[发明专利]一种采用选择性激光熔化快速成形技术制备高温钛合金的方法有效
申请号: | 201510660569.5 | 申请日: | 2015-10-14 |
公开(公告)号: | CN105154701B | 公开(公告)日: | 2017-08-18 |
发明(设计)人: | 史玉升;周燕;滕庆;魏青松;周旭;李伟;赵晓 | 申请(专利权)人: | 华中科技大学 |
主分类号: | C22C1/04 | 分类号: | C22C1/04;C22C14/00;B22F3/105;B22F9/08 |
代理公司: | 华中科技大学专利中心42201 | 代理人: | 梁鹏 |
地址: | 430074 湖北*** | 国省代码: | 湖北;42 |
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摘要: | |||
搜索关键词: | 一种 采用 选择性 激光 熔化 快速 成形 技术 制备 高温 钛合金 方法 | ||
技术领域
本发明属于增材制备技术领域,更具体地,涉及一种采用选择性激光熔化快速成形技术制备高温钛合金的方法。
背景技术
钛合金因具有比强度大、韧性高、抗腐蚀性好、无磁性等突出特性,在航空航天、军事化工、医疗等领域有着广泛的应用。例如,在航空航天领域,钛合金是继钢铁和铝合金以后,应用于该领域的又一种新型轻质结构材料。它的应用水平已成为衡量飞机选材先进程度的一个重要标志。作为飞机机体和发动机减重效果良好的重要结构材料之一,近50年来钛合金在商用及军用飞机领域的用量伴随各自产品的升级换代呈稳步增长趋势;在航天工业中,因钛合金集航天产品所需的特质于一身,在制造燃料储箱、火箭发动机壳体、火箭喷嘴导管、人造卫星外壳等方面得到了典型应用。
钛合金的应用以航空发动机部件为例,它须在高温、复杂应力、气流冲刷、高速振动等苛刻环境下服役,因此,对其性能的要求非常严格。且随着航天工业发展和航天器飞行速率的提高,壳体温度高达550~700℃,成熟的TC4和TA15合金已不能满足设计需求。因此,必须采用强度、塑性、韧性、蠕变和疲劳性能之间良好匹配,且在服役温度下具有良好的高温抗氧化性和组织稳定性的钛合金。近年来,由中科院金属所、宝钛集团和北京航空材料研究院共同研制并改进的钛合金TA12(Ti55),其合金名义化学成分为Ti-5.5Al-3.5Sn-3Zr-0.7Mo-0.3Si-0.4Nb-0.4Ta,合金的电子浓度保持在2.12附近,保证了材料的热稳定性,从而满足实际应用需求。
另一方面,随着航空航天技术的发展,其零件构造越来越复杂,力学性能要求越来越高,重量却要求越来越轻,通过传统工艺很难制造且生产周期长,成本高。以上述钛合金TA12为例,采用熔焊焊接时焊缝开裂倾向比传统TC4,TA15等合金大,因此焊接过程控制难度较大。而传统的铸造尤其是精密铸造成形,一方面需要事前制作模具,因此导致生产周期长,增加了成本;另一方面,由于钛合金熔点高、化学活性高等,容易与模壳材料发生化学反应,铸造难度大。因此,亟需一种新型的钛合金成形方法。
近年发展起来的3D打印(增材制造)技术是一种基于材料逐层堆积的新型制造技术。该技术将复杂的三维加工转变为简单的二维加工,大大降低了复杂零件的成形难度,从而有望解决传统加工技术无法完成的复杂结构件的成形难题,满足钛合金成形的需求。
3D打印技术因采用激光选择性熔化、烧结粉末,所以对粉末的流动性、含氧量及粒径分布有特殊要求,因此,上述钛合金TA12粉末虽可用于铸造,但直接应用于3D打印成形仍存在问题。另外合金中的元素物性差别较大,在高能量激光的作用下低熔点的元素容易因蒸发导致成分偏析,影响零部件性能等。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求,本发明提供了一种采用选择性激光熔化快速成形技术制备高温钛合金的方法,旨在制备出适合于3D打印用的TA12粉末,并采用3D打印技术成形出复杂结构的零部件,实现形状结构复杂的高温钛合金零部件快速制造的目的。
为实现上述目的,按照本发明,提供了一种采用选择性激光熔化快速成形技术制备高温钛合金的方法,其特征在于,包括以下步骤:
(1)根据钛合金的名义化学成分中各元素的质量比例,配置各元素的粉末,并将这些元素的粉末混合,随后将混合的粉末进行真空感应熔炼;
(2)采用气雾化制粉法对步骤(1)中熔炼形成的钛合金进行制粉;
(3)在计算机上建立零件三维模型,将所述零件三维模型转成STL格式并导入到选择性激光熔化快速成形设备中;
(4)将步骤(2)制得的粉末置入到选择性激光熔化快速成形设备里,并在选择性激光熔化快速成形设备的基板上进行零件成形;
成形过程中采用激光重熔扫描策略,同时基板温度为150~350℃,以降低成形过程中的温度梯度,减小零件中的残余应力,从而抑制裂纹;
零件成形过程中采用激光重熔扫描策略,而且基板温度在150~350℃,以降低成形过程中的温度梯度,减小零件中的残余应力;其中,激光重熔扫描策略是指在完成第一次扫描成形后,第二次针对弥散强化相富集的熔池边界再扫描一次,则在激光热量的作用下,熔池边界的弥散强化相随重熔的合金流动到熔池内,从而减少了在熔池边界的聚集,以实现弥散强化相在钛合金基体中的弥散均匀分布;另一方面,第一次扫描后部分球化的颗粒在第二次扫描的作用下重新熔化,从而能降低零件的球化程度;
(5)采用线切割工艺将成形的零件从所述基板上分离,再将零件置于马弗炉中进行退火,以提高钛合金的塑性和韧性。
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