[发明专利]基于双电子束的TC4钛合金增材制造构件应力缓释方法

说明书

技术领域

本发明涉及增材制造技术领域，具体指一种基于双电子束的大尺寸TC4钛合金增材制造构件应力缓释控制方法。

背景技术

TC4钛合金的材料组成为Ti-6Al-4V，属于(α+β)型钛合金，其具有良好的耐蚀性、低密度、高比强度，优良的韧性和高温力学性能及焊接性等一系列优点，在航空航天、石油化工、造船、汽车、医药等部门都得到成功的应用。特别，随着航空航天领域对钛合金需求量日益突出，使得钛合金增材制造作为一种节约、高效的技术成为未来钛合金制造的主要方向。

但与此同时，因TC4钛合金相变体积效应小，相变导致的晶体结构体积变化产生的应力所占比重很小，几乎可以忽略。因此，钛合金焊接与增材制造的主要问题与难点如下：

第一，钛合金高温熔池极易被氧化。鉴于钛合金活性较大，在高温下，钛合金极易与氧、氮、氢等元素进行反应，造成气孔、裂纹等缺陷。

第二，钛合金熔覆层应力集中易变形。由于钛合金导热性较差，焊缝及热影响区在热源作用下因受热与冷却速度不同会产生热应力，这是造成钛合金构件应力过大的直接原因。另一方面，常规的增材制造工艺冷却速度极快，由于缺乏必要的冷却速度控制措施使得凝固后组织主要由塑性较差的α′马氏体相组成(如附图1所示)，α′马氏体相由于溶质元素的过饱和固溶使得其晶格畸变严重，造成了其硬脆的特点，这就导致了凝固后熔覆层的应力无法得到缓释。进一步，由于单层的应力无法得到及时的改善，在后续的增材制造过程中每一层的应力效果便会积累下来，当尺寸较大时发生构件变形，甚至出现开裂，导致了大尺寸件制造困难。这是造成钛合金构件应力过大的间接原因(如附图2所示)。

针对钛合金增材制造的上述主要难点，以真空电子束作为热源，有利于防止在增材制造过程中钛合金的氧化。在此基础上如果采用某种方法，一方面可以降低热应力，另一方面又可以减少α马氏体相含量，增加塑韧性较好的α相与β相含量，通过实时地改善构件整体塑性对应力进行缓释，这将对突破大尺寸钛合金增材制造件关键技术瓶颈具有重要的指导意义。

经对现有技术的文献检索发现，《中国有色金属学报》2007年第10期发表了胡美娟的一篇题为″12mm厚钛合金平板电子束焊接的数值模拟″的文章。文中采用了ANSYS有限元软件对12mm厚钛合金平板电子束焊接温度场与应力场进行了模拟，其实验结果与模拟结果吻合较好。但其仅对单束电子束焊接过程进行了模拟。在《敦煌国际焊接学术论坛》2004年发表的陈芙蓉的一篇题为″TC4钛合金焊后电子束局部热处理温度场数值模拟″的文章。其中模拟了利用电子束对焊后接头进行局部热处理，其仅讨论了温度场的特点。又《清华大学学报》2008年第5期发表了尹昕的一篇题为″双束电子束焊接温度场的数值模拟″的文章。文中提出了一种双束电子束焊接工艺，并对双热源耦合作用对温度场的影响进行了模拟，但其并没有涉及或提及通过控制相变过程对应力进行缓释控制的思路。由检索结果可知，在增材制造过程中利用双电子束中辅束能量的精确控制通过相转变控制以实现缓释熔覆层应力集中的方法还未见报道。

发明内容

本发明的目的在于有效地缓释熔覆层应力以解决大尺寸件的应力累积效应问题，提出了一种大尺寸TC4钛合金增材制造构件应力实时缓释的控制方法。

本发明的技术思路(如附图3所示)，基于在增材制造过程中对电子束进行分束，其中，高能量主束熔化焊丝形成熔池，低能量辅束对刚凝固的熔覆层进行快速扫描加热。结合电子束能量精确可控的特点，利用双束缓冷控制熔覆层凝固过程温度循环曲线。一方面通过辅束降低由主束形成的温度梯度，以使熔覆层及附近加热区各部位塑性变形量均匀，减小热应力；另一方面通过延长α+β双相区停留时间(附图1中冷却速度降低可以实现延长α+β双相区停留时间)，增加α与β相含量，抑制α马氏体相来提高构件整体塑性，以改善钛合金构件变形能力。通过两方面综合作用实现钛合金增材制造单层熔覆层残余应力的降低与缓释。在第一层应力得到实时改善的基础上，在后续的增材制造过程中利用该方法逐层实时改善应力，这将极大地削弱层与层叠加造成的应力累积效应，最终获得低应力的增材制造构件。

本发明一种基于双电子束的大尺寸TC4钛合金增材制造构件应力缓释方法的技术方案如下：