TiAl合金粉末，以重量百分比计，所述的TiAl合金粉末包括20-50μm的TiAl合金粉末27%、50-100μm的TiAl合金粉末39%和100-150μm的TiAl合金粉末34%；（此粒径无需进行配比、筛分，经过制粉后期粒径分布基本在这个范围，不满足要求，成形不良。可见，本发明需要对TiAl合金粉末进行配比，筛分。）
S3.制得的TiAl合金粉末的流动性为24.7s/50g、振实密度为2.76g/cm³、光洁度为90%；
S4. 选择钢基材作为基板，步骤S3制得的TiAl合金粉末与基板一同送入电子束设备的加工平台上；步骤S4前将电子束设备抽至真空状态，待真空度小于1.0e-4Pa后充入氦气，使得充入氦气后的成形环境气压为1.0e-1Pa。
S5.对基板进行预热，将电子束的电流调整为8mA，加热15min后；将电子束的电流升高至15mA，加热15min；然后将电子束的电流降低至3.5mA，保温15min；然后电子束的电流升高至35mA，加热15min；最后将电子束的电流升高至48mA，加热15min，使得基板的温度为1185℃；
S6.开始电子束成形，将TiAl合金粉末铺展在基板上，TiAl合金粉末的铺设厚度为90μm，依次进行粉末预热-实体熔化-实体预热，完成单层成形；粉末预热为调整电子束的初始电流在20mA，分6级阶梯级数依次递增，使得终止电流达到48mA；粉末预热的电子束离焦量在0.2V，扫描时间为35s，扫描速度在15m/s；
S7.将加工平台下降90μm的高度，重复步骤S6，完成下一层成形。
对比例1的TiAl合金粉末成形至第8层时发生吹粉，成形中断，无法成形为TiAl合金。
对比例2
一种TiAl合金的电子束选区增材制造方法，包括以下步骤：
S1. 将TiAl合金棒材（Ti45Al8Nb）采用等离子旋转电极雾化法制得20-150μm的TiAl合金粉末；等离子旋转电极雾化法的等离子弧电流为1800A，电极转速为20000r/min，进给速率为1.0mm/s；TiAl合金粉末的球形度为0.94。
S2.将步骤S1制得的TiAl合金粉末选取合适比例粒径分布，得到为粒度范围分别在20-50μm、50-100μm、100-150μm的TiAl合金粉末；以重量百分比计，所述的TiAl合金粉末包括20-50μm的TiAl合金粉末12.5%、50-100μm的TiAl合金粉末75%和100-150μm的TiAl合金粉末12.5%；完成TiAl合金粉末的筛分；
S3.将筛分后的TiAl合金粉末采用球磨机混合均匀，完成TiAl合金粉末的制备；制得的TiAl合金粉末的流动性为28s/50g、振实密度为2.93g/cm³、光洁度为75%；
S4. 选择钢基材作为基板，步骤S3制得的TiAl合金粉末与基板一同送入电子束设备的加工平台上；步骤S4前将电子束设备抽至真空状态，待真空度小于1.0e-4Pa后充入氦气，使得充入氦气后的成形环境气压为1.0e-1Pa。
S5.对基板进行预热，将电子束的电流调整为8mA，加热15min后；将电子束的电流升高至15mA，加热15min；然后将电子束的电流降低至3.5mA，保温15min；然后电子束的电流升高至35mA，加热15min；最后将电子束的电流升高至48mA，加热15min，使得基板的温度为1172℃；
S6.开始电子束成形，将TiAl合金粉末铺展在基板上，TiAl合金粉末的铺设厚度为80μm，依次进行粉末预热-实体熔化-实体预热，完成单层成形；粉末预热为调整电子束的初始电流在25mA，分2级阶梯级数依次递增，使得终止电流达到50mA；粉末预热的电子束离焦量在0.2V，扫描时间为25s，扫描速度在15m/s；
S7.将加工平台下降90μm的高度，重复步骤S6，完成下一层成形。
对比例2的TiAl合金粉末成形至第3层时发生吹粉，成形中断，无法成形为TiAl合金。
综上所述，本发明的TiAl合金的电子束选区增材制造方法，提供电子束成形TiAl合金的最佳粉末性能参数范围，及适配预热工艺参数，进而解决其在电子束成形过程中的吹粉问题，提高TiAl合金电子束成形的稳定性。
在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详细描述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。
以上所述，为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。
Claims (5)
1.一种TiAl合金的电子束选区增材制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1. 将TiAl合金棒材采用等离子旋转电极雾化法制得20-150μm的TiAl合金粉末；
S2.将步骤S1制得的TiAl合金粉末选取合适比例粒径分布，得到为粒度范围分别在20-50μm、50-100μm、100-150μm的TiAl合金粉末；以重量百分比计，所述的TiAl合金粉末包括20-50μm的TiAl合金粉末12.5-25%、50-100μm的TiAl合金粉末50-75%和100-150μm的TiAl合金粉末12.5-25%；完成TiAl合金粉末的筛分；
S3.将筛分后的TiAl合金粉末混合均匀，完成TiAl合金粉末的制备；
S4.步骤S3制得的TiAl合金粉末与基板一同送入电子束设备的加工平台上；
S5.对基板进行预热，使得基板的温度在1000℃以上；
S6.开始电子束成形，将TiAl合金粉末铺展在基板上，依次进行粉末预热-实体熔化-实体预热，完成单层成形；
S7.将加工平台下降一个层厚高度，重复步骤S6，完成下一层成形；
S8.重复步骤S7，完成成形，即得TiAl合金；
所述的TiAl合金棒材的成分为Ti-(42-48)Al-(2-9)Nb-(0-3)(V/Cr/Mo)-(0.01-1)（C/B）；
步骤S1中，TiAl合金粉末的球形度为0.93-0.98；
步骤S5中，基板的预热为：将电子束的电流调整为8-10mA，加热15-20min后；将电子束的电流升高至15-20mA，加热15-20min；然后将电子束的电流降低至3.5-8mA，保温15-20min；然后电子束的电流升高至35-40mA，加热15-20min；最后将电子束的电流升高至45-48mA，加热15-20min；
步骤S6中，粉末预热为调整电子束的初始电流在20mA以下，分6-8级阶梯级数依次递增，使得终止电流达到40-48mA；
步骤S6中，粉末预热的电子束离焦量在0.2-0.4V，扫描时间为50-60s，扫描速度在12-15m/s。
2.如权利要求1所述的TiAl合金的电子束选区增材制造方法，其特征在于，步骤S3中，制备完成后的TiAl合金粉末的流动性为25-35s/50g、振实密度为2.8-3.0g/cm³。
3.如权利要求1所述的TiAl合金的电子束选区增材制造方法，其特征在于，步骤S4前还包括将电子束设备抽至真空状态，待真空度小于1.0e-4Pa后充入氦气，使得充入氦气后的成形环境气压为1.0e-1 -1.5e-1Pa。
4.如权利要求1所述的TiAl合金的电子束选区增材制造方法，其特征在于，步骤S6中，TiAl合金粉末的铺设厚度为80-90μm。
5.如权利要求1所述的TiAl合金的电子束选区增材制造方法，其特征在于，等离子旋转电极雾化法的等离子弧电流为1700-1900A，电极转速为18000-25000r/min，进给速率为0.8-1.2mm/s。
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