CN110293320A - 一种硼元素原位强化的梯度钛合金激光增材制造方法 - Google Patents

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余淑荣
王志文
黄健康
张林波
刘玉龙
管志忱
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Abstract

本发明公开一种硼元素原位强化的梯度钛合金激光增材制造方法，激光装置在工作过程中产生激光束，送丝机构送入的钛合金焊丝和周围钛合金材料在激光热量作用下呈熔融态；送粉装置送入的反应物质硼在激光束作用下运动，并与熔融态的钛合金原位反应，在待加工钛合金材料上原位生成硼化钛增强相。调节送粉装置实现不同硼粉送入量，从而得到不同的梯度强化效果。本发明在钛合金增材制造的过程中，同时实现对钛合金材料的强化，无需再额外进行材料的二次强化，减少工艺流程，同时可以通过调节不同的硼粉送入量实现钛合金材料的可控梯度强化，扩大了钛合金材料的使用范围。

Description

一种硼元素原位强化的梯度钛合金激光增材制造方法
技术领域
本发明涉及钛合金增材制造领域，特别是涉及一种硼元素原位强化的梯度钛合金激光增材制造方法。
背景技术
随着航空航天等工业领域的发展，钛及钛合金的应用范围不断扩大，这就对钛合金材料的制造提出了更高的要求。单一的钛合金由于其较低的疲劳强度、硬度低、耐磨性差等缺点不能被广泛使用于复杂的工业环境中。增材制造的“自下而上”、“材料累加”的特点使其近几年被广泛关注和应用。激光增材制造作为其中的重要组成部分，可以一次性成形高致密、高性能的多功能复杂零件。但是传统的激光增材制造方法也有着其自身的局限性，生产的钛合金材料的强度不能与工业复杂环境和特殊领域中要求的钛合金强度相匹配，并且其性能也不能满足一些领域要求的梯度强化效果。这就使得制备的材料应用于工业中需要额外进行二次加工强化，增加了工艺流程和生产成本；同时，二次强化往往只能对材料的表面进行强化，无法实现对材料内部的强化，极大限制了高强度钛合金材料在众多领域的发展。
发明内容
本发明的目的是提供一种硼元素原位强化的梯度钛合金激光增材制造方法，在钛合金增材制造的过程中，同时实现对钛合金材料的整体强化，并且通过控制送粉量实现可控的强化效果。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案。
一种硼元素原位强化的梯度钛合金激光增材制造方法，所述方法包括：将表面处理干净的待加工的钛合金基板固定在可控工台上。
控制焊丝与所述待加工的钛合金基板的角度为30°，并使所述焊丝位于激光头的正下方。
打开氩气瓶，提供保护气体氩气。
打开送粉装置，提供反应所需硼粉。
打开送丝机构，调节送丝速度，在激光热源运动的同时实现焊丝的同步送入。
通过激光控制中心打开激光器开关，激光器产生激光并从激光头中发射激光束；所述硼在所述激光束作用下运动，其与反应过程中送入的焊丝和周围处于熔融态的钛合金反应，在所述待加工的钛合金基板上原位生成硼化钛增强相。
可选的，在所述打开送粉装置，提供反应所需硼粉之后还包括：调节所述送粉量，从而实现不同的钛合金强化效果。
可选的，所述焊丝为钛合金焊丝。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明硼元素原位强化的钛合金激光增材制造的过程中，送入硼粉，使硼在激光的作用下运动至熔融钛合金周围，并与熔融状态的钛合金原位反应，在待加工的钛合金材料生成硼化钛增强相，使钛合金增材制造与对钛合金材料的强化过程同时进行，操作过程简单，同时在制造过程中通过调节不同的粉末送入量可以制得钛合金梯度材料，提高了钛合金材料的使用范围。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅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为本发明的实施例提供的硼元素原位强化的梯度钛合金激光增材制造方法的结构示意图。
图2为本发明的实施例提供的硼元素原位强化的梯度钛合金激光增材制造方法的流程图。
图3为本发明的实施例提供的硼元素原位强化的梯度钛合金激光增材制造方法的原理图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、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做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。
本发明的目的是提供一种硼元素原位强化的梯度钛合金激光增材制造方法，在钛合金增材制造的过程中，完成对钛合金材料的强化，并且强化效果可控。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
实施例
如图1、2所示，本实施例提供的钛合金增材制造方法包括：激光器1、激光控制中心2、送丝机构3、可控工台4、氩气瓶5、送粉装置6、、保护气管道7、激光头8和待加工的钛合金基板9。
可控工台4，用于放置待加工的钛合金基板9。
本实施例提供的钛合金增材制造方法具体步骤为：
（1）采用激光增材制造方法进行钛合金梯度功能材料的制备。将TC4钛合金基板9表面处理干净后置于可控工台4之上，并用夹具固定好基板位置，通过激光控制中心2调节激光头8位置，确认激光束的起始位置与终止位置，确保激光位于基板起始位置正上方；调节钛合金焊丝位置，使其端部正对于激光束之下且丝高为0，送丝角度为30°，焊丝在激光增材制造激光始终位于激光移动方向的前方。
（2）在激光控制中心调节激光功率为1000-3000W,焊接速度为3-12mm/s,调节送丝机构1送丝速度为100-300cm/min,将保护气管道7与氩气瓶5相连接；打开气瓶开关，送入保护气体氩气；打开送粉装置6，调节送粉速度为10-15g/min。
（3）激光增材制造过程中，在激光束产生后控制工台4向既定方向匀速移动，TC4焊丝在激光作用下融化铺展于钛合金基板上，开始单层钛合金激光增材制造过程，其中硼在激光作用下附着于熔池表面，激光移动过程中带动熔池内部熔融态的钛合金流动将附着于熔池表面的离子态的硼带入进熔池内部，硼与熔融态钛在原位结合生成硼化钛增强相，从而在增材制造的加工过程的同时在原位完成对钛合金材料的强化。
（4）单道钛合金增材制造完成后，关闭保护气体和激光装置开关，激光头返回至初始位置并调节高度，通过调节在步骤2中所述的送粉装置送入硼粉的量，调节参数，继续钛合金材料的增材制造过程。通过实时控制送粉量可以实现钛合金材料的不同强化效果，实现钛合金材料的可控强化，制备具有梯度功能的钛合金材料。
本方法能够实现在钛合金增材制造的过程中，同时完成钛合金材料的原位强化，并且可以控制不同的强化效果，使操作过程简便，进而提高了钛合金材料的使用范围。
一种硼元素原位强化的梯度钛合金激光增材制造方法，如图2所示，所述方法包括：
步骤1：将表面处理干净的待加工的钛合金基板固定在可控工台上；
步骤2：控制钛合金焊丝与所述待加工的钛合金基板的角度为30°，使所述焊丝位于所述激光头的正下方，并通过送丝机构调节送丝速度；
步骤3：打开氩气瓶，提供保护气体氩气，并调节所述送粉装置送入硼粉的量；
步骤4：通过激光控制中心打开激光器开关，激光器产生激光并从激光头中发射激光束；所述硼在激光作用下运动至钛合金周围，并与制造过程中处于熔融态的钛合金原位反应，在所述待加工的钛合金基板上生成硼化钛增强相。
如图3所示，激光头8-1产生激光束11，硼6-1在激光束的作用下，附着于熔池12的表面，钛合金焊丝10在激光束11的作用下呈熔融状态铺展于待加工的钛合金基板上，离子态的硼与熔融状态的钛合金原位结合生成硼化钛增强相，从而在钛合金增材制造的加工过程的同时在原位完成对钛合金材料的强化。
本发明提供的方法，不仅可以实现单层钛合金增材制造，并且通过调节在气体配比器，控制不同的硼粉送入量，调节参数，实现钛合金材料的不同强化效果，实现钛合金材料的可控强化，制备具有梯度功能的钛合金材料。
对于实施例公开的方法而言，由于其与实施例公开的装置相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种硼元素原位强化的钛合金激光增材制造方法，其特征在于，所述方法包括：激光器1、激光头8以及可控工台4与激光控制中心2相连接，氩气瓶5通过保护气管道7连接后输出；送丝机构3将焊丝送至待加工钛合金基板上方，送粉装置6将所需硼粉送入加工***。
2.根据权利要求书1所述的硼元素原位强化的梯度钛合金激光增材制造方法，其特征在于：所述送丝机构将所述焊丝送至待加工钛合金指定位置，焊丝在激光热源作用下呈熔融态，所述硼在氩气氛围下运动至熔池附近，其在熔池流动过程中进入熔池并附着于熔池的表面，在增材制造过程中随着激光热源的定向移动，带动熔池内部熔融态钛合金的流动，硼进入熔池内部与熔融态的钛在原位发生反应生成硼化钛增强相实现对材料制备过程中的强化。
3.根据权利要求书1所述的硼元素原位强化的梯度钛合金激光增材制造方法，其特征在于：所述可控工台用于放置表面处理干净的待加工钛合金基板，并由所述激光控制中心控制空间位置的移动，移动速度为3-12mm/s。
4.根据权利要求书1所述的硼元素原位强化的梯度钛合金激光增材制造方法，其特征在于：激光器产生激光由激光头发射激光束，激光控制中心调节发射激光功率为1000-3000W。
5.根据权利要求书1所述的硼元素原位强化的梯度钛合金激光增材制造方法，其特征在于：所述的送丝机构将焊丝送入，且送入角度与水平基板成30°角。
6.根据权利要求书5所述的硼元素原位强化的梯度钛合金激光增材制造方法，其特征在于：所述送丝机构送丝速度为100-300cm/min。
7.根据权利要求书5所述的硼元素原位强化的梯度钛合金激光增材制造方法，其特征在于：所述焊丝为钛合金焊丝。
8.根据权利要求书1所述的硼元素原位强化的梯度钛合金激光增材制造方法，其特征在于：所述氩气瓶，用于向过程中输入保护气体氩气，对反应过程进行保护。
9.根据权利要求书1所述的硼元素原位强化的梯度钛合金激光增材制造方法，其特征在于：所述送粉装置，用于送入不同量的硼粉，从而实现不同的钛合金强化效果。
10.根据权利要求书9所述的硼元素原位强化的梯度钛合金激光增材制造方法，其特征在于：所述送粉装置调节送粉速度为10-15g/min。
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