[发明专利]基于钛合金与碳化硼颗粒错配度的增材制造冶金组织调控方法

说明书

本发明涉及一种基于钛合金与碳化硼颗粒错配度的增材制造冶金组织调控方法，属于增材制造技术领域。在增材制造前在钛合金粉末中充分混合一定比例B₄C颗粒，其中B₄C与钛合金粉末的中值粒径不同即错配度不同，由于钛合金粉末中混合B₄C粒径存在差异，高温熔化过程中发生原位自生反应，此过程各自产生不同程度的物理及化学变化，改变了钛合金熔化到凝固过程中形核的方式和晶粒的生长行为，使得增材制造钛合金的显微组织发生明显的变化。与未进行错配度控制的相比，通过调控错配度，使得增材制造钛合金显微组织得到明显改善，初始柱状β晶粒改变为等轴的β晶粒并且错配度的不同β晶粒得到了不同程度的细化。

技术领域

本发明属于增材制造领域，涉及对增材制造钛合金组织微观调控技术，特别涉及一种基于钛合金与碳化硼颗粒错配度的增材制造冶金组织调控方法。

背景技术

增材制造(Additive Manufacturing，AM)技术是材料离散堆积的方法制造实体零件的技术，相对于传统的材料去除一切削加工技术，是一种“自下而上”的制造方法增材制造，可快速而精密地制造出任意复杂形状的零件，精简制造工序，缩短了成品周期。热源种类包括激光、电弧、等离子、电子束等，涉及材料形式包括粉末和丝材，虽然使用的热源和材料不同但其凝固过程的冶金特征基本相同。此项技术目前在汽车工业、航天航空、医疗器械等多个领域都得到了广泛的应用。

增材制造虽然有众多优点但是增材制造的钛合金(以TC4为例)的微观组织形态为粗大β晶粒，晶内含有众多的针状马氏体，力学性能很差。如何调控钛合金的微观组织，细化晶粒，改善性能，成为人们的关注焦点。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于钛合金与碳化硼颗粒错配度的增材制造冶金组织调控方法，使用不同错配度的混合钛金粉末，通过送粉工艺或者铺粉工艺制备出增材制造的钛合金沉样件，使增材制造钛合金的原始柱状β晶粒不同程度的等轴化及细化，由此改善增材制造钛合金的力学性能。

为改善增材制造原始钛合金的组织而使其具有更好的性能，现在钛合金粉末中引入少量的B₄C颗粒，通过调节钛合金粉末和不同粒径B₄C颗粒的混合(利用Ti和B₄C在熔池内发生的原位自生反应的化学变化以及不同B₄C在熔池内的物理作用)，改变了形核和生长的方式，从而改善其组织。经过大量的实验研究，发现不同粒径B₄C颗粒，使β晶粒得到了不同程度的细化，因此提出了错配度的概念。

钛合金粉末与B₄C颗粒发生原为反应生成TiB+TiC的化学反应如下式所示：

5Ti+B₄C→4TiB+TiC

错配度的定义：钛(Ti)合金粉末与B₄C粉末的中值粒径(D50)的比值，用φ表示。

大量试验研究表明：错配度φ存在两个临界值，分别为φ_微临界＝1.25和φ_纳临界＝750。这两个临界值是柱状晶与等轴晶的分水岭，即错配度φ大于或小于相应临界值时，合金的晶粒形状不同。其中φ_微临界为添加微米级B₄C颗粒时，出现等轴转变时的错配度临界值；φ_纳临界为添加纳米级B₄C颗粒时，出现等轴转变时的错配度临界值。

当错配度φ≤φ_微临界或者φ≥φ_纳临界时，增材制造钛合金的组织，在B₄C颗粒的作用下，晶粒由粗大的柱状晶转变为细小的等轴晶；当φ_微临界＜φ＜φ_纳临界时，增材制造钛合金组织为柱状晶，B₄C颗粒失去了促进等轴转变的能力和晶粒细化的能力。