CN116652206A - 一种具有骨架增强结构的钛铝合金零件及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具有骨架增强结构的钛铝合金零件及其制备方法，以零件三维结构模型为依据，作为骨架结构设计空间，在零件内部设计出骨架结构，获得零件骨架模型；将零件结构模型和零件骨架模型嵌套在一起，使用切片软件实施分层切片，获得具有嵌套关系的打印数据。将打印数据导入3D打印机，分别设置打印工艺参数，启动打印，同时开启围绕成形平面的电磁感应线圈电流，创建一个包裹打印成形面的电磁场环境，完成后获得打印坯料；对打印坯料进行热处理和机加工，制得成品。骨架增强的钛铝合金零件抗拉强度和延伸率均比普通3D打印件的性能提升30％以上，该法适用于强度高、脆性大、难熔合金零件的高性能制造，具有效率高、性能优异的特点。

Description

一种具有骨架增强结构的钛铝合金零件及其制备方法
技术领域
本发明属于金属增材制造技术领域，具体涉及一种具有骨架增强结构的钛铝合金零件及其制备方法。
背景技术
TiAl金属间化合物在700-850℃范围内具有优异的高温蠕变和抗氧化性，且有高弹性模量和低密度的特点，被认为是镍基高温合金的理想替代者，是超高声速飞行器和先进航空发动机的首选材料，已经逐步应用于航空航天、汽车工业等领域，是轻量化高温合金材料的研究热点。但TiAl合金室温塑性差，传统方法如铸造、挤压、锻造和粉末冶金等方法制造力学性能优异、形状结构复杂的TiAl合金零件较为困难，且生产成本较高。目前，只有美国GE公司采用电子束3D打印技术制备出Ti48Al2Cr2Nb合金叶片替代了原高温合金叶片，力学性能完全满足发动机使用要求，实现了单台发动机减重约200kg，显著提高发动机推力和降低15％的燃油消耗，取得了显著成效，并实现了规模化制造和应用。随着C919等国产大飞机的逐步量产，国产长江系列商用航空发动机对TiAl合金低压涡轮叶片提出了迫切需求，急需在TiAl合金零件3D打印研制方面跟踪、创新、突破。
为了解决TiAl合金零件传统加工方法存在的诸多问题，引入增材制造技术，可以快速高效的实现TiAl合金零件的制备。增材制造俗称3D打印，是一种基于数字模型的先进制造技术，它通过将零件模型切片后“自下而上”熔化堆积材料的方式来制造零件，具有材料利用率高、加工效率高、能加工复杂程度高的零件等特点，且3D打印零件晶粒细小、组织均匀、力学性能优良，在制造梯度/难熔/难加工材料、薄壁/点阵/复杂结构零件时具有明显优势，目前3D打印技术已经在发动机关键零件制造领域得到越来越广泛的应用。TiAl合金材料因其本征脆性，不适合采用选区激光熔化成形方法进行制造，而电子束选区熔化技术(Electron beammelting,EBM)可实现加工仓内1000℃以上的高温预热处理，熔化烧结一层后进行实时退火，可有效抑制TiAl合金在打印过程中产生裂纹，且制备的TiAl合金零件晶粒细小，组织成分均匀，能有效解决传统铸造、锻造、机加工制备TiAl材料时存在的成分偏析、力学性能退化、成品率低等问题，具有生产流程短、生产效率高的优势。但普通3D打印方法制备的TiAl合金零件，其塑性仍然较低，在零件装配、检修等过程中容易造成损坏，因此急需对TiAl合金室温性能进行强化，以提高其塑性，才能够推动TiAl合金零件的应用。
发明内容
为了克服上述现有技术存在的缺陷，本发明针对传统铸造、锻造、机加工制备TiAl材料时存在的成分偏析、力学性能退化、成品率低，以及普通3D打印制备的TiAl合金材料塑性低等技术问题，通过在TiAl合金零件内部设计和制造骨架结构，骨架结构能起到很好的整体强化作用，增强TiAl合金材料的抗拉强度和延伸率，该方法非常适用于强度高、脆性大、难熔难加工TiAl合金零件的高性能制造，具有效率高、性能优异的显著特点。
为了实现上述发明目的，本发明提供了一种具有骨架增强结构的钛铝合金零件的制备方法，所述方法包括如下步骤：
以零件三维结构模型为依据，并作为骨架结构的设计空间，在零件内部设计出骨架结构，获得零件骨架模型；在零件结构模型上添加合适的加工余量；将所述零件结构模型和零件骨架模型嵌套在一起，使用切片软件实施分层切片，获得具有嵌套关系的打印数据。
将所述打印数据导入3D打印机后，针对零件结构的数据和骨架结构的数据分别设置打印工艺参数，启动打印，同时选择性开启围绕成形平面的电磁感应线圈电流，创建一个包裹打印成形面的电磁场环境，完成后获得TiAl合金零件的打印坯料；对所述打印坯料进行必要的热处理和机加工，获得具有骨架增强结构的TiAl合金零件。
上述技术方案中，进一步的，所述零件骨架模型采用三维设计软件实施骨架的结构设计，所设计的骨架结构为具有点阵、晶胞、拓扑优化结构中的一种，或其他结构形状。
进一步的，所述TiAl合金零件打印数据的特征包括：将所述零件结构模型和零件骨架模型同时导入数据处理软件，形成具有嵌套关系的零件结构和骨架结构，但这并不是将二者通过布尔运算合成一体，然后使用数据处理软件对嵌套模型实施分层切片，获得嵌套模型的打印数据。所述嵌套模型的切片层厚为0.03～0.3mm。
进一步的，所述TiAl合金零件3D打印工艺参数的特征包括：所使用的球形TiAl合金粉末粒径分布为：0.045～0.2mm，所使用的3D打印机为电子束选区熔融设备，主要工艺参数为：加工仓的真空度≤0.3Pa，设置切片厚度为0.03～0.3mm，对基板的扫描尺寸设置为边长80～210mm正方形平面，设置预热温度为1000～1350℃，设置预热循环次数为3～15次，设置电子束聚焦电流为10～48mA，扫描速度为(1000～6000)×103mm/s。启动打印，同时开启围绕成形平面的电磁感应线圈电流，创建一个包裹打印成形面的电磁场环境，完成后获得具有骨架增强结构的TiAl合金零件打印坯料。
进一步的，所述TiAl合金零件3D打印过程中的创建的电磁场环境特征包括：在电磁感应线圈中加载的电流电压参数为：电压为0～60kV，电流为0～103A，电流作用的时间为0～1s；电流停顿时间为0～1s，当电流停顿时间为0s时，电流为稳恒电流；停顿不为0s时，电流为脉冲电流。
进一步的，所述TiAl合金零件热处理的特征包括：先采用0～1次热等静压处理，工艺为：包套处理后，压力50～200MPa，温度950～1350℃，保温保压1～5h，传压介质为惰性气体。再采用1～15次普通热处理循环，工艺为：炉体真空度≤1×10-2Pa，升/降温速率5～25℃/min，保温温度800～1350℃，保温时间1～10h，降至室温，取出零件。
进一步的，所述TiAl合金零件机加工的特征包括：切削速度为500～1500r/min、进给量为300～1000mm/min、切宽为4～10mm、切深为0.1～0.6mm。所使用的刀具为带涂层专用钛合金铣削刀具，涂层材料为TiN。最终获得具有骨架增强结构的TiAl合金零件。
一种上述方法制得的具有骨架增强结构的钛铝合金零件。
所述钛铝合金零件材料的原子百分比为：铝40～54％，铌0～12％，X0～10％，Y0～4％，Z0～1％，Re0～0.5％；其中，X为Cr、V、Mn、Ta中的一种或多种元素，Y为W、Mo、Zr中的一种或多种元素，Z为C、B、Si、N中的一种或多种元素，Re为稀土元素，余量为Ti和不可避免的杂质，百分比为0表示不含该元素。
进一步的，所述钛铝合金零件材料的骨架与其余部分的材料牌号相同，所述骨架结构微观组织比其余部分的微观组织的氧含量低20～40％，晶粒尺寸减小20～30％。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
本发明通过在TiAl合金零件内部设计和制造了骨架结构，骨架与其余部分的材料牌号一致，但是骨架结构的微观组织比其余部分的微观组织具有更低的氧含量、更细的晶粒，这是由于在零件打印成形过程中，辅助电磁场环境可以活化打印件的成形面，有助于TiAl合金熔池获得电磁场辅助作用，促使熔池内液相流动以填充孔隙，形成致密结构，同时有利于破碎晶粒，降低各向异性，提升材料综合性能。骨架增强TiAl合金材料的抗拉强度和延伸率均比普通3D打印件获得30％以上的性能提升。因此在TiAl合金零件中，骨架结构能起到很好的整体强化作用。该方法非常适用于强度高、脆性大、难熔难加工TiAl合金零件的高性能制造，具有效率高、性能优异的显著特点。
附图说明
图1为本发明一种具有骨架增强结构的钛铝合金零件制备方法的流程图。
具体实施方式
以下结合具体实施例对本发明作进一步说明，但不以任何方式限制本发明。为免赘述，以下实施例中的原材料若无特别说明则均为市购；所用方法若无特别说明则均为常规方法。
一种具有骨架增强结构的钛铝合金零件的制备方法，包括以下步骤：
以零件三维结构模型为依据，并作为骨架结构的设计空间，在零件内部设计出骨架结构，获得零件骨架模型；在零件结构模型上添加合适的加工余量；将所述零件结构模型和零件骨架模型嵌套在一起，使用切片软件实施分层切片，获得具有嵌套关系的打印数据。
将所述打印数据导入3D打印机后，针对零件结构的数据和骨架结构的数据分别设置打印工艺参数，启动打印，同时选择性开启围绕成形平面的电磁感应线圈电流，创建一个包裹打印成形面的电磁场环境，完成后获得TiAl合金零件的打印坯料；对所述打印坯料进行必要的热处理和机加工，获得具有骨架增强结构的TiAl合金零件。
上述技术方案中，进一步的，所述TiAl合金零件骨架模型的设计特征包括：以零件的三维结构为依据，并作为骨架结构的设计空间，采用三维设计软件实施骨架的结构设计，所设计的骨架结构为具有点阵、晶胞、拓扑优化结构或其他结构形状，获得零件骨架模型。在TiAl合金零件的结构模型上添加合适的加工余量。
进一步的，所述TiAl合金零件打印数据的特征包括：将所述零件结构模型和零件骨架模型同时导入数据处理软件，形成具有嵌套关系的零件结构和骨架结构，但这并不是将二者通过布尔运算合成一体，然后使用数据处理软件对嵌套模型实施分层切片，获得嵌套模型的打印数据。所述嵌套模型的切片层厚为0.03～0.3mm。
进一步的，所述TiAl合金零件3D打印工艺参数的特征包括：所使用的球形TiAl合金粉末粒径分布为：0.045～0.2mm，所使用的3D打印机为电子束选区熔融设备，主要工艺参数为：加工仓的真空度≤0.3Pa，设置切片厚度为0.03～0.3mm，对基板的扫描尺寸设置为边长80～210mm正方形平面，设置预热温度为1000～1350℃，设置预热循环次数为3～15次，设置电子束聚焦电流为10～48mA，扫描速度为(1000～6000)×103mm/s。分别对零件结构和骨架结构设置打印工艺参数。启动打印，同时开启围绕成形平面的电磁感应线圈电流，创建一个包裹打印成形面的电磁场环境，完成后获得具有骨架增强结构的TiAl合金零件打印坯料。
进一步的，所述TiAl合金零件3D打印过程中的创建的电磁场环境特征包括：在电磁感应线圈中加载的电流电压参数为：电压为0～60kV，电流为0～103A，电流作用的时间为0～1s；电流停顿时间为0～1s，当电流停顿时间为0s时，电流为稳恒电流；停顿不为0s时，电流为脉冲电流。
进一步的，所述TiAl合金零件热处理的特征包括：先采用0～1次热等静压处理，工艺为：包套处理后，压力50～200MPa，温度950～1350℃，保温保压1～5h，传压介质为惰性气体。再采用1～15次普通热处理循环，工艺为：炉体真空度≤1×10-2Pa，升/降温速率5～25℃/min，保温温度800～1350℃，保温时间1～10h，降至室温，取出零件。
进一步的，所述TiAl合金零件机加工的特征包括：切削速度为500～1500r/min、进给量为300～1000mm/min、切宽为4～10mm、切深为0.1～0.6mm。所使用的刀具为带涂层专用钛合金铣削刀具，涂层材料为TiN。最终获得具有骨架增强结构的TiAl合金零件。
一种上述方法制得的具有骨架增强结构的钛铝合金零件。
所述钛铝合金零件材料的原子百分比为：铝40～54％，铌0～12％，X0～10％，Y0～4％，Z0～1％，Re0～0.5％；其中，X为Cr、V、Mn、Ta中的一种或多种元素，Y为W、Mo、Zr中的一种或多种元素，Z为C、B、Si、N中的一种或多种元素，Re为稀土元素，余量为Ti和不可避免的杂质，百分比为0表示不含该元素。
进一步的，所述钛铝合金零件材料的骨架与其余部分的材料牌号相同，所述骨架结构微观组织比其余部分的微观组织的氧含量低20～40％，晶粒尺寸减小20～30％。
实施例
优选的，下面通过具体实施例作进一步说明。一种具有骨架增强结构的钛铝合金零件及其制备方法，如图1所示，包括以下步骤：
首先，根据涡轮零件三维结构模型为依据，将其作为骨架结构的设计空间，采用UGNX12三维模型设计软件在涡轮零件内部设计出骨架结构，该骨架结构采用金刚石晶格点阵形式，小梁直径为1.5mm，小梁长度为3mm，在零件壁厚≥3mm的结构部位内部生成金刚石晶格点阵结构，获得零件骨架模型，导出.stl文件；在涡轮零件与其他零件装配的位置面上添加1.5mm的加工余量。
将零件模型和骨架模型(.stl文件)同时导入3D打印数据处理软件BuildAssembler3，形成具有嵌套关系的零件结构和骨架结构，但这并不是将二者通过布尔运算合成一体，然后使用该软件对嵌套模型实施分层切片，获得嵌套模型的打印数据(.abf文件)，模型的切片层厚为0.09mm。
将打印数据(.abf文件)导入电子束选区熔融3D打印机ArcamA2X，所使用的球形TiAl合金粉末的成分为Ti48Al2Cr2Nb0.5B，其粒径分布为0.050～0.150mm，平均粒度为0.095mm。开展3D打印，分别对零件结构和骨架结构设置打印工艺参数，其中，零件结构打印工艺参数为：加工仓的真空度≤0.3Pa，设置切片厚度为0.09mm，对基板的扫描尺寸设置为边长170mm正方形平面，设置预热温度为1020℃，设置预热循环次数为5次，设置电子束聚焦电流为40mA，扫描速度为5000×103mm/s；骨架结构打印工艺参数为：加工仓的真空度≤0.3Pa，设置切片厚度为0.09mm，对基板的扫描尺寸设置为边长170mm正方形平面，设置预热温度为1020℃，设置预热循环次数为5次，设置电子束聚焦电流为46mA，扫描速度为5000×103mm/s。启动打印，同时开启围绕成形平面的电磁感应线圈电流，创建一个包裹打印成形面的电磁场环境，电磁感应线圈中加载的电流电压参数为：电压为380V，电流为100A，电流作用的时间为0.25s，电流停顿时间为0.1s，电流为脉冲电流。打印完成后获得具有骨架增强结构的TiAl合金涡轮打印坯料。
对3D打印TiAl合金涡轮零件坯料进行必要的热处理和机加工，其中热处理的工艺为：无热等静压处理，采用5次普通热处理循环，具体工艺为：炉体真空度≤1×10-2Pa，升/降温速率15℃/min，保温温度1250℃，保温时间2h，降至室温，取出零件；机加工采用的关键工艺参数为：切削速度为700mm/min、进给量为500mm/min、切宽为7mm、切深为0.2mm。所使用的刀具为带涂层专用钛合金铣削刀具，涂层材料为TiN。热处理与机加工的顺序可根据实际需求调换先后顺序，最终获得具有骨架增强结构的TiAl合金涡轮零件。
采用与TiAl涡轮零件相同骨架增强结构设计和3D打印工艺参数，打印出具有骨架增强结构的力学拉伸试样(R7)，并开展了室温拉伸试验和微观组织SEM检测。结果显示，具有骨架增强结构的试样拉伸强度为(1080±20)MPa，延伸率为(1.1±0.1)％，与不含骨架增强结构的试样相比(824MPa和0.73％)，指标均提升了30％以上。SEM结果显示，骨架部位的晶粒尺寸为120μm，比其余部位晶粒尺寸(165μm)减小25％以上。同时，能谱分析发现骨架部位的氧含量为620ppm，比其余部位氧含量(894ppm)低35％以上。因此本发明制备的钛铝合金零件在零件内部建立起骨架增强结构，可大大提升零件的力学性能，有利于促进TiAl合金零件的推广应用。
对于任何熟悉本领域的技术人员而言，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案作出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (10)

1.一种具有骨架增强结构的钛铝合金零件的制备方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
以零件三维结构模型为依据，并作为骨架结构的设计空间，在零件内部设计出骨架结构，获得零件骨架模型；在零件结构模型上添加加工余量；将所述零件结构模型和零件骨架模型嵌套在一起，使用切片软件实施分层切片，获得具有嵌套关系的打印数据；
将所述打印数据导入3D打印机后，针对零件结构的数据和骨架结构的数据分别设置打印工艺参数，启动打印，同时选择性开启围绕成形平面的电磁感应线圈电流，创建一个包裹打印成形面的电磁场环境，完成后获得TiAl合金零件的打印坯料；对所述打印坯料进行热处理和机加工，获得具有骨架增强结构的TiAl合金零件。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述零件骨架模型采用三维设计软件实施骨架的结构设计，所设计的骨架结构为具有点阵、晶胞或拓扑优化结构。
3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述TiAl合金零件打印数据的特征包括：将所述零件结构模型和零件骨架模型同时导入数据处理软件，形成具有嵌套关系的零件结构和骨架结构，然后使用数据处理软件对嵌套模型实施分层切片，获得嵌套模型的打印数据；所述嵌套模型的切片层厚为0.03～0.3mm。
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于：所述TiAl合金零件3D打印工艺参数的特征包括：所使用的球形TiAl合金粉末粒径分布为：0.045～0.2mm，所使用的3D打印机为电子束选区熔融设备，主要工艺参数为：加工仓的真空度≤0.3Pa，设置切片厚度为0.03～0.3mm，对基板的扫描尺寸设置为边长80～210mm正方形平面，设置预热温度为1000～1350℃，设置预热循环次数为3～15次，设置电子束聚焦电流为10～48mA，扫描速度为(1000～6000)×103mm/s。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于：所述TiAl合金零件3D打印过程中的创建的电磁场环境特征包括：在电磁感应线圈中加载的电流电压参数为：电压为0～60kV，电流为0～103A，电流作用的时间为0～1s，电流停顿时间为0～1s；当电流停顿时间为0s时，电流为稳恒电流，停顿不为0s时，电流为脉冲电流。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于：所述TiAl合金零件热处理的特征包括：先采用0～1次热等静压处理，工艺为：包套处理后，压力50～200MPa，温度950～1350℃，保温保压1～5h，传压介质为惰性气体；再采用1～15次普通热处理循环，工艺为：炉体真空度≤1×10-2Pa，升/降温速率5～25℃/min，保温温度800～1350℃，保温时间1～10h，降至室温，取出零件。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于：所述TiAl合金零件机加工的特征包括：切削速度为500～1500r/min、进给量为300～1000mm/min、切宽为4～10mm、切深为0.1～0.6mm；所使用的刀具为带涂层专用钛合金铣削刀具，涂层材料为TiN；最终获得具有骨架增强结构的TiAl合金零件。
8.一种如权利要求1-7任一方法制得的具有骨架增强结构的钛铝合金零件。
9.根据权利要求8所述的具有骨架增强结构的钛铝合金零件，其特征在于：所述钛铝合金零件材料的原子百分比为：铝40～54％，铌0～12％，X0～10％，Y0～4％，Z0～1％，Re0～0.5％；其中，X为Cr、V、Mn、Ta中的一种或多种元素，Y为W、Mo、Zr中的一种或多种元素，Z为C、B、Si、N中的一种或多种元素，Re为稀土元素，余量为Ti和不可避免的杂质。
10.根据权利要求9所述的具有骨架增强结构的钛铝合金零件，其特征在于：所述钛铝合金零件材料的骨架与其余部分的材料牌号相同，所述骨架结构微观组织比其余部分的微观组织的氧含量低20～40％，晶粒尺寸减小20～30％。
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