[发明专利]一种基于激光原位冶金的高温钛合金材料高通量制备方法

说明书

本发明提供一种基于激光原位冶金的高温钛合金材料高通量制备方法，包括如下步骤：1）以钛合金为基础成分，掺加稀土和/或高熔点元素，一次性设计多种成分配比的新型高温钛合金；2）通过在同轴送丝激光加工头输出镜周围对称配备多个侧向送粉头和多个与所述侧向送粉头一一对应的独立的粉末流量监测模块进行送丝、送粉；3）根据配置好的送丝速度和送粉速度进行送丝、送粉，同时启动激光器，根据至少一组预设工艺参数使高能环形激光束原位熔融丝和粉，高通量成形以得到块状所述多种成分配比的不同的新型高温钛合金的铸锭；4）将所述高温钛合金的铸锭进行高温压缩测试，测定抗压强度，据此优化设计高温钛合金成分。

技术领域

本发明涉及激光增材制造产品及方法，尤其是涉及一种基于激光原位冶金的高温钛合金材料高通量制备方法。

背景技术

高温钛合金具有优良的高温力学性能和高温抗氧化性能，尤其在航空发动机运转时高温、高速、高压的恶劣工况下，可兼顾高温性能和高推重比，是航空航天领域中不可缺少的一种结构材料。美国、俄罗斯和英国等都已经建立了自己的高温钛合金体系，我国也从最初的仿制到自主研发Ti60、 Ti600等合金，其长时使用温度可达600℃。600℃也被认为是传统高温钛合金的“热障”温度。但随着航空航天技术的发展，传统的高温钛合金已经无法满足先进飞行器对轻质耐热结构材料的需求，因此开发一种新型高温钛合金迫在眉睫。

大量的高温钛合金研制经验表明新型高温钛合金从合金化和改进热处理工艺方面提升其耐热性能潜力越来越小，研制重心应该在合金组元成分的精细调控和其制备工艺的改进上。对于钛合金而言，稀土元素能够和钛合金中的O结合形成稀土氧化物，不仅能起到净化基体的作用而且稀土氧化物还能细化晶粒，抑制α2相的析出，从而提高其高温性能；除加入稀土元素外加入适量的难熔金属，也能提高钛合金使用温度。目前高温钛合金大多属于Ti-Al-Sn-Zr-Mo-Si系近α钛合金，因此可以通过在近α钛合金中加入稀土元素和难熔金属研制新型高温钛合金。传统的熔炼、铸造和锻造工艺在控制成分均匀和杂质含量等方面本身就有很大难度，且一次仅能制备一种成分配比的合金，这严重制约了新型高温钛合金的研制设计效率。因此如何加快新型高温钛合金的开发设计速度亟待解决。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于激光原位冶金的高温钛合金材料高通量制备方法。

激光原位冶金技术可利用高能激光束将金属、金属化合物丝材或粉末快速原位熔融，得到具有一定性能的金属材料。其在控制成分和杂质含量方面有独特的优势。故本申请基于激光原位冶金技术研发了一种高温钛合金材料的高通量快速制备方法。

本发明的基于激光原位冶金的高温钛合金材料高通量制备方法，具体包括如下步骤：

1）以钛合金为基础成分，掺加稀土和/或高熔点元素，一次性设计多种成分配比不同的新型高温钛合金。具体的，例如以Ti-Al-Sn-Zr-Mo-Si系钛合金为基础成分，加入能提高钛合金高温性能的难熔金属，如W、Ta、Hf等，和能够形成高稳定粒子进行强化的稀土元素，如Nd、Y、Ce、La、Gd、Er等，一次性设计多种成分配比不同的新型高温钛合金；

2）通过在同轴送丝激光加工头输出镜周围对称配备多个侧向送粉头和多个与所述侧向送粉头一一对应的独立的粉末流量监测模块；装填钛丝至送丝机驱动装置，并在多个侧向送粉头的每个侧向送粉头中分别装填一种合金元素粉末以使每个所述侧向送粉头对应输送一种合金元素；准备进行送丝、送粉，粉末流的汇聚效应实现同轴输送钛元素的丝材和其他各合金元素的粉末至基板；

其中，基板上阵列地设置有多个铸锭成形部，每个铸锭成形部从上至下依次设有坩埚、闸门和铸模，通过所述闸门的开闭用于将所述坩埚和铸模导通或者隔离；