[发明专利]一种减少选区激光熔化打印钛铝合金中裂纹的方法

说明书

本发明公开了一种减少选区激光熔化打印钛铝合金中裂纹的方法。该方法的步骤如下：(1)利用含有高铌成分的钛铝合金棒材，在惰性气体保护下制备高铌钛铝合金球形粉末，该粉末中铝元素含量为43‑49at％，铌元素的含量为6‑9at％，微量元素含量不超过2at％，其余为钛元素；(2)在高纯惰性气体保护下进行选区激光熔化成形钛铝合金，所使用的扫描速度≥1000mm/s，粉末层厚为20‑40μm；(3)待成形结束，自然冷却后获得钛铝合金成形件，其微观结构均一化为α₂相且α₂相所占体积分数≥90％。本发明的方法减少了不同相区之间由于热膨胀系数差异引起的残余应力，钛铝合金微观结构表现出高强韧性，且晶粒细小，从而抑制裂纹产生。

技术领域

本发明涉及一种减少选区激光熔化打印钛铝合金中裂纹的方法，属于金属材料3D打印领域。

背景技术

钛铝基金属间化合物由于其高蠕变和抗氧化性，高弹性模量和低密度被认为是镍基高温合金的理想替代者，是超高音速飞行器和先进航空发动机的首选材料，已经逐步应用于航空航天、汽车工业等领域，是目前轻量化高温合金的研究重点。但钛铝基金属间化合物室温塑性差，成形难度高，成形困难。目前国内主要的加工方式是精密铸造，然后通过热等静压消除缩孔的方式。但铸锭技术存在成分偏析和组织不均匀性问题，且铸造表面质量差，需要二次机加工，费用昂贵。

激光选区熔化(Selective Laser Melting,SLM)是增材制造技术的一种，基于三维模型，通过激光的连续熔化粉层，实现零件的近净直接成形。该技术无需模具，具有原料利用率高，生产周期短，适合小批量小尺寸、结构复杂(镂空、带冷却流道)零件的直接成形。该工艺要求粉末球形度较高以保持较好的流动性，且在惰性气体保护下进行以防止氧化。因此，SLM技术很适合具有复杂形状钛铝合金零件的成形，但是SLM中超高的冷却速度会产生较大的热应力，会产生孔隙、裂纹、表面粗糙等缺陷。

金属的微观结构能够显著影响其力学性能，选区激光熔化超高的冷却速度使得所成形的钛铝合金的微观结构主要以α₂相为主，另外存在一定量的γ相和B2相(其含量则受合金微观元素影响较大)。而α₂相和γ、B2相的热膨胀系数存在较大差异，SLM独特的反复加热过程会加剧这一影响，引发不同相区间的变形差，产生极大的残余应力，类似于疲劳加载过程，因此选区激光熔化成形的钛铝合金极易产生裂纹缺陷。如文献研究中(Inter JRefract Met Hard Mater，2020年，91卷，第105247页)，在100℃的预热温度下通过SLM技术成形Ti-47Al-2Cr-2Nb(at.％)，第三层沉积时即产生裂纹。目前，已有的钛铝合金的选区激光熔化成形研究均面临裂纹难以消除，打印件易开裂的难题。因而对于减少选区激光熔化成形钛铝合金裂纹的研究，仍未取得明显进展。

发明内容

本发明的目的在于克服以上现有技术的不足，提供一种减少选区激光熔化打印钛铝合金中裂纹的方法，通过提高铌元素的含量，配合高扫描速度(有利于形成α₂相)，使钛铝合金在选区激光熔化成形中的凝固组织趋向于α₂单相化，可以减少不同相区之间的残余应力。铌可以占据α₂-Ti₃Al中钛原子位置，提高α₂相的变形能力，也有助于提高钛铝合金的强韧性。此外，扩散系数低的微量元素的添加，可以抑制晶粒长大，起到细化晶粒的作用。因此，通过单相化微观结构减少残余应力，以及提高基体相强韧性和细化晶粒，可以实现抑制选区激光成形钛铝合金中裂纹产生的效果。

为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案如下：

一种减少选区激光熔化打印钛铝合金中裂纹的方法，其步骤如下：

(1)利用含有高铌成分的钛铝合金棒材，在惰性气体保护下制备高铌钛铝合金球形粉末，所述高铌钛铝合金球形粉末中铝元素含量为43-49at％，铌元素的含量为6-9at％，微量元素的含量不超过2at％，其余为钛元素；