CN114101709A - 一种铸造-增材复合制造钛合金的热处理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明是一种铸造‑增材复合制造钛合金的热处理方法，该热处理方法针对的钛合金部件是通过铸造完成基体部分加工后，再通过增材制造在基体局部表面成形其它部分后的整体部件，所述其它部分是被认为不适用铸造加工的复杂结构部分，对上述完成的钛合金整体直接进行热处理，该热处理制度是：将整体部件置于160～180MPa的压力条件下加热至930～1100℃，保温处理1～3h后气冷至530～580℃，保温处理2～4h后空冷。本发明解决了常规热处理方法引起铸造部分二次热处理造成性能弱化的问题，保证了复合制造样件整体强度，同时简化了复合制造过程热处理工艺，缩短了加工周期，降低了加工成本，具有推广价值。
Description
技术领域
本发明是一种铸造-增材复合制造钛合金的热处理方法，属于金属热处理领域。
背景技术
铸造是实现金属构件低成本、近净成形制造的重要技术方法，尤其适用于大尺寸、复杂零件的批量生产。然而，由于缩孔、缩松以及粗大凝固组织的存在，铸造钛合金力学性能相对较低。增材制造技术是另一种实现金属构件近净成形的方法，其加工过程无需模具、材料利用率高、加工周期短，所制造零件致密度高、凝固组织细小，具有达到甚至优于锻件的力学性能，尤其适合于钛合金等高性能难加工金属大型复杂结构件的快速生产，但增材制造技术成本及加工时间随零件尺寸增加而快速升高，导致该技术仍未在工业领域被广泛应用。钛合金具有密度低、比强度高、耐蚀性好等特点，在航空、航天、汽车、化工领域得到广泛应用。目前国内外分别针对铸造、增材制造钛合金的基础及应用研究已比较完善，技术成熟度较高，而对铸造-增材制造复合成形钛合金的研究不够充分。
铸造钛合金一般首先通过热等静压处理消除铸造缺陷，而后经固溶处理提高性能；增材制造钛合金则通过两相区上部高温固溶+时效处理进行组织与性能调控。可见，若在热等静压后的铸造基体上进行增材制造，而后对复合制造样件采用增材制造的热处理制度再进行一次热处理，则铸造部分将经历两次甚至三次热处理，导致性能弱化，造成复合制造样件整体性能降低；同时，铸造部分的多次热处理也造成了工艺繁琐、加工周期长、加工成本高等问题。
发明内容
本发明针对上述现有技术状况，通过对钛合金铸造-增材复合制造工艺的使用需求及其热处理方法的研究，提出了一种铸造-增材复合制造钛合金的热处理方法，其目的是通过一次热处理解决复合制造样件铸造部分热等静压需求和增材制造部分组织调控需求，避免铸造部分多次热处理造成的性能弱化问题，同时简化了复合制造过程后处理工艺，兼顾了低成本、短周期加工的技术需求。
本发明的目的通过以下技术方案实现的：
本发明所述的铸造-增材复合制造钛合金的热处理方法针对的钛合金部件是通过铸造完成基体部分加工后，再通过增材制造在基体局部表面成形其它部分后的整体部件，所述其它部分是被认为不适用铸造加工的复杂结构部分，对上述完成的钛合金整体直接进行热处理，该热处理制度是：将整体部件置于160～180MPa的压力条件下加热至930～1100℃，保温处理1～3h后气冷至530～580℃，保温处理2～4h后空冷，之后对整体部件进行无损检测、精加工及表面处理。
在实施中，所述铸造是指石墨型铸造、砂型铸造、陶瓷型铸造。
在实施中，对需要进行增材制造的基体表面进行处理，包括吹砂、酸洗、车削、磨削、铣削处理。
在实施中，所述增材制造采用的高能束光源为激光、电弧或电子束。
在实施中，所述增材制造采用的原料为丝材或粉末，该原料与基体为同一种材料。
在实施中，所述增材制造是在惰性气体保护下进行进行，该保护气氛中的氧含量低于30ppm。
在实施中，所述热处理中的930～1100℃温度下加压、保温处理是采用热等静压炉完成。
在实施中，所述热处理中的530～580℃温度下保温处理2～4h是在箱式电阻炉中完成。
本发明技术方案的制定是在大最研究、对比的基础上提出的，研究表明，铸造钛合金热等静压处理温度与增材制造钛合金两相区上部高温固溶温度接近，同时，研究表明增材制造钛合金经热等静压处理后性能能够得到一定程度提升，上述研究为本发明所述设计的针对复合制造钛合金的一步热处理能同时满足铸造部分热等静压及增材部分组织调控需求提供了基础。
本发明技术方案中将快速冷却手段引入复合制造钛合金样件整体热处理工艺，并规范了适用于复合制造钛合金样件的热处理温度、压力与时间。对于在铸态铸造基体上直接增材的复合制造钛合金部件，本发明的处理方法能够减少铸造部分缺陷、增加增材部分致密度、并使结合区产生固溶+时效强化，更重要的是热处理过程无需转炉，从而将复杂的分炉、分步热处理过程简化为一步热处理，同时解决复合制造钛合金样件铸造部分热等静压需求和增材制造部分组织调控需求，避免铸造部分多次热处理造成的性能弱化问题。经本方法热处理后复合制造钛合金样件力学性能大幅提高，复合制造过程后处理工艺大幅简化，节省了能源，提高了生产效率，兼顾低成本、短周期加工的技术需求。实现复杂双性能或多功能金属构件一体化近净成形制造。
附图说明
图1为本发明所述方法的流程示意图
图2为实施例一中经本方法热处理后复合制造TC4合金的拉伸应力-应变曲线
具体实施方式
以下将结合附图实施例对本发明技术方案作进一步地详述：
实施例一
参见附图1所示，采用本发明方法对精密铸造-激光增材制造复合成形的TC4钛合金样件进行处理，其步骤如下：
步骤一、将TC4合金铸锭置于真空感应熔炼炉中熔化，并浇注到陶瓷型模具中以制备TC4铸件；
步骤二、对铸件进行轻酸洗，并使用铣床对铸件表面待增材部位进行加工，而后碱洗铸件去除表面污渍；
步骤三、在惰性气体保护的成形腔内部使用光纤激光器在铸件表面进行增材制造，所采用原材料为与铸件成分相同的TC4预合金粉末，直径为50～150μm；
步骤四、在热等静压炉内对复合制造部件整体进行930～960℃/160～180MPa/1～3h保温保压热处理，而后采用氩气冷却(平均冷却速率为50～150℃/min)至530～560℃/2～4h保温热处理，而后将样件置于大气环境中自然冷却；
步骤五、对复合制造样件整体进行加工及表面处理后，样件抗拉强度达到950MPa以上，且结合区性能高于铸造部位，如图2所示。
实施例二
参见附图1所示，采用本发明方法对精密铸造-电弧增材制造复合成形TC11钛合金部件进行处理，其步骤如下：
步骤一、将TC11合金铸锭置于真空自耗电极熔炼炉中熔化，并浇注到砂型模具中以制备TC11铸件；
步骤二、对铸件进行轻酸洗，并使用铣床对铸件表面待增材部位进行加工，而后碱洗铸件去除表面污渍；
步骤三、在惰性气体保护的成形腔内部使用电弧在铸件表面进行增材制造，所采用原材料为与铸件成分相同的TC11丝材，直径为50～150μm；
步骤四、在热等静压炉内对复合制造样件整体进行950～1100℃/160～180MPa/1～3h保温保压热处理，而后采用氩气冷却(平均冷却速率为60～200℃/min)至550～580℃/2～4h保温热处理，而后将样件置于大气环境中自然冷却；
步骤五、对复合制造部件整体进行加工及表面处理后，样件抗拉强度达到1000MPa以上，且结合区性能高于铸造部位。
Claims (8)
1.一种铸造-增材复合制造钛合金的热处理方法，其特征在于：该热处理方法针对的钛合金部件是通过铸造完成基体部分加工后，再通过增材制造在基体局部表面成形其它部分后的整体部件，所述其它部分是被认为不适用铸造加工的复杂结构部分，对上述完成的钛合金整体直接进行热处理，该热处理制度是：将整体部件置于160～180MPa的压力条件下加热至930～1100℃，保温处理1～3h后气冷至530～580℃，保温处理2～4h后空冷。
2.根据权利要求1所述的铸造-增材复合制造钛合金的热处理方法，其特征在于：所述铸造是指石墨型铸造、砂型铸造、陶瓷型铸造。
3.根据权利要求1所述的铸造-增材复合制造钛合金的热处理方法，其特征在于：对需要进行增材制造的基体表面进行处理，包括吹砂、酸洗、车削、磨削、铣削处理。
4.根据权利要求1所述的铸造-增材复合制造钛合金的热处理方法，其特征在于：所述增材制造采用的高能束光源为激光、电弧或电子束。
5.根据权利要求1所述的铸造-增材复合制造钛合金的热处理方法，其特征在于：所述增材制造采用的原料为丝材或粉末，该原料与基体为同一种材料。
6.根据权利要求1所述的铸造-增材复合制造钛合金的热处理方法，其特征在于：所述增材制造是在惰性气体保护下进行进行，该保护气氛中的氧含量低于30ppm。
7.根据权利要求1所述的铸造-增材复合制造钛合金的热处理方法，其特征在于：所述热处理中的930～1100℃温度下加压、保温处理是采用热等静压炉完成。
8.根据权利要求1所述的铸造-增材复合制造钛合金的热处理方法，其特征在于：所述热处理中的530～580℃温度下保温处理2～4h是在箱式电阻炉中完成。
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