[发明专利]一种激光增材制造钛合金具有梯度组织特征的方法

说明书

本发明属于金属增材制造技术领域，具体提供了一种激光增材制造(LAM)钛合金具有梯度组织的方法，该方法通过调控LAM参数中相邻道次的扫描速度(最外层采用高扫描速度，最内层采用低扫描速度)及特定扫描路径直接获得梯度组织，即最外层为细小的初生β柱状晶，最内层为粗大的初生β柱状晶，β柱状晶内部为层片状(α+β)或网篮状α相，来获得具有高强度、高塑性的LAM钛合金成形件；该发明是对LAM钛合金成形件微观组织的一种优化方法，可以解决目前LAM钛合金成形件强度与塑性不匹配的难题，本发明的思路同样适用于其他类型合金(包括钛合金、高温合金、钢铁材料、铝合金等)的成形件获得梯度组织的制备。

技术领域

本发明属于金属增材制造技术领域，尤其涉及利用激光增材制造技术制备一种具有梯度组织的钛合金的方法。

背景技术

激光增材制造(laser additive manufacturing，LAM)技术兼具精确成形和高性能成性的特点，在制备钛合金大型整体构件方面具有明显优势；由于增材制造过程中的高能束与金属粉末的短时交互作用，使得材料的凝固速率通常处于近快速凝固(10²-10⁵K/s)范围，并且由于熔池底部一般是同一材料，因此熔池金属往往以外延生长方式完成凝固过程；对于增材制造Ti-6Al-4V合金来说，其典型的组织通常由从基材外延生长的初生β柱状晶及晶内细小的α相或针状马氏体α’相组成，其成形件通常具有高的强度(屈服强度σ_s＞825MPa)和较低的塑性(延伸率δ＜8％)，这极大地限制了LAM钛合金成形件在航空航天领域的广泛应用。

为了使LAM钛合金成形件具有高强度和高塑性的特点，人们采用了众多方法来改善其强塑性，但基本都遵循“强度和塑性”的倒置关系：首先，通过调控LAM成形工艺来优化初生β柱状晶及晶内α相，从而提高其拉伸性能；其次，采用各种后续热处理(如亚临界退火、固溶+时效处理、球化热处理、特殊热处理、热等静压处理)来调控LAM 成形件微观组织和力学性能，其塑性虽有不同程度提高，但都以牺牲强度为代价；再次，通过添加合金元素来增加LAM Ti-6Al-4V合金的过冷倾向，从而促进等轴枝晶的形成；最后，采用超声波处理等辅助方法来调控晶粒形貌及大小。以上方法基本都是建立在细化晶粒或者使初生β柱状晶发生等轴化的基础上，但其结果仍基本遵循“强度和塑性”的倒置关系

研究发现金属材料具有梯度组织时能在一定程度上打破材料“强度和塑性”的倒置关系，可获得优异的强塑性，这主要源于梯度组织可以抑制应变局部化，而目前报道的梯度组织通常采用表面机械轧制等方法。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供了利用激光增材制造法制造一种具有梯度组织的钛合金的方法，包括以下步骤：

S1：选用球形Ti-6Al-4V合金粉末，粉末粒径44～250μm，将所述合金粉末放置于真空干燥箱中进行烘干处理，以减小粉末表面吸附水分对成形过程及成形件质量的影响；

S2：选择激光增材制造设备，并根据所选择的激光增材制造设备确定工艺参数范围，所述工艺参数范围的选择以制备外观质量完好，内部致密的金属试样为准；

S3：确定了工艺参数范围后，在成形加工过程中，确定激光扫描速度的容许范围，并且确保沉积道次最外层采用容许范围内的最大的扫描速度，最内层采用容许范围内的最小的扫描速度，以成形外层细晶、内层粗晶的初生β柱状晶的梯度组织，获得多道单层沉积的钛合金试样；

S4：重复所述步骤S3，以获得多层沉积的钛合金试样，即具有梯度组织特征的钛合金。

作为上述方案的进一步说明，在所述步骤S3中，沉积相邻道次的扫描速度按线性或阶梯状变化，并且其扫描路径为线形或圆形。

作为上述方案的进一步说明，对所述步骤S4中获得多层沉积的钛合金试样进行固溶时效热处理，以调控所述梯度组织中初生β柱状晶内部α相的形态、宽度及分布情况。