CN116618798A - 通过获得球化α相加强钛合金增材件各向同性的方法 - Google Patents
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Abstract
一种通过获得球化α相加强钛合金增材件各向同性的方法，实现该方法的设备系统包括：焊接机器人、TIG电弧焊机、送丝系统、TC4钛合金焊丝、保护气托盒、液态氩发生装置、钛合金基板、用于固定钛合金基板的焊接工装平台、固定于钛合金基板的第一热电偶、用于测量TC4钛合金沉积后表面温度的第二热电偶，所述液态氩发生装置产生液态氩，液态氩通过保护气托盒喷洒向TC4钛合金沉积层表面，液态氩用于加快TC4钛合金沉积层的冷却速度、同时防止其氧化；本发明获得了球化α相，该球化α晶界较为均匀，不同于柱状晶具有强烈的各向异性，其断后延伸率在不同方向的差异大大减小，由10%降低到8.4%。
Description
技术领域
本发明属于金属增材制造技术领域，具体涉及一种通过获得球化α相加强增材制造TC4钛合金构件各向同性的方法。
背景技术
钛合金在航空领域中具有举足轻重的地位，主要体现在以下几个方面：一是高强度和轻量化特性；二是耐腐蚀性强；三是良好的高温性能。这些特性使得钛合金在制造高温发动机和喷气发动机等部件时，成为一种理想的材料选择。尽管钛合金在航天航空领域有着不可替代的优势，但高昂的原材料与加工成本让钛合金大型构件成为了航空航天开发的绊脚石。因此，电弧增材凭借其高沉积率（约为激光的5-10倍）、高材料利用率（近100%）以及装备和材料制造成本低等优势，受到了国内外广泛学者的青睐。
增材制造工艺不同于传统铸造或者锻造加工方法，增材制造通过层层叠加与热累积使得钛合金在不同方向上呈现出较大的机械性能差异，即该材料具有较大的各项异性。如何控制工艺参数弱化材料的各向异性，一直以来都是钛合金增材制造技术领域的一个世界级难题。
现有技术1：一种通过获得α/β界面相提高增材制造TC4钛合金构件塑性的方法，专利号CN202111035211.5，该方法为：控制电弧增材环境和工艺参数，使用TC4钛合金焊丝，采用TIG电弧焊机和焊接机器人，在真空充氩舱室内电弧增材获得钛合金构件：电弧增材钛合金构件中控制真空充氩舱氧气含量400-500ppm，调节焊接工艺参数以获得稳定的焊接热输入，每层垂直交叉增材。该技术通过控制增材环境氧含量以及热输入，调控固溶在钛合金中的氧含量，降低形成的α相与β相的界面能以促进形成α/β界面相，在不降低TC4钛合金构件强度的前提下，具有α/β界面相结构的TC4钛合金断后延伸率是没有α/β界面相结构的1.7～1.8倍，获得的α/β界面相结构显著提高了电弧增材TC4钛合金构件的塑性。
现有技术2：一种提高激光熔融沉积双相钛合金强塑性的热处理方法，专利号；CN202211355260.1，该方法适用于激光铺粉增材领域，将激光熔融沉积双相钛合金的沉积态组织进行高温固溶+高温时效+去应力退火的三级热处理工艺，该热处理方法与传统热处理方法相比不以牺牲强度为代价提升塑性，而是强塑性同时提高。热处理后的微观组织为由不连续的晶界α相、初生α相和弥散分布的次生α相组成，且次生α相取向具有多样性。不连续的晶界α相和弥散分布的次生α相导致了强度和延伸率同时提高，进一步提升了增材制造钛合金构件在航空航天领域的高性能需求。通过对激光熔融沉积钛合金进行热处理提高强塑性，可以扩大零件的使用范围，并且可以替代目前的锻造钛合金零件。
现有技术3：一种三态组织钛合金构件的激光增材制造方法，专利号：CN202211459471.X，该方法适用于激光铺粉增材领域，通过调控凝固过程获得位错密度大于1019m2、体积分数100％、宽度0.42～0.64μm的超细小薄片组织；在此沉积态组织基础上，精确匹配双重热处理，获得宽度不大于2.82μm的长条初生α相(αP)、直径不大于10μm的细小球化α相(αG)和体积分数40～50％的二次α相(αS)，可实现大型激光增材制造钛合金构件便捷高效低成本制造。在获得性能优异的特种三态组织制备的同时，不降低增材制造效率且对于复杂构件适应性强，适于批量化工业生产。
现有技术存在以下几个技术问题。
（1）现有技术2-3适用于激光铺粉增材领域，其与电弧金属丝材增材具有较大的差异性，粉末成形质量一般高于丝材成型质量，因此在丝材增材领域中要克服成形结构件各项异性的困难较大。
（2）现有技术1适用于电弧金属丝材增材领域，但其主要通过获得α/β界面相提高增材制造TC4钛合金构件塑性，其是在真空充氩舱环境下通过控制氧气含量和焊接工艺参数来获得α/β界面相。其不适用于大气环境下的金属丝材电弧增材制造，且该方法下获得的α相为细长针状，而非球形α相。同时，该方法中热输入较低，热能利用率较低。
发明内容
针对上述技术问题，本发明提出了一种通过获得球化α相加强增材制造TC4钛合金构件各向同性的方法。本发明利用超低温液态氩气作为保护气体，对沉积钛合金表面进行急速冷却，作用于金属表面的温度约为-100摄氏度，经过反复的热循环以及超高速冷却后达到球化α相的一种效果，该效果可以明显的降低材料的各向异性。同时，本发明具有较高的热输入，本发明采用的金属丝材横截面为弧形结构，可以极大提高热输入的利用效率。
一种通过获得球化α相加强钛合金增材件各向同性的方法，实现该方法的设备系统包括：焊接机器人、TIG电弧焊机、送丝系统、TC4钛合金焊丝、保护气托盒、液态氩发生装置、钛合金基板、用于固定钛合金基板的焊接工装平台、固定于钛合金基板的第一热电偶、用于测量TC4钛合金沉积后表面温度的第二热电偶，所述液态氩发生装置产生液态氩，液态氩通过保护气托盒喷洒向TC4钛合金沉积层表面，液态氩用于加快TC4钛合金沉积层的冷却速度、同时防止其氧化；
所述通过获得球化α相加强TC4钛合金增材件各向同性的方法，包括以下几个步骤：
步骤一：采用氧元素含量小于0.1%的TC4钛合金焊丝作为电弧增材的原材料；
步骤二：将钛合金基板固定在焊接工装平台上，安装调试所述设备系统；
步骤三：测试液态氩，确保其作用于钛合金基板的表面温度为-80℃或以下；
步骤四：使用焊接机器人，通过TIG电弧焊机将TC4钛合金焊丝熔化在钛合金基板上进行增材制造，采用的工艺参数为：电流180-350A，电压15-25V，送丝速度为1000-1900mm/min， 焊接移动速度为3-10mm/s，层间控温在80℃或以下；
打印过程中，液态氩发生装置将液态氩通过保护气托盒喷洒在TC4钛合金沉积层表面，在该层打印完成后，第二热电偶测得TC4钛合金沉积层表面温度下降到80℃后，焊接机器人进行下一层打印，在连续的急速冷却与循环反复加热的过程中，TC4钛合金沉积层获得球化α相，TC4钛合金沉积层表面温度由1000℃降到600℃过程中的冷却速度为500℃/s。该冷却速度是自然冷却或风扇冷却速度的10倍。
进一步的，所述TC4钛合金焊丝横截面为弧形结构。
进一步的，所述TC4钛合金焊丝氧元素含量为0.04%、0.06%、0.08%。
进一步的，增材工艺参数控制热输入在8600-11000 J/mm范围内。
进一步的，所述液态氩纯度为99.99%。
进一步的，所述焊接机器人为六轴机器人。
进一步的，打印过程中，每层起灭弧点一致或垂直交叉。
现有技术中，普通α的产生过程与本发明球化α的产生过程主要区别点在步骤四，普通α的产生过程“无液态氩急速冷却”，“无反复高热输入”，普通α的产生过程采用自然冷却，即空冷，或者采用风扇冷却，且无反复急速冷却又反复高热输入进行循环加热的过程，因此只能产生普通α。而本发明通过液态氩反复急速冷却并进行高热输入反复循环加热，普通α断裂生长，因此得到了球化α。自然冷却或风扇冷却状况下，TC4钛合金构件的降温速度是50℃/s,本发明通过液态氩直接作用于TC4钛合金构件表面，降温速度可达500℃/s，在将TC4钛合金构件表面温度由1000℃降到600℃的过程中实现球化α。
本发明的有益技术效果包括以下几方面。
（1）适用于大气环境下金属丝材电弧增材制造。
（2）具有较高的热输入，热输入利用率高、沉积效率高。
（3）采用横截面为弧形的金属丝材，提高热输入的利用率，进一步提高沉积效率。
（4）获得了球化α相，该球化α晶界较为均匀，不同于柱状晶具有强烈的各向异性，其断后延伸率在不同方向的差异大大减小，无球化α的断后延伸率为10%，有球化α相的断后延伸率为8.4%。
附图说明
图1为本发明TC4钛合金构件的体视镜柱状β晶粒图。
图2为本发明TC4钛合金构件的扫描电镜SEM下球化α图的1500倍放大示意图。
图3为本发明TC4钛合金构件的扫描电镜SEM下球化α图的10000倍放大示意图。
图4为本发明TC4钛合金构件的透射电镜TEM下球化α形貌图。
图5为TC4钛合金构件的电子背散射EBSD下的普通α与本发明冷处理后的球化α对比图，其中左图为普通α，右图为本发明冷处理后的球化α。
图6为TC4钛合金构件的电子背散射EBSD下的本发明冷处理后的球化α应力应变曲线图。
图7为TC4钛合金构件的电子背散射EBSD下的普通α应力应变曲线图。
具体实施方式
下面将结合实施例及附图，对本发明技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他是实施例，都属于本发明的保护范围。
本发明的实施参考图1-7。本发明是在通过加快沉积金属的冷却速度，利用了液态氩替代了传统的常温氩气，结合适当的工艺参数，球化了TC4钛合金中的α形貌，显著的弱化了TC4钛合金构件的各向异性，提供了一种解决增材过程中TC4钛合金的各向异性方法。同时，采用较高热输入、横截面为弧形的金属丝材，提高热输入利用率，进一步提高了沉积效率。
实现本发明方法的系统设备包括：焊接机器人、TIG电弧焊机、送丝系统、TC4钛合金焊丝、保护气托盒、液态氩发生装置、钛合金基板、用于固定钛合金基板的焊接工装平台、固定于钛合金基板的第一热电偶、用于测量TC4钛合金沉积后表面温度的第二热电偶。液态氩发生装置产生液态氩，用于加快TC4钛合金沉积层的冷却速度、同时防止其氧化。
通过获得球化α相加强TC4钛合金增材件各向同性的方法，包括以下几个步骤：
步骤一：采用氧元素含量小于0.1%、横截面为弧形的TC4钛合金的焊丝作为电弧增材的原材料，如氧元素含量为0.04%、0.06%、0.08%的TC4钛合金。本实施例中采用的是0.06%的TC4钛合金。
步骤二：将钛合金基板固定在焊接工装平台上；安装调试好增材设备，增材设备包括焊接机器人、TIG电弧焊机、送丝系统、保护气托盒、第一热电偶、第二热电偶；安装保护气托盒，液态氩及其发生装置，液态氩及其发生装置产生液态氩，通过保护气托盒喷洒向TC4钛合金沉积层表面；
步骤三：测试液态氩是否能以液态形式喷洒在沉积物表面，以保证其温度效果并对其作用于钛合金基板的表面温度进行测量；本实施例中液态氩作用于钛合金基板的表面温度为-100℃，使TC4钛合金沉积层表面温度降至80℃度；
步骤四：使用焊接机器人，通过TIG电弧焊机将TC4钛合金焊丝熔化在钛合金基板上进行增材制造，采用的工艺参数为：电流260A，电压20V，送丝速度为1250mm/min，焊接移动速度为5mm/s，层间控温在80℃，每层起灭弧点一致；打印过程中，液态氩喷洒在TC4钛合金沉积层表面，保证TC4钛合金沉积层快速冷却的同时避免其被空气氧化。在该层打印完成后，第二热电偶测得TC4钛合金沉积层表面温度下降到80℃后，焊接机器人进行下一层打印。在连续的急速冷却与循环反复加热的过程中，TC4钛合金沉积层获得球化α相。
步骤四中，增材工艺参数控制热输入在8600-11000 J/mm范围内。本实施例中，热输入为10400J，液态氩纯度为99.99%，焊缝宽度10mm。
球化α获得的原理：液态氩喷洒在钛合金TC4钛合金沉积层的表面，起到防止氧化与急速降温的效果，使得细长针状α出现断裂，经过后面打印过程中多次沉积的热循环，断裂的α逐渐长大，形成了球状α。急速冷却的α具有极高的位错密度，在高位错密度与热冲击的双重作用下，α原有晶界被撕裂，后续的热循环为撕裂后的晶粒粗大提供了一定的生长时间与能量。
如图1所示是使用本方法后TC4钛合金构件的体视镜柱状β晶粒图，在不改变β晶粒状的情况下，如图2-7所示，对使用本方法电弧增材后的TC4钛合金构件进行了微观组织的表征以及拉伸性能的测试。如图2-4所示，形成了清晰的球状α。如图5所示，本方法缩短了α的长宽比，将普通α（其形状为细长针状，长宽比约大于10）球化成了球化α，球化α具有较小的长宽比，其长宽比约等于1.5。这种球化α，晶界较为均匀，不同于柱状晶具有强烈的各向异性，其断后延伸率在不同方向的差异大大减小，从10%缩短为了8.4%，如图6和7所示。
对本领域技术人员而言，上述实施例是示范性的、非限制性的，本发明的保护范围不因上述实施例而限定，同时不应将权利要求书中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求的保护范围。
Claims (7)
1.通过获得球化α相加强钛合金增材件各向同性的方法，其特征在于：实现该方法的设备系统包括：焊接机器人、TIG电弧焊机、送丝系统、TC4钛合金焊丝、保护气托盒、液态氩发生装置、钛合金基板、用于固定钛合金基板的焊接工装平台、固定于钛合金基板的第一热电偶、用于测量TC4钛合金沉积后表面温度的第二热电偶，所述液态氩发生装置产生液态氩，液态氩通过保护气托盒喷洒向TC4钛合金沉积层表面，液态氩用于加快TC4钛合金沉积层的冷却速度、同时防止其氧化；
通过获得球化α相加强TC4钛合金增材件各向同性的方法，包括以下几个步骤：
步骤一：采用氧元素含量小于0.1%的TC4钛合金焊丝作为电弧增材的原材料；
步骤二：将钛合金基板固定在焊接工装平台上，安装调试所述设备系统；
步骤三：测试液态氩，确保其作用于钛合金基板的表面温度为-80℃以下；
步骤四：使用焊接机器人，通过TIG电弧焊机将TC4钛合金焊丝熔化在钛合金基板上进行增材制造，采用的工艺参数为：电流180-350A，电压15-25V，送丝速度为1000-1900mm/min，焊接移动速度为3-10mm/s，层间控温在80℃以下；
打印过程中，液态氩发生装置将液态氩通过保护气托盒喷洒在TC4钛合金沉积层表面，在该层打印完成后，第二热电偶测得TC4钛合金沉积层表面温度下降到80℃后，焊接机器人进行下一层打印，在连续的冷却与循环反复加热的过程中，TC4钛合金沉积层获得球化α相，TC4钛合金沉积层表面温度由1000℃降到600℃过程中的冷却速度为500℃/s。
2.根据权利要求1所述的通过获得球化α相加强钛合金增材件各向同性的方法，其特征在于：所述TC4钛合金焊丝横截面为弧形结构。
3.根据权利要求1所述的通过获得球化α相加强钛合金增材件各向同性的方法，其特征在于：所述TC4钛合金焊丝氧元素含量为0.04%、0.06%或0.08%。
4.根据权利要求1所述的通过获得球化α相加强钛合金增材件各向同性的方法，其特征在于：增材工艺参数控制热输入在8600-11000 J/mm范围内。
5.根据权利要求1所述的通过获得球化α相加强钛合金增材件各向同性的方法，其特征在于：所述液态氩纯度为99.99%。
6.根据权利要求1所述的通过获得球化α相加强钛合金增材件各向同性的方法，其特征在于：所述焊接机器人为六轴机器人。
7.根据权利要求1所述的通过获得球化α相加强钛合金增材件各向同性的方法，其特征在于：打印过程中，每层起灭弧点一致或垂直交叉。
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