[发明专利]仿贝壳结构的高抗压钛合金构件和真空高能束流增材制造方法

说明书

本发明为一种仿贝壳结构的高抗压钛合金构件和真空高能束流增材制造方法，通过钛合金晶粒组织特征仿贝壳的外层角质层、中层棱柱层和内层珍珠层结构。该构件中，仿贝壳分层结构的厚度占比为：仿角质层占比2％‑5％，仿棱柱层占比85％‑90％，仿珍珠层占比8％‑10％。本发明制备的高抗压钛合金构件在微观晶粒的尺度上，仿贝壳的结构特征，完成了从柱状晶到等轴晶的均匀过渡，与常见的硬材和软材交替增材结构件，构成了在不同的尺度下的多层次微细增韧结构；本发明制备的高抗压钛合金构件突破常规只仿贝壳珍珠层的砖泥结构的思路，设计出仿贝壳角质层、棱柱层和珍珠层的三层抗压结构。

技术领域

本发明涉及仿生结构设计制造领域，具体涉及一种仿贝壳结构的高抗压钛合金构件和真空高能束流增材制造方法。

背景技术

钛合金具有相对密度小、比强度高、抗腐蚀能力优异、高温力学性能好等诸多性能，因而被广泛应用于航空航天、石油化工、机械制造等领域。传统的结构材料难以满足高抗压的性能需求，其中高压气体或液体输送需要压力管道同时具备高抗压与耐腐蚀性能，公开号为CN201820630529.5的实用新型专利公开了一种抗压性强的复合金属材料结构，通过内部的金属结构将管道输送孔的内部压力通过内部结构管扩散到中部密封管，增大了管道的抗压性能。这种外部压力通过向构件内部分散传递的方式可以增强钛合金构件的抗压性能。

由于钛合金的熔点高，化学活性较高，易被氧化，传统的铸造或者锻造技术制备钛合金结构件比较困难。真空高能束流增材技术具有热源集中、能量利用率高、真空环境等特点，在制备钛合金时具有明显优势。在钛合金增材的过程中，基板散热速度较快，在沉积层和基板的结合处形成弧状分布的等轴晶，随着沉积过程的进行，高度方向的温度梯度和热流密度很大，形成了粗大的柱状晶。公开号为CN202010282733.4的发明专利公开了激光熔丝增材制造钛合金构件组织细化和等轴晶转化方法，该方法在激光熔丝过程中同步进行逐层的超声冲击微锻造处理，解决了钛合金增材制造过程中生成粗大柱状晶的问题，但该复合技术效率低、成本高，并不适用于大尺寸、复杂结构钛合金构件的制备。公开号为CN201810506284.X的发明专利公开了一种快速细化高强韧β钛合金晶粒的工艺方法，该方法通过对β钛合金低温锻造、固溶时效处理来获得高强韧的β钛合金。由于钛合金的变形抗力大导致该合金的热加工工艺较为复杂，具有复杂结构的异质钛合金构件也难以用该方法生产。

在真空高能束流增材TC4钛合金的过程中，β相柱状晶定向生长的柱状晶穿越各个沉积层，实现了层间的冶金结合，而在后续沉积纯钛的过程中，柱状晶的生长受到了抑制，均匀地向等轴晶过渡。这种组织特征可被用来模拟贝壳的外层角质层、中层棱柱层和内层珍珠层结构，达到仿贝壳结构的高抗压钛合金构件制备的目的。

研究表明，贝壳在拥有极高的强度同时还有着较好的韧性，其与天然矿物碳酸钙相比，力学性能可以提高几个数量级，这说明贝壳良好的性能来源于其独特的多层次微结构。贝壳分为三层，分别为外层角质层、中层棱柱层、内层珍珠层。角质层主要由硬化蛋白质组成，角质层存在两个分层，上层为薄片层，片层近乎平行于贝壳表面，下层为不规则块状层。棱柱层由柱状方解石组成，方解石表面有大量微米级的孔洞且有类似于铁锈状的分层结构。珍珠层是由文石板片与有机质堆砌形成的“砖－泥”结构，棱柱层生长到珍珠层的转变几乎看不到明显的过渡界面。