[发明专利]一种航空用钛合金复杂构件的增材制造和热处理组织调控方法

说明书

本发明公开了一种航空用钛合金复杂构件的增材制造和热处理组织调控方法，为一种降低各向异性、调控微观组织的航空用钛合金构件的制备方法，包括增材制造航空用TI6AL4V钛合金构件的步骤和对构件进行双重热处理的步骤。通过本发明提供的方法可以获得高性能钛合金增材制造构件，抗拉强度在1055MPa以上，延伸率在15％以上。本发明能够显著降低钛合金构件各向异性、满足航空钛合金承力部件的需求；改善现有的增材制造热处理工艺的组织调控能力较弱、塑性较低、内部应力较大等关键问题，对航空航天钛合金材料构件的增材制造和热处理制度制定具有重要的指导意义。

技术领域

本发明属于金属激光增材制造技术领域，具体涉及一种航空用钛合金复杂构件的制备方法，尤其涉及一种航空用钛合金复杂构件的增材制造和热处理组织调控方法。

背景技术

激光选区熔化(SLM)技术采用精细聚焦光斑快速熔化预置的金属粉末，通过逐层铺粉，逐层熔化凝固堆积的方式，理论上可直接获得任意形状，以及具有完全冶金结合的复杂零件，致密度可接近100％，成形精度为20～50μm，是一种极具发展前景的增材制造技术，其应用范围已拓展到航空航天、医疗、汽车、模具等领域。目前应用最成熟的SLM加工材料是TI6AL4V合金，这是一种性能优良的经典(α+β)双相钛合金。SLM方法制造具有的高加热和冷却速率、高梯度热应力等特点。虽然其极限抗拉强度可达1200～1300MPa，但其塑/韧性仍然较低，在某些情况下其断裂延伸率甚至低于5％，这与沉积态的微观组织中存在大量细长针状马氏体组织有密切关系，因此通过对其微观组织进行有效调控，必然会大幅度改善钛合金材料的综合力学性能，扩大应用领域。

近年来，国内外众多研究学者都相继发现，通过改善热处理制度可以提高激光快速成形钛合金构件的综合力学性能，对TI6AL4V成形构件进行热处理后，组织由马氏体转变为厚片层组织，这使材料表现出比沉积态样品更好的延展性，但是，更好的延展性通常对应强度的大幅下降。这些研究都说明激光成形钛合金构件显微组织和力学性能对热处理工艺的敏感性很高，但由于激光熔化沉积制备的钛合金零件的凝固组织及显微组织与传统锻造钛合金存在很大的差异，其凝固过程及热处理工艺必然有其特殊性，需探寻一种通过组织调控得到材料的强度、延展性最佳组合的热处理工艺。

现有专利201510508138.7中公开了一种TI6AL4V钛合金激光选区熔化增材制造及热处理方法，其包括TI6AL4V钛合金构件激光选区熔化制造工艺及后续双重退火热处理工艺。其采用的双重退火热处理的条件为：780～820℃保温1.5～2h后空冷至室温；再530～550℃保温2～3h后再空冷至室温。但该方法无法获得精细(α+β)相均匀分布的组织。且该方法采用空冷，使得其力学性能仍较差、各向异性较高。

因此，选择在α+β两相区进行固溶处理，使用快冷来限制α晶粒生长，以更好地控制晶粒生长和碎裂程度。得到综合性能更好的片层组织，同时采用时效处理消除固溶处理产生的不稳定α'相，能够有效调控快速凝固组织，改善材料的综合力学性能。

发明内容

本发明的目的在于提供一种航空用钛合金复杂构件的增材制造和热处理组织调控方法。采用双重热处理调控沉积态组织后，材料会在较高的固溶温度下大尺寸马氏体分解成为以β相为基体的片层α相，与此同时部分小马氏体转变为亚稳β相。保温结束后快速水冷，其较高的冷却速率会抑制片层α相的进一步长大，同时部分β相基体转变成α'马氏体；为了避免α'马氏体的脆性和高温不稳定，设计出第二重热处理，使α'马氏体转变为α+β两相细小片层组织，通过这种结构可以获得进一步增加的强度。从而改善增材制造金属样品中存在的塑性差，气孔多以及残余应力大等难题，热处理后材料抗拉强度达1055MPa以上，延伸率提升至15％以上。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

本发明提供了一种航空用钛合金复杂构件的增材制造和热处理组织调控方法，包括增材制造航空用钛合金构件的步骤和对构件进行双重热处理的步骤。

优选地，所述增材制造航空用钛合金构件的步骤具体如下：