CN111299583A - 一种激光增材制造梯度组织钛合金整体构件的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种激光增材制造梯度组织钛合金整体构件的方法，该方法步骤如下：首先对激光增材制造钛合金进行初步的工艺参数优化；在初步优化工艺参数的基础上，明确送粉量与单道沉积层中等轴晶体积分数的关系；再通过控制重熔程度，建立重熔深度/重熔宽度和等轴晶体积分数之间的关系；最后根据钛合金整体构件的几何模型及不同部位的组织特征要求，选择相应的工艺参数进行构件成形。本发明通过晶粒形貌的调控，可以有效地进行沉积方向和水平方向上具有梯度组织特征的钛合金整体构件的制备。

Description

一种激光增材制造梯度组织钛合金整体构件的方法
技术领域
本发明涉及金属激光增材制造技术领域，特别涉及一种激光增材制造梯度组织钛合金整体构件的方法，具体地是指通过控制逐层沉积过程中沉积层的凝固和重熔，实现梯度组织钛合金整体构件的制备方法。
背景技术
先进航空航天装备追求轻量化、高性能和高可靠性，对钛合金整体构件的应用需求日益迫切。钛合金构件整体化后在减重的同时提高了服役可靠性，但整体构件，特别是不同部位对应不同性能要求的构件的加工仍面临极大的挑战。以航空发动机钛合金整体涡轮叶盘为例，采用传统机加工方式制造时，存在加工周期长、材料利用低、成本高等诸多问题。为进一步提升整体叶盘的性能，制造者希望叶盘为具有良好综合性能的等轴晶，而叶片为有较好高温性能的柱状晶，此时，传统加工方法则难以胜任。
激光增材制造技术基于“离散+堆积”的制造思想，集成材料科学、计算机辅助设计、数控技术和快速原型制造等技术于一体，可以实现高性能复杂结构金属零件的无模具、快速、全致密近净成形。该技术的基本原理为：首先在计算机中生成零件的三维CAD模型，然后将模型按一定的厚度切片分层，随后在数控***的控制之下，采用同步送粉激光熔覆的方法将金属粉末按一定的路径逐点填充给定的二维形状，不断重复逐层沉积过程，最后完成三维实体零件的制备。
激光增材制造技术逐点逐层沉积的工艺特点使通过调整工艺参数在构件不同部位获得不同的组织及性能成为可能。但由于激光熔池中的高温度梯度以及钛合金本身的相变特点，激光增材制造钛合金的组织多为外延生长的粗大柱状晶。国内外研究人员尝试多种手段进行等轴晶组织的制备，并取得了一些重要的进展。这些调控手段主要包括：①将增材制造与变形处理相结合，通过变形处理使已沉积层产生塑性变形，并在往复热循环作用下发生静态再结晶而获得等轴晶(金属学报,2017,53(9):1065-1074.)；②调整合金成分，增加成分过冷的倾向，促进等轴晶的形成(Appl.Surf.Sci.,2006,253:1424-1430.)。③增加送粉量，利用熔池中未完全熔化的粉末颗粒作为形核核心促进等轴晶的形成，从而提高沉积层中等轴晶的体积分数(J.Mater.Process.Tech.,2016,238:202～211.)。相比之下，调整工艺参数的方法无需对现有成形装备进行改装，也不会改变原合金的成分，具有明显的优势。但由于激光增材制造工艺复杂，影响因素众多。目前，尚缺少有效的方法对激光增材制造钛合金的晶粒形貌及不同晶粒形貌的过渡进行调控，具有梯度组织的钛合金整体构件的制造仍面临极大的挑战。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术中的上述缺陷，提供一种激光增材制造梯度组织钛合金整体构件的方法。该方法基于建立激光增材制造钛合金单道沉积层高度与等轴晶体积分数的关系，并通过控制多道多层沉积过程的重熔程度，实现不同部位晶粒形貌的调控，从而达到制备梯度组织钛合金整体构件的目的。
本发明的目的可以通过采取如下技术方案达到：
一种激光增材制造梯度组织钛合金整体构件的方法，该方法是在惰性气体保护加工室内，以激光作为热源，以气体或重力同步输送钛合金粉末，无模具自由成形具有梯度组织的钛合金整体构件；制造方法先通过工艺参数优化，明确送粉量与单道沉积层中等轴晶体积分数的关系；再通过控制重熔程度(重熔程度包括沉积方向上的重熔深度以及水平方向上的重熔宽度)，建立重熔深度/重熔宽度和等轴晶体积分数之间的关系；最后根据钛合金整体构件的几何模型及不同部位的组织特征要求，选择相应的工艺参数进行构件成形。
如图4所示，该方法包括下列步骤：
S1、给定任意一送粉量，对单道沉积层试样进行初步工艺优化，得到包括激光功率、光斑直径、扫描速度在内的初选工艺参数；
S2、在初选工艺参数的基础上进一步调整送粉量，调整范围为初选送粉量的1/5到5倍，选择不同的送粉量进行单道沉积层试样的制备，测量不同工艺参数条件下的单道沉积层高度并进行金相检测，建立沉积层高度与等轴晶体积分数的关系曲线；
S3、任选一等轴晶体积分数大于50％的工艺参数进行多层试样沉积，在多层试样沉积过程中，控制沉积方向上的重熔深度，当重熔深度大于等轴晶范围时得到柱状晶；否则得到等轴晶，以此建立重熔深度和晶粒形貌的对应关系，其中，重熔深度的控制通过自然冷却或外加冷却的方式使已沉积层降低到不同的温度来实现；
S4、任选一等轴晶体积分数大于50％的工艺参数进行多层试样沉积，在多层试样沉积过程中，控制水平方向上的重熔宽度，建立重熔宽度和晶粒形貌的对应关系，其中，重熔宽度的控制通过调整道间搭接率来实现；
S5、根据钛合金整体构件的几何模型及不同部位的组织特征要求在零件不同位置选择不同的成形工艺参数，其中，对沉积方向存在组织梯度的构件，在组织过渡位置应按步骤S3选择重熔深度；对水平方向存在组织梯度的构件，在组织过渡位置应按步骤S4选择重熔宽度。
进一步地，所述激光的束斑形状为圆形、椭圆形、线型及矩形中的一种或多种。
进一步地，所述钛合金粉末选自α钛合金、β钛合金和α+β钛合金中的一种。
进一步地，所述重熔深度的控制通过自然冷却或外加冷却的方式使已沉积层降低到不同的温度来实现，其中，已沉积层温度通过测温设备直接获得，也可以通过冷却不同时间来间接获得。
进一步地，所述重熔宽度的控制通过调整道间搭接率来实现。
进一步地，所述步骤S2中送粉量调整范围为初选送粉量的1/5到5倍，但不限于此范围。
进一步地，所述沉积层高度与等轴晶体积分数的关系、重熔深度和晶粒形貌之间的关系、以及重熔宽度和晶粒形貌之间的关系受激光增材制造装备、具体工艺参数、钛合金牌号及钛合金粉末特征的影响。
本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：
(1)本发明是一种无模具近净成形方法，相比于传统工艺，该方法摆脱了模具的约束，后续加工余量小，可以实现传统技术无法制造的复杂结构件的快速、低成本制造。
(2)该方法工艺参数的选择基于所建立的重熔深度/重熔宽度和等轴晶体积分数之间的关系，与所加工构件的几何形状无关，工艺过程更简单、灵活。
(3)该方法在不同的工艺参数下可得到尺寸在数十微米到数百微米的原始晶粒，力学性能可控。
(4)该方法可在毫米尺度完成梯度组织过渡，这是其他工艺难以实现的。
附图说明
图1是本发明实施过程中沉积层高度与等轴晶体积分数的关系；
图2是本发明获得的沉积方向上存在组织梯度的组织金相图(柱状晶向等轴晶过渡)；
图3是本发明获得的水平方向上存在组织梯度的组织金相图(等轴晶/柱状晶/等轴晶/柱状晶/等轴晶梯度组织金相图)；
图4是本发明公开的一种激光增材制造梯度组织钛合金整体构件的方法的流程步骤图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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。
实施例一
本实施例具体公开了一种激光增材制造梯度组织钛合金整体构件的方法，实现步骤如下：
第一步：给定任意一送粉量(5g/min)，对单道沉积层试样进行初步工艺优化，得到激光功率(1000W)、光斑直径(3mm)、扫描速度(10mm/s)等其他工艺参数。
第二步：在初选工艺参数的基础上进一步调整送粉量。调整范围为1g/min到25g/min，选择不同的送粉量进行单道沉积层试样的制备。测量不同工艺参数条件下的单道沉积层高度并进行金相检测，建立沉积层高度与等轴晶体积分数的关系曲线，如图1所示。
第三步：任选一等轴晶体积分数大于50％的工艺参数(激光功率：1000W，送粉量：15g/min，光斑直径：3mm，扫描速度：10mm/s)进行多层试样沉积，在此过程中，重熔深度大于0.73mm时得到柱状晶；重熔深度小于0.73mm时得到等轴晶。重熔深度的控制通过自然冷却或外加冷却的方式使已沉积层降低到不同的温度来实现。
第四步：通过步骤一和步骤二筛选出对应柱状晶和等轴晶的工艺参数，先以得到柱状晶的工艺参数(激光功率：1000W，送粉量：5g/min，光斑直径：3mm，扫描速度：10mm/s)进行沉积，在组织过渡的位置将工艺参数切换至得到等轴晶的参数(激光功率：1000W，送粉量：25g/min，光斑直径：3mm，扫描速度：10mm/s)，并按步骤三控制重熔深度(重熔深度＜0.73mm)使沉积层顶部的等轴晶得到保留，得到如图2所示的由柱状晶向等轴晶过渡的梯度组织钛合金。
实施例二
本实施例具体公开了另外一种激光增材制造梯度组织钛合金整体构件的方法，实现步骤如下：
第一步：给定任意一送粉量(5g/min)，对单道沉积层试样进行初步工艺优化，得到激光功率(1000W)、光斑直径(3mm)、扫描速度(10mm/s)等其他工艺参数。
第二步：在初选工艺参数的基础上进一步调整送粉量。调整范围为1g/min到25g/min，选择不同的送粉量进行单道沉积层试样的制备。测量不同工艺参数条件下的单道沉积层高度并进行金相检测，建立沉积层高度与等轴晶体积分数的关系曲线，如图1所示。
第三步：任选一等轴晶体积分数大于50％的工艺参数(激光功率：1000W，送粉量：15g/min，光斑直径：3mm，扫描速度：10mm/s)进行多层试样沉积，在此过程中，重熔宽度小于单道宽度的60％时得到柱状晶；重熔宽度大于单道宽度的60％时得到等轴晶，重熔宽度的控制通过调整道间搭接率(实施例二选择的搭接率为40％)来实现。
第四步：通过步骤一和步骤二筛选出可得到柱状晶和等轴晶的工艺参数，以得到等轴晶的工艺参数激光功率：1000W，送粉量：15g/min，光斑直径：3mm，扫描速度：10mm/s)进行沉积，并按步骤四控制重熔宽度(搭接率：40％)使沉积层中的等轴晶得到保留，搭接三道得到如图3所示的等轴晶/柱状晶/等轴晶/柱状晶/等轴晶梯度组织金相图。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种激光增材制造梯度组织钛合金整体构件的方法，该方法是在惰性气体保护加工室内，以激光作为热源，以气体或重力同步输送钛合金粉末，无模具自由成形具有梯度组织的钛合金整体构件，该方法包括以下步骤：
S1、给定任意一送粉量，对单道沉积层试样进行初步工艺优化，得到包括激光功率、光斑直径、扫描速度在内的初选工艺参数；
S2、在初选工艺参数的基础上进一步调整送粉量，选择不同的送粉量进行单道沉积层试样的制备，测量不同工艺参数条件下的单道沉积层高度并进行金相检测，建立沉积层高度与等轴晶体积分数的关系曲线；
S3、任选一等轴晶体积分数大于50％的工艺参数进行多层试样沉积，在多层试样沉积过程中，控制沉积方向上的重熔深度，建立重熔深度和晶粒形貌的对应关系；
S4、任选一等轴晶体积分数大于50％的工艺参数进行多层试样沉积，在多层试样沉积过程中，控制水平方向上的重熔宽度，建立重熔宽度和晶粒形貌的对应关系；
S5、根据钛合金整体构件的几何模型及不同部位的组织特征要求在零件不同位置选择不同的成形工艺参数，其中，对沉积方向存在组织梯度的构件，在组织过渡位置按步骤S3选择重熔深度；对水平方向存在组织梯度的构件，在组织过渡位置按步骤S4选择重熔宽度。
2.根据权利要求1所述的一种激光增材制造梯度组织钛合金整体构件的方法，其特征在于，所述激光的束斑形状为圆形、椭圆形、线型及矩形中的一种或多种。
3.根据权利要求1所述的一种激光增材制造梯度组织钛合金整体构件的方法，其特征在于，所述钛合金粉末选自α钛合金、β钛合金和α+β钛合金中的一种。
4.根据权利要求1所述的一种激光增材制造梯度组织钛合金整体构件的方法，其特征在于，所述重熔深度的控制通过自然冷却或外加冷却的方式使已沉积层降低到不同的温度来实现，其中，已沉积层温度通过测温设备直接获得或通过冷却不同时间来间接获得。
5.根据权利要求1所述的一种激光增材制造梯度组织钛合金整体构件的方法，其特征在于，所述重熔宽度的控制通过调整道间搭接率来实现。
6.根据权利要求1所述的一种激光增材制造梯度组织钛合金整体构件的方法，其特征在于，所述步骤S2中送粉量调整范围为初选送粉量的1/5到5倍。
7.根据权利要求1所述的一种激光增材制造梯度组织钛合金整体构件的方法，其特征在于，所述沉积层高度与等轴晶体积分数的关系、重熔深度和晶粒形貌之间的关系、以及重熔宽度和晶粒形貌之间的关系受激光增材制造装备、工艺参数、钛合金牌号及钛合金粉末特征的影响。
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