CN115125462A - 提高激光增材制造钛合金组织与性能稳定性的热处理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种提高激光增材制造钛合金组织与性能稳定性的热处理方法：清理激光增材制造钛合金构件表面污渍和内部残余金属粉末；将清理好的激光增材制造钛合金构件置于真空热处理炉内，进行第一阶段等温退火热处理；将得到的激光增材制造钛合金构件进行第二阶段等温退火热处理。本发明能够有效提高增材制造TA15钛合金的塑性和冲击韧性，为增材制造钛合金构件性能优化提供一种新的解决方案；本发明相对普通热处理退火工艺，能够有效提高材料组织、性能的稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及一种提高激光增材制造近α钛合金组织与性能稳定性的热处理方法，属于金属激光增材制造技术领域。
背景技术
钛合金由于比强度高、耐蚀性好、高温性能好等特点，被广泛应用于制造飞机隔框、壁板、加强件等工作温度较高、受力较为复杂的重要结构件，由于其成形温度范围窄、局部易过热等特点，锻造加工难度大。激光增材制造技术具有短周期、高柔性和快速响应等特点，为钛合金零件快速制造提供有效途径。但是该项技术快速熔凝特性使得沉积态得到的通常是亚稳态的过饱和针状马氏体组织，这使得钛合金试样具有较低的塑性和韧性，需要进一步热处理，才能改善其微观组织和力学性能。
普通退火热处理能够促进马氏体分解形成α相和β相，但所形成的α相和β相组织存在形态、粗细分布不均的现象，这导致普通退火热处理钛合金力学性能不稳定。等温退火热处理在固定温度下完成β→α+β相转变，保证了组织的均匀性和性能的稳定性。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：激光增材制造TA15钛合金构件组织、性能稳定性差，塑性、韧性低等问题。
为了解决上述技术问题，本发明提供的技术方案如下：
一种提高激光增材制造钛合金组织与性能稳定性的热处理方法，包括以下步骤：
步骤1)：清理激光增材制造钛合金构件表面污渍和内部残余金属粉末；
步骤2)：将清理好的激光增材制造钛合金构件置于真空热处理炉内，进行第一阶段等温退火热处理；
步骤3)：将步骤2)得到的激光增材制造钛合金构件进行第二阶段等温退火热处理。
步骤2)和步骤3)中所述保温时间取决于构件的最大壁厚，壁厚越大，保温时间越长。
优选地，所述步骤1)中激光增材制造钛合金构件的制备工艺为选区激光熔化技术(SLM)或激光熔化沉积技术(LMD)。
优选地，所述步骤1)中激光增材制造钛合金构件表面污渍的清理方法为：采用酒精、无纺布擦拭，防止热处理过程污渍蒸发，污染炉腔。
优选地，所述步骤1)中激光增材制造钛合金构件内部残余金属粉末的清理方法为：采用高压***清理，直到构件内部无粉末流出，防止热处理过程中粉末受热结块，堵塞构件内部流道。
优选地，所述步骤2)中第一阶段等温退火热处理具体为：以2～4℃/min的加热速度加热至β相转变温度Tβ～(Tβ-50℃)之间，保温2～4小时。
优选地，所述步骤3)中第二阶段等温退火热处理具体为：以2～4℃/min的冷却速度炉冷至550℃～(Tβ-50℃)，保温2～4小时，再随炉冷却至常温。
由于激光增材制造技术过快的冷却速度，激光增材制造钛合金试样显微组织为β柱状树枝晶上分布着过饱和的针状马氏体，通过等温退火热处理促进马氏体完全转变，形成均匀的α相和β相组织。第一阶段等温退火热处理的目的是：促进马氏体相完全转变为β和α相；第二阶段等温退火热处理的目的是：保证β相在固定的温度下完成向α相的组织转变过程，从而保证了组织的均匀性，包括α相与β相的分布含量、组织形态以及尺寸均匀性。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
(1)本发明能够有效提高增材制造TA15钛合金的塑性和冲击韧性，为增材制造钛合金构件性能优化提供一种新的解决方案；
(2)本发明相对普通热处理退火工艺，能够有效提高材料组织、性能的稳定性。
附图说明
图1、2为实施例1中激光增材制造TA15钛合金构件不同放大倍数的显微组织形貌图；
图3为实施例1得到的激光增材制造TA15钛合金构件的显微组织形貌图；
图4为对比例1得到的激光增材制造TA15钛合金构件的显微组织形貌图；
图5为实施例2得到的激光增材制造TA15钛合金构件显微组织形貌图；
图6为实施例2中不同热处理条件下激光增材制造TA15钛合金构件抗拉强度；
图7为实施例2中不同热处理条件下激光增材制造TA15钛合金构件断后延伸率；
图8为实施例2中不同热处理条件下激光增材制造TA15钛合金构件冲击性能。
具体实施方式
为使本发明更明显易懂，兹以优选实施例，并配合附图作详细说明如下。
实施例1
一种提高激光增材制造钛合金组织与性能稳定性的热处理方法：
(1)采用激光粉末床熔融技术(SLM)成形TA15钛合金样件(简称成形态试样)，采用激光器为半导体激光器，采用的增材制造设备为Renishaw AM400，采用增材制造成型工艺参数为：激光功率200w，曝光时间50μs，激光光斑直径70μm，点间距65μm，铺粉层厚30μm，扫描间距120μm。
(2)对成形态试样进行清理，在清粉箱中使用高压***清理残余金属粉末，使用酒精清理样件表面污渍。
(3)等温退火热处理：将清理后的成形样件置于真空热处理炉内，抽真空使炉内压强保持在6.67×10-4～6.67×10-3Pa内，以2℃/min的升温速率加热至900℃，保温2小时，然后以炉冷的方式将温度降至550℃，保温2小时，随后炉冷至室温，得到等温退火热处理态试样。
如图1、2所示，激光增材制造TA15钛合金组织为尺寸大小不一的马氏体组织，马氏体组织呈针状形态分布，长度在40-100μm不等。拉伸实验结果表明，增材制造TA15钛合金横向和纵向试样的抗拉强度分别为1227±38MPa和1219±32MPa，延伸率分别为12.3％±1.3％和8.7％±2.9％，冲击功分别为19±1J和18±3J。
如图3所示，经900℃、2h+550℃、2h等温热处理后，材料显微组织均匀分布，网篮状组织的形态以及大小较为均匀。此时，横向和纵向试样的抗拉强度分别为1032±6MPa和1038±3MPa，延伸率分别为16.0％±0.8％和17.0％±0.0％，冲击功分别为40±1J和38±1J。由此可见，等温退火热处理可大幅提高成形态材料的延伸率和冲击性能。
对比例1
对比例1与实施例1的不同之处在于，步骤(3)采用普通退火热处理：将清理后的成形样件置于真空热处理炉内，抽真空使炉内压强保持在6.67×10-4～6.67×10-3Pa内，以2℃/min的升温速率加热至900℃，保温2小时，然后随炉冷却至室温下，得到普通退火态试样。
如图4所示，经900℃，2h热处理后，材料显微组织为α相和β相构成的网篮状组织，此时，网篮状组织中α相的形态大小分布不均，较细的α相的尺寸为2.9μm，较粗的可达到12.5μm。此时，横向和纵向试样的抗拉强度分别为1018±3MPa和974±17MPa，延伸率分别为17.6％±1.0％和6.8％±4.9％，冲击功分别为29±7J和31±3J。由此可见，与成形态试样相比，普通退火热处理后的材料强度减小，塑性和冲击性能略有提高。
实施例2
一种提高激光增材制造钛合金组织与性能稳定性的热处理方法：
(1)采用激光粉末床熔融技术(SLM)成形TA15钛合金样件(简称成形态试样)，采用激光器为半导体激光器，采用的增材制造设备为Renishaw AM400，采用增材制造成型工艺参数为：激光功率200W，曝光时间50μs，激光光斑直径70μm，点间距65μm，铺粉层厚30μm，扫描间距120μm。
(2)对成形样件进行清理，在清粉箱中使用高压***清理残余金属粉末，使用酒精清理样件表面污渍。
(3)将清理后的成形样件置于真空热处理炉内，抽真空使炉内压强保持在6.67×10-4～6.67×10-3Pa内，以2℃/min的升温速率加热至900℃，保温2小时，然后以炉冷的方式将温度降至850℃，保温2小时，随后炉冷至室温，得到等温退火热处理态试样。
如图5所示，经900℃、2h+850℃、2h等温热处理后，材料显微组织均匀分布，网篮状组织的形态以及大小较为均匀。此时，横向和纵向试样的抗拉强度分别为1018±9MPa和1026±3MPa，延伸率分别为16.3％±0.3％和16.4％±0.5％，冲击功分别为41±1J和42±1J。
综上所述，激光增材制造TA15钛合金显微组织为大小不均匀的针状马氏体组织；普通退火热处理后，激光增材制造TA15钛合金显微组织转变为网篮状α相和β相；等温退火热处理后，网篮状α相和β相的组织均匀性显著提高，相对应的，材料的塑性、冲击性能和性能稳定性显著提高。
不同热处理条件下的增材制造TA15钛合金的抗拉强度、延伸率和冲击功如图6-8所示。可以发现，与成形态试样和普通退火态试样相比，等温退火热处理态试样的断后延伸率和冲击功显著增大，且此时试样的抗拉强度、延伸率和冲击功都非常稳定，横向试样和纵向试样的性能差别也较小，这是因为等温退火热处理态试样显微组织均匀性高。
试验结果表明，本发明通过特定的等温退火热处理步骤，可明显提升材料的塑性、韧性以及组织和性能的稳定性。
Claims (6)
1.一种提高激光增材制造钛合金组织与性能稳定性的热处理方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1)：清理激光增材制造钛合金构件表面污渍和内部残余金属粉末；
步骤2)：将清理好的激光增材制造钛合金构件置于真空热处理炉内，进行第一阶段等温退火热处理；
步骤3)：将步骤2)得到的激光增材制造钛合金构件进行第二阶段等温退火热处理。
2.如权利要求1所述的提高激光增材制造钛合金组织与性能稳定性的热处理方法，其特征在于，所述步骤1)中激光增材制造钛合金构件的制备工艺为选区激光熔化技术或激光熔化沉积技术。
3.如权利要求1所述的提高激光增材制造钛合金组织与性能稳定性的热处理方法，其特征在于，所述步骤1)中激光增材制造钛合金构件表面污渍的清理方法为：采用酒精、无纺布擦拭。
4.如权利要求1所述的提高激光增材制造钛合金组织与性能稳定性的热处理方法，其特征在于，所述步骤1)中激光增材制造钛合金构件内部残余金属粉末的清理方法为：采用高压***清理，直到构件内部无粉末流出。
5.如权利要求1所述的提高激光增材制造钛合金组织与性能稳定性的热处理方法，其特征在于，所述步骤2)中第一阶段等温退火热处理具体为：以2～4℃/min的加热速度加热至β相转变温度Tβ～(Tβ-50℃)之间，保温2～4小时。
6.如权利要求1所述的提高激光增材制造钛合金组织与性能稳定性的热处理方法，其特征在于，所述步骤3)中第二阶段等温退火热处理具体为：以2～4℃/min的冷却速度炉冷至550℃～(Tβ-50℃)，保温2～4小时，再随炉冷却至常温。
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| CN116586635B (zh) * | 2023-05-17 | 2024-01-19 | 成都科宁达科技有限公司 | 一种提高激光选区熔覆tc4钛合金金瓷结合性能的方法 |
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