CN102941343B - 一种钛铝合金复杂零件的快速制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种钛铝合金复杂零件的快速制造方法，该方法为：一、用三维造型软件建立钛铝合金复杂零件的三维实体模型，然后用分层软件将模型分成薄层，得到STL格式文件，再将STL格式文件导入电子束快速成形机的快速成形软件中；二、将钛铝合金粉末装入电子束快速成形机的送粉箱中，以一定的铺粉厚度平铺于铺粉台上，输入扫描参数，在真空条件下对钛铝合金粉末进行逐层扫描烧结，烧结结束后得到钛铝合金复杂零件。本发明的方法材料的利用率高，多余的粉末可重复使用，节约成本，制造的钛铝合金复杂零件具有平均晶团尺寸为30μm～50μm的细小全片层组织，钛铝合金复杂零件的片层晶团界面处的片层结构之间相互交错。

Description

一种钛铝合金复杂零件的快速制造方法
技术领域
本发明属于钛铝合金复杂零件制备技术领域，具体涉及一种钛铝合金复杂零件的快速制造方法。
背景技术
高性能复杂钛铝合金零件在航空航天和汽车工业等领域具有广阔的应用前景。钛铝基合金具有金属间化合物的结构特点，硬度高、脆性大，很难采用机械加工方法制备复杂零件，而常规的铸造虽可成形复杂形状，但组织粗大、存在宏观偏析，导致其综合力学性能较差；锻造技术制备TiAl基合金在组织性能方面优于铸件，但在复杂零件成形方面与铸造工艺有一定距离。粉末冶金法可以消除铸造冶金方法所带来的缺陷，但目前还没有很好解决复杂件的致密化、变形控制问题，同时模具为一次性的，设计及制造费用高限制了该工艺的广泛应用。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种钛铝合金复杂零件的快速制造方法。该方法采用电子束快速成形技术，通过高能束流在程序控制下根据三维模型提供的信息进行逐层熔化烧结及快速循环热处理，层层堆积，制备组织小的钛铝合金复杂零件，该方法可通过建模灵活设计所需产品形状，制造过程不需要制作昂贵的模具，具有生产周期短，效率高的特点。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种钛铝合金复杂零件的快速制造方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一、用三维造型软件建立需要制造的钛铝合金复杂零件的三维实体模型，然后用分层软件将三维实体模型分成厚度为0.05mm～0.3mm的薄层，得到STL格式文件，再将得到的STL格式文件导入电子束快速成形机的快速成形软件中；
步骤二、将钛铝合金粉末装入步骤一中导入STL格式文件的电子束快速成形机的送粉箱中，以一定的铺粉厚度平铺于铺粉台上，输入扫描参数，在真空条件下根据输入的扫描参数和步骤一所导入的STL格式文件对钛铝合金粉末进行逐层扫描烧结，烧结结束后得到钛铝合金复杂零件；所述扫描烧结过程包括热量补偿过程和成形过程。
上述的一种钛铝合金复杂零件的快速制造方法，步骤二中所述铺粉厚度为0.05mm～0.3mm。
上述的一种钛铝合金复杂零件的快速制造方法，步骤二中所述真空条件的真空度为2×10-2Pa～5×10-2Pa。
上述的一种钛铝合金复杂零件的快速制造方法，步骤二中所述热量补偿过程中的扫描参数为：束流强度为20mA～40mA，电子束扫描速度为5000mm/s～7000mm/s，温度控制在800℃～1200℃。
上述的一种钛铝合金复杂零件的快速制造方法，步骤二中所述成形过程中的扫描参数为：束流电流为10mA～20mA，电子束扫描速度为80mm/s～120mm/s，成形域上表面温度为1250℃～1700℃。
上述的一种钛铝合金复杂零件的快速制造方法，所述成形过程的基础温度保持在钛铝合金α转变温度以下100℃～400℃，成形过程中新一层熔化成形时，部分已成形层被快速加热至钛铝合金α转变温度以上50℃～400℃并重新冷却至基础温度，通过逐层叠加，钛铝合金组织经过多次快速循环热处理，最终得到钛铝合金复杂零件。
上述的一种钛铝合金复杂零件的快速制造方法，步骤二中所述钛铝合金复杂零件具有平均晶团尺寸为30μm～50μm的细小全片层组织，钛铝合金复杂零件的片层晶团界面处的片层结构之间相互交错。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1、本发明采用电子束快速成形这一直接成形技术，通过高能束流在程序控制下根据三维模型提供的信息进行逐层熔化烧结及快速循环热处理，金属粉末在高能束的轰击下被烧结在一起，并与下面已成形的部分粘接，层层堆积，直至整个零件全部烧结完成品，是组织小的钛铝合金复杂零件较为理想的成形方式，该方法可通过建模灵活设计所需产品形状，制造过程不需要制作昂贵的模具，具有生产周期短，效率高的特点。
2、采用本发明的快速制造方法，材料的利用率高，多余的粉末可重复使用，节约成本。
3、本发明的成形过程具有加热和冷却速度较快的特点，使得熔化层对其附近层的已成形部分有快速循环热处理的作用，在此热处理条件下,热滞后较大,重结晶形核不仅可以在晶界发生，同时也可在相界发生,因此形核速率高,相变速度快；快速循环相变也可破坏钛铝组织遗传以及新旧相之间的位向关系，可以破坏已经形成的稳定的铸态粗大片层组织；同时，循环的热处理过程可有效释放成形过程中的热应力，防止样品变形。
4、采用本发明的方法制造的钛铝合金复杂零件具有平均晶团尺寸为30μm～50μm的细小全片层组织，钛铝合金复杂零件的片层晶团界面处的片层结构之间相互交错。
下面结合附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明实施例1的Ti-48Al-2Nb-2Cr合金叶片的结构示意图。
图2为本发明实施例1制造的Ti-48Al-2Nb-2Cr合金叶片的微观组织图。
图3为本发明实施例2制造的Ti-45Al-9Nb-0.3W合金的微观组织图。
图4为本发明实施例3制造的Ti-45Al-7Nb-0.3W合金的微观组织图。
具体实施方式
实施例1
Ti-48Al-2Nb-2Cr合金叶片的快速制造：
步骤一、利用CAD建立Ti-48Al-2Nb-2Cr合金叶片的三维实体模型（结构见图1），然后用分层软件将三维实体模型分成厚度为0.18mm的薄层，得到STL格式文件，再将得到的STL格式文件导入电子束快速成形机的快速成形软件中；
步骤二、将-100目旋转电极法制备的Ti-48Al-2Nb-2Cr合金粉末装入步骤一中导入STL格式文件的电子束快速成形机的送粉箱中，以0.18mm的铺粉厚度平铺于铺粉台上，输入扫描参数，成形腔抽真空至5×10-2Pa后开始逐层扫描烧结，烧结结束后得到具有平均晶团尺寸为50μm的细小全片层组织的Ti-48Al-2Nb-2Cr合金叶片，叶片的片层晶团界面处的片层结构之间相互交错；所述扫描烧结过程包括热量补偿过程和成形过程，其中热量补偿过程的扫描参数为：束流强度为30mA，电子束扫描速度为6000mm/s，温度控制在1000℃左右；成形过程的扫描参数为：束流电流为15mA，电子束扫描速度为100mm/s，成形域上表面温度为1250℃，成形过程的基础温度（某一层成形结束到下一层成形开始之前已成形部位的温度）保持在钛铝合金α转变温度以下250℃，成形过程中新一层熔化成形时，部分已成形层被快速加热至钛铝合金α转变温度以上100℃并重新冷却至基础温度，通过逐层叠加，钛铝合金组织经过多次快速循环热处理，最终得到钛铝合金复杂零件。
图2为本实施例制造的Ti-48Al-2Nb-2Cr合金叶片的微观组织图，从图中可以看出，电子束成形钛铝合金具有平均晶团尺寸为50μm的细小全片层组织，片层晶团界面处的片层结构之间相互交错。
实施例2
立方体形状的Ti-45Al-9Nb-0.3W合金的快速制造：
步骤一、利用CAD建立40cm×40cm×40cm立方体的三维实体模型，然后用分层软件将三维实体模型分成厚度为0.05mm的薄层，得到STL格式文件，再将得到的STL格式文件导入电子束快速成形机的快速成形软件中；
步骤二、将-200目气雾化法制备的Ti-45Al-9Nb-0.3W合金粉末装入步骤一中导入STL格式文件的电子束快速成形机的送粉箱中，以0.05mm的铺粉厚度平铺于铺粉台上，输入扫描参数，成形腔抽真空至4×10-2Pa后开始逐层扫描烧结，烧结结束后得到具有平均晶团尺寸为30μm的细小全片层组织的Ti-45Al-9Nb-0.3W合金零件，零件的片层晶团界面处的片层结构之间相互交错；所述扫描烧结过程包括热量补偿过程和成形过程，其中热量补偿过程的扫描参数为：束流强度为40mA，电子束扫描速度为7000mm/s，温度控制在1200℃左右；成形过程的扫描参数为：束流电流为10mA，电子束扫描速度为80mm/s，成形域上表面温度为1500℃，成形过程的基础温度（某一层成形结束到下一层成形开始之前已成形部位的温度）保持在钛铝合金α转变温度以下100℃，成形过程中新一层熔化成形时，部分已成形层被快速加热至钛铝合金α转变温度以上400℃并重新冷却至基础温度，通过逐层叠加，钛铝合金组织经过多次快速循环热处理，最终得到钛铝合金复杂零件。
图3为本实施例制造的Ti-45Al-9Nb-0.3W合金零件的微观组织图，从图中可以看出，电子束成形Ti-45Al-9Nb-0.3W钛铝合金具有平均晶团尺寸为30μm的细小全片层组织，钛铝合金复杂零件的片层晶团界面处的片层结构之间相互交错。
实施例3
立方体形状的Ti-45Al-7Nb-0.3W合金的快速制造：
步骤一、利用CAD建立40cm×40cm×40cm立方体的三维实体模型，然后用分层软件将三维实体模型分成厚度为0.3mm的薄层，得到STL格式文件，再将得到的STL格式文件导入电子束快速成形机的快速成形软件中；
步骤二、将-60目气雾化法制备的Ti-45Al-7Nb-0.3W合金粉末装入步骤一中导入STL格式文件的电子束快速成形机的送粉箱中，以0.3mm的铺粉厚度平铺于铺粉台上，输入扫描参数，成形腔抽真空至2×10-2Pa后开始逐层扫描烧结，烧结结束后得到具有平均晶团尺寸为40μm的细小全片层组织的Ti-45Al-7Nb-0.3W合金零件，零件的片层晶团界面处的片层结构之间相互交错；所述扫描烧结过程包括热量补偿过程和成形过程，其中热量补偿过程的扫描参数为：束流强度为20mA，电子束扫描速度为5000mm/s，温度控制在800℃左右；成形过程的扫描参数为：束流电流为20mA，电子束扫描速度为120mm/s，成形域上表面温度为1700℃，成形过程的基础温度（某一层成形结束到下一层成形开始之前已成形部位的温度）保持在钛铝合金α转变温度以下400℃，成形过程中新一层熔化成形时，部分已成形层被快速加热至钛铝合金α转变温度以上50℃并重新冷却至基础温度，通过逐层叠加，钛铝合金组织经过多次快速循环热处理，最终得到钛铝合金复杂零件。
图4为本实施例制造的Ti-45Al-7Nb-0.3W合金零件的微观组织图，从图中可以看出，电子束成形Ti-45Al-7Nb-0.3W钛铝合金具有平均晶团尺寸为40μm的细小全片层组织，钛铝合金复杂零件的片层晶团界面处的片层结构之间相互交错。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (5)

1.一种钛铝合金复杂零件的快速制造方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一、用三维造型软件建立需要制造的钛铝合金复杂零件的三维实体模型，然后用分层软件将三维实体模型分成厚度为0.05mm～0.3mm的薄层，得到STL格式文件，再将得到的STL格式文件导入电子束快速成形机的快速成形软件中；
步骤二、将钛铝合金粉末装入步骤一中导入STL格式文件的电子束快速成形机的送粉箱中，以一定的铺粉厚度平铺于铺粉台上，输入扫描参数，在真空条件下根据输入的扫描参数和步骤一所导入的STL格式文件对钛铝合金粉末进行逐层扫描烧结，烧结结束后得到钛铝合金复杂零件；所述扫描烧结过程包括热量补偿过程和成形过程；所述热量补偿过程中的扫描参数为：束流强度为20mA～40mA，电子束扫描速度为5000mm/s～7000mm/s，温度控制在800℃～1200℃；所述成形过程中的扫描参数为：束流电流为10mA～20mA，电子束扫描速度为80mm/s～120mm/s，成形域上表面温度为1250℃～1700℃。
2.根据权利要求1所述的一种钛铝合金复杂零件的快速制造方法，其特征在于，步骤二中所述铺粉厚度为0.05mm～0.3mm。
3.根据权利要求1所述的一种钛铝合金复杂零件的快速制造方法，其特征在于，步骤二中所述真空条件的真空度为2×10-2Pa～5×10-2Pa。
4.根据权利要求1所述的一种钛铝合金复杂零件的快速制造方法，其特征在于，步骤二中所述成形过程的基础温度保持在钛铝合金α转变温度以下100℃～400℃，成形过程中新一层熔化成形时，部分已成形层被快速加热至钛铝合金α转变温度以上50℃～400℃并重新冷却至基础温度，通过逐层叠加，钛铝合金组织经过多次快速循环热处理，最终得到钛铝合金复杂零件。
5.根据权利要求1所述的一种钛铝合金复杂零件的快速制造方法，其特征在于，步骤二中所述钛铝合金复杂零件具有平均晶团尺寸为30μm～50μm的细小全片层组织，钛铝合金复杂零件的片层晶团界面处的片层结构之间相互交错。
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