[发明专利]感应加热辅助变质剂细化激光增材制造钛合金晶粒的方法

说明书

技术领域

本发明适用于激光增材制造钛合金晶粒细化领域，涉及感应加热辅助变质剂细化激光增材制造钛合金晶粒的方法，基于激光增材制造技术，采用添加变质剂的形式细化TC4钛合金晶粒，在成形过程中加入感应加热外场，使晶粒细化更加均匀，效果更加充分，组织更加优异，各向同性程度更加接近。

背景技术

激光增材制造钛合金是近年来发展起来的一项新兴技术，该技术通过高功率激光熔化同步输送的钛合金粉末，逐点逐层堆积成形零件，克服了由于钛合金本身所具有的高熔点、高熔融态活性以及大的变形抗力的特点所带来的加工难度大、复杂零件加工技术难等缺点，在航天航空和国防制造领域被越来越多的研究和应用，但是，由于激光增材制造其即热即冷的特性难以控制，造成了其钛合金成形件组织为垂直于扫描方向的粗大柱状晶，长度贯穿多个熔覆层，而且热处理后的效果对其柱状晶的影响不明显，且其组织多为典型马氏体组织(如图1)，由于这些特点，使得激光增材制造钛合金各向异性大(可达到15％～70％)，疲劳韧性和断裂韧性低，从而严重制约其在国防工业和航空航天领域的应用。因此有必要采取一定措施细化激光增材制造钛合金晶粒，转而达到降低各向异性，提高疲劳韧性和断裂韧性的效果。

研究表明激光增材制造钛合金，由于其即热即冷的特性，且α-Ti到β-Ti的转变温度为882℃，在成形过程中，前一层熔融态到凝固态形成大量β柱状晶和少量α等轴晶，而在进行下一层熔覆时前一层的α等轴晶又会被融化，再次凝固形成β柱状晶，所以依次累加，激光增材制造钛合金沉积态的凝固组织主要由贯穿多个熔覆层呈外延生长的粗大β柱状晶组成且长度在几毫米到几十毫米之间，宽度在0.1mm～0.3mm之间，柱状晶主轴垂直于激光束扫描方向或略向扫描方向倾斜且受激光功率的影响不大，所以就形成了沿激光成形方向和水平方向的各向异性较大的现象。

发明内容

本发明的目的在于克服以上晶粒粗大而引起的各向异性的现象，提出了感应加热辅助变质剂细化激光增材制造钛合金晶粒的方法，利用感应加热辅助变质剂细化TC4钛合金晶粒，明显改善了由于变质剂混合不均，融化不均所导致的，晶粒细化分布不均，大小差异过大的缺点，进一步增强了TC4钛合金的晶粒细化程度和均匀性，提高激光增材制造TC4钛合金的力学性能，减小其各向异性。

感应加热辅助变质剂细化激光增材制造钛合金晶粒的方法，包括以下步骤：

首先，向TC4钛合金粉末中加入变质剂，使其均匀混合在钛合金粉末中；然后，将基材置于感应线圈中央位置，对基材的预成形面进行加热，直至目标温度为止；最后，开始在已加热的基材预成形面上成形TC4钛合金构件，在此成形过程中，感应线圈跟随成形提升高度同步提升，对成形件进行实时加热，直至构件成形完毕为止，感应加热温度控制在900℃～1200℃。

增材制造技术为激光增材制造技术。

感应加热辅助变质剂细化激光增材制造技术TC4晶粒。

基材材料为TC4钛合金，基材预成形面外形尺寸与预成形构件第一层成形面外形尺寸成比例，且轮廓稍大5～10mm，基材加热的目标温度为900℃～1200℃。

变质剂为B、Zr、Si、Y₂O₃或Ta。

变质剂的含量控制在成形所需钛合金粉末总质量的5％以内。

本发明的技术效果

本发明是国内首次将感应加热引入到激光增材制造钛合金晶粒细化的方法中来，辅助变质剂对激光增材制造钛合金晶粒进一步细化和均匀程度的加深。本发明规避了单一利用感应加热时，激光增材制造钛合金晶粒细化不明显的缺陷，同时，也解决了单一使用变质剂时，激光增材制造钛合金晶粒细化分布不均和大小不均的问题。两种技术相辅相成，使晶粒大小从最初的长度几毫米到几十毫米减小至0.011mm～0.018mm，宽度从最初的100um～300um减小至4.4um～6.9um，减小程度在一个数量级以上。所以，在激光增材制造钛合金中，引入感应加热辅助变质剂细化钛合金晶粒，细化程度更大，分布和大小更加均匀。

附图说明

图1无变质剂也无感应加热的激光增材制造TC4组织形貌图其中，(a)为放大100倍的组织形貌图、(b)为放大500倍的组织形貌图；

图2感应加热辅助变质剂细化激光增材制造TC4的原理图，(a)为圆柱基材、(b)矩形基材；

其中：1为感应线圈，2为送粉喷嘴，3为激光，4为成形件，5为基材：；