CN107737932B - 一种钛或钛合金选区强化的一体化激光增材制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种钛或钛合金选区强化的一体化激光增材制造方法，能够在增材制造过程中实现选区氮化与工件成形同步完成，可在不改变原增材制造工艺参数的情况下，获得与基体结合致密的无裂纹缺陷的氮化钛梯度强化层。所述方法为：在惰性气氛加工室中，采用逐层沉积的方法进行钛或钛合金零件的激光增材制造；当沉积到非强化区域时，采用惰性气体作为载粉气体和激光镜头保护气；当沉积到强化区域时，在不改变各项工艺参数的情况下，通过采用含有30％～100％氮气的惰性气体作为载粉气体和激光镜头保护气，改变熔池处的气体氛围，使熔池处的气体氛围中含有30％～100％氮气，使强化区域沉积完成后得到氮化钛强化层。

Description

一种钛或钛合金选区强化的一体化激光增材制造方法
技术领域
本发明属于钛合金先进制造领域，涉及钛及钛合金表面改性方法，具体为一种钛或钛合金选区强化的一体化激光增材制造方法。
背景技术
钛及钛合金由于密度小、比强度高和耐蚀性好等特性，被广泛应用于航空、航天、化工和医疗等领域。但是由于钛合金熔点高、熔融态活性高、变形抗力大，一般需要采用真空冶炼的方法生产铸锭，而且后续的塑形成形加工也比较困难。而增材制造技术作为一种新的零件制造技术，利用逐层堆积的方式就可以获得近净成形的零件，较好的解决了传统方法加工制造钛合金零件困难的问题。但是钛及钛合金的耐磨性低，在具有摩擦磨损的应用场合受到了严重限制，而对钛及钛合金进行表面改性是一种很具有实用价值的方法，因此提高钛及钛合金零件的表面抗摩擦磨损性能成为了当前国内外的研究热点。
传统的表面改性方法，如等离子氮化，热喷涂等工艺，存在涂层薄、涂层与基体结合力弱等问题。而激光改性工艺由于可控性强、强化层与基体结合良好、工作效率高等原因获得广泛关注。目前国内外存在的钛及钛合金激光表面改性方法主要有激光熔覆、激光合金化、和激光熔凝。三种激光表面改性方法虽然各有优势，但是裂纹倾向性比较高，对于裂纹的控制通常需要采用多种复杂的工艺措施，强化成本较高，而且通常情况下，零件的成形与表面强化是分步完成的，时间成本也较高。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种钛或钛合金选区强化的一体化激光增材制造方法，能够在增材制造过程中实现选区氮化与工件成形同步完成，无需各种表面处理措施，可在不改变原增材制造工艺参数的情况下，获得与基体结合致密的无裂纹缺陷的氮化钛梯度强化层，使增材制造钛及钛合金零件表面获得高硬度及高耐磨性。
本发明是通过以下技术方案来实现：
一种钛或钛合金选区强化的一体化激光增材制造方法，在惰性气氛加工室中，采用逐层沉积的方法进行钛或钛合金零件的激光增材制造；
当沉积到非强化区域时，采用惰性气体作为载粉气体和激光镜头保护气；
当沉积到强化区域时，在不改变各项工艺参数的情况下，通过采用含有30％～100％氮气的惰性气体作为载粉气体和激光镜头保护气，改变熔池处的气体氛围，使熔池处的气体氛围中含有30％～100％氮气，使强化区域沉积完成后得到氮化钛强化层。
优选的，完成钛或钛合金的增材制造，制备出强化区域存在氮化钛强化层的钛或钛合金后，零件在惰性气氛加工室中自然冷却至100℃以下后将其取出自然冷却至室温。
优选的，当沉积到强化区域时，通过控制熔池处氮气的含量逐级增加，获得强度逐级增强的具有梯度过渡特征的强化层。
优选的，所述的激光增材制造采用送粉式或送丝式激光增材制造方法，其中粉末或丝材与载粉气体和激光镜头保护气同步送进。
优选的，所述的惰性气氛加工室中的气氛和惰性气体均采用氩气。
优选的，氮化钛强化层硬度较未强化前提高2～5倍。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明所述的方法，在沉积时直接通过载粉气体和激光镜头保护气改变熔池处的气体氛围，从而在增材制造过程中直接进行强化，将增材制造与表面强化结合，实现增材制造与表面强化的一体化成形制造，载粉气体和激光镜头保护气只改变为包含30％～100％氮气的惰性气体，其工艺简单，能够使得强化层与基体为致密的冶金结合；能够容易的控制强化层厚度，获得大于或等于增材制造中单层厚度的任意厚度强化层；获得的强化层无裂纹，气孔等缺陷，强化层中氮化钛枝晶组织细小，力学性能好，硬度高；无需对待强化件进行各种表面处理和预热处理；无需各种辅助表面改性的化合物，强化成本低。
进一步的，通过对送粉气体中含氮量的控制，并且将包含氮气的载粉气体和激光镜头保护气与粉末或丝材同步送进，能够实现从待强化基体到强化表面的组织和硬度的梯度连续变化。
附图说明
图1是本发明中采用以YAG固体脉冲激光器为高能束流的增材制造设备，所制备的经氮化钛表面强化的T形零件结构示意图。
图2是本发明中采用以YAG固体脉冲激光器为高能束流的可改变熔池处气体氛围的增材制造设备结构示意图。
图3a和图3b分别是本发明中采用以YAG固体脉冲激光器为高能束流的增材制造设备，所制备的零件平行于激光扫描方向上的强化层与基体结合区200μm下的光学显微组织图和20μm下的扫描电镜组织图。
图4a和图4b分别是本发明中采用以YAG固体脉冲激光器为高能束流的增材制造设备，所制备的零件垂直于激光扫描方向上的强化层与基体结合区200μm下的光学显微组织图和20μm下的扫描电镜组织图。
图5a和图5b分别是本发明中采用以YAG固体脉冲激光器为高能束流的增材制造设备，所制备的零件强化层50μm和20μm下的显微组织图和扫描电镜组织图。
图6是本发明中采用以YAG固体脉冲激光器为高能束流的增材制造设备，所制备的零件横截面上从基体到强化区不同位置点的各元素能谱分析结果。
图7是本发明中采用以YAG固体脉冲激光器为高能束流的增材制造设备，所制备的零件平行于激光扫描方向上从强化区到基体的显微硬度变化图。
图8是本发明中采用以YAG固体脉冲激光器为高能束流的增材制造设备，所制备的零件垂直于激光扫描方向上从强化区到基体的显微硬度变化图。
图中，氮化钛强化层1，基体2，惰性气氛加工室3，激光束4，气氛保护进气管5，氮气进气管6，惰性气体进气管7，粉末流8。
具体实施方式
下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
本发明一种钛或钛合金选区强化的一体化激光增材制造方法，包括如下步骤，
步骤一，将增材制造所需基板固定在加工室的工作台上。
步骤二，在加工室中进行钛或钛合金增材制造，在增材制造过程中，通过改变载粉气体和激光镜头保护气，使熔池处的气体氛围为惰性气体进行非强化区域沉积或含有30％～100％氮气的惰性气体进行强化区域沉积。具体的，采用逐层沉积的方法，当沉积到需要强化的区域时，在不改变各项工艺参数的情况下，通过改变载粉气体和激光镜头保护气，改变熔池处的气体氛围，使熔池处的惰性气体氛围中含有30％～100％氮气。当待强化区域沉积完成后，再通过改变载粉气体和激光镜头保护气将熔池处的气体氛围更换为常规的惰性气体。
步骤三，制备出待强化位置存在氮化钛强化层的钛或钛合金，并在加工室中自然冷却至100℃以下后将其取出。
其中，采用的激光增材制造方法为送粉或送丝式激光增材制造方法。
惰性气体优选的采用氩气，也就是在沉积到待强化位置以前，载粉气体为氩气，当沉积到需要强化的位置时，改变载粉气体和激光镜头保护气使其含有30％～100％的氮气。
步骤二中，在增材制造过程中，加工室内的保护氛围为氩气。采用氩气置换或循环净化的方式降低加工室中氧和氢的含量，直至加工室中氧气含量在100ppm以下后开始钛或钛合金的增材制造。钛或钛合金待强化的表层可以是一层，也可以是多层。待强化的区域位置可以是表面，也可以是零件内部任意位置。当待强化层为多层时，可通过使熔池处气体氛围中的氮气含量逐级增加来获得具有梯度过渡特征的表面强化层。
熔池处的气体氛围是通过改变载粉气体和激光镜头保护气体的方式实现。
具体的如下所述。
在配有气氛保护措施的YAG固体脉冲激光器上以纯钛为基板对TC4进行激光增材制造，并在沉积到待强化的表面两层时，改变熔池处的气体氛围，进行表面强化。所述的表面强化方法，其设备和材料包括：
(A)纯钛基板板，作为沉积过程中的预制基板；
(B)充氩惰性气氛加工室(O≤100ppm)，避免沉积过程中被氧化；
(C)YAG固体激光器作为激光源，熔化金属粉末；
(D)同步送进TC4合金粉末的输送***，保证沉积过程连续进行；
(E)氮气纯度为99.99％的高纯氮气，在沉积过程中需要改变气体氛围时将氮气供应阀门打开；
(E)数控***，以保证沉积外形及尺寸；
采用的设备如图2所示，该方法包括下列步骤：
第一步，以纯度为99.99％的高纯氩气作为保护气和载粉气体，以激光为热源，进行TC4的常规增材制造，加工室结构如图2所示。激光功率300W，光斑直径0.8mm，粉末输送率1～3g/min，搭接率30％～50％，扫描速率3mm/s。
第二步，在激光熔敷到待氮化的表层时，保持开关Q3处于打开状态，使加工室内保护气体为氩气不变，关闭Q2，打开Q1，使载粉气体由氩气更换为氮气。获得高硬度的氮化钛表面梯度强化层，如图3a和图3b，图4a和图4b分别为平行于激光扫描方向和垂直于激光扫描方向上强化区与基体结合区的显微组织图，图5a和图5b为强化区在50μm和20μm下的显微组织图。
第三步，氮化层沉积完成后，将载粉气体换回高纯氩气，继续重复进行下一沉积层的激光增材制造过程。
第四步，制备的表面被氮化钛强化的TC4合金零件在加工室中自然冷却至100℃以下后，打开充氩惰性气氛保护室，将其取出。
组织观察表明，制备的氮化钛梯度强化层中无裂纹，气孔等缺陷，氮化钛枝晶细小，大小分布均匀。强化区与基体区之间的过渡区为致密的冶金结合，强化层与基体结合良好，且有一定区域的氮扩散层，如图6所示，组织过渡均匀，其谱图1、2和3对应的测试结果如表1所示。
表1
对制备的表面被氮化钛强化的TC4合金进行组织观察及硬度测试，图7为平行于激光扫描方向上从强化区到基体区的显微硬度变化图，图8为垂直于激光扫描方向上从强化区到基体区的显微硬度变化图。显微硬度分析测试表明，制备的氮化钛梯度强化层存在一定的硬度梯度。TC4基体硬度为392HV1，与基体相连的过渡层硬度为512HV1，表层氮化层硬度为995HV1。氮化层厚度约为230μm，表层硬度提高了2.5倍。

Claims (4)

1.一种钛或钛合金选区强化的一体化激光增材制造方法，其特征在于，在惰性气氛加工室中，采用逐层沉积的方法进行钛或钛合金零件的激光增材制造；
所述的激光增材制造采用送粉式或送丝式激光增材制造方法，其中粉末或丝材与载粉气体和激光镜头保护气同步送进；
当沉积到非强化区域时，采用惰性气体作为载粉气体和激光镜头保护气；
当沉积到强化区域时，在不改变各项工艺参数的情况下，通过采用含有30％～100％氮气的惰性气体作为载粉气体和激光镜头保护气，改变熔池处的气体氛围，使熔池处的气体氛围中含有30％～100％氮气，通过控制熔池处氮气的含量逐级增加，获得强度逐级增强的具有梯度过渡特征的强化层；强化区域沉积完成后，得到大于或等于增材制造中单层厚度的任意厚度氮化钛强化层。
2.根据权利要求1所述的一种钛或钛合金选区强化的一体化激光增材制造方法，其特征在于，完成钛或钛合金的增材制造，制备出强化区域存在氮化钛强化层的钛或钛合金后，零件在惰性气氛加工室中自然冷却至100℃以下后将其取出自然冷却至室温。
3.根据权利要求1所述的一种钛或钛合金选区强化的一体化激光增材制造方法，其特征在于，所述的惰性气氛加工室中的气氛和惰性气体均采用氩气。
4.根据权利要求1所述的一种钛或钛合金选区强化的一体化激光增材制造方法，其特征在于，氮化钛强化层硬度较未强化前提高2～5倍。
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