一种激光同步送粉制备TC4/TiAl梯度材料的方法与流程

本发明提出一种激光同步送粉制备tc4/tial梯度材料的方法，属于先进制造技术领域，主要用于解决现有制备过程中由于温度梯度高、残余应力大导致宏观裂纹产生，难以在tc4基板上制备tial合金的问题。

背景技术：

随着科学技术进步和航空航天工业的飞速发展，现代结构材料正在向兼具高的“强度/重量比”和“高断裂韧性”的方向发展。航空航天器飞行距离的不断增加，使得不断提高发动机推重比成为了航空航天发动机设计和制造的重要目标。

钛合金是航空航天领域广泛应用的轻质结构材料，且具有较高耐蚀性、强度高等特点，常规钛合金的工作温度一般在400℃左右，当温度继续上升时对于工作部件的性能就会有所影响，限制了其在发动机高温部件中的使用。

tial合金具有高比强度、高蠕变抗力、优异的抗氧化性和阻燃性能，可在700℃～900℃的条件下长期工作，是一种很有发展潜力的轻质高温结构材料，可广泛应用于航空发动机或汽车的高温部件如叶片、涡轮盘和气门阀等。

激光同步送粉增材制造技术是一种先进的数字化添加材料成形技术，该技术通过高功率激光束熔化金属粉末，在成型基板上逐层堆积材料，可以直接由cad模型得到近终形零件。与传统去材制造、锻压、铸造等技术相比，具有材料利用率高、省去模具成本、设计制造周期短、可制造传统技术无法实现的复杂构件等优势。因此，采用激光同步送粉增材制造技术，将钛合金和tial合金连接起来，用于制造双合金结构发动机，可以大幅度减轻发动机的重量，进一步提高发动机的性能。

由于tial合金室温延性低，加工成形非常困难，钛合金和tial合金直接连接会在界面处产生硬脆相，进而发生开裂，解决这一问题的关键是如何减小残余应力，改善界面区的组织，抑制硬脆相的生成。目前还未见相关报道。

技术实现要素：

发明目的：

本发明的目的是提出一种激光同步送粉制备tc4/tial梯度材料的方法，主要用于解决现有制备过程中温度梯度高、残余应力大导致宏观裂纹产生，难以在tc4基板上制备tial合金的问题。

技术方案：

一种激光同步送粉制备tc4/tial梯度材料的方法，该方法包括以下步骤：

步骤一：将tc4合金粉末和tial合金粉末按四种质量分数比例混合，得到四组混合合金粉末，四组tc4合金粉末和tial合金粉末混合的质量分数比，分别为4：1、3：2、2：3和1：4；

步骤二：去除tc4钛合金基板氧化膜，并对基板表面除油处理，然后将tc4钛合金基板放入激光同步送粉增材制造设备中；

步骤三：将步骤一中得到的四组混合合金粉末放入真空干燥箱进行干燥处理以获得干燥粉末；

步骤四：在激光同步送粉增材制造设备中，采用激光同步送粉增材制造的方法在经步骤二除油处理的tc4钛合金基板上自下而上依次利用步骤一中的四组混合合金粉末制备80％tc4+20％tial、60％tc4+40％tial、40％tc4+60％tial和20％tc4+80％tial四种梯度层，最后在梯度层上制备100％tial层，得tc4/tial梯度材料；

步骤五：将步骤四种得到的tc4/tial梯度材料在惰性气体保护下，进行整体去应力退火，退火温度为：500～800℃，退火时间为：3～8h。

步骤一中所述tial合金粉末为ti-48al-2cr-2nb合金粉末。

步骤一中所述合金粉末为球形或近球形，粒径分布为50～150μm。

步骤四激光同步送粉增材制造的方法中激光功率为1000w～2000w，扫描速度为4～10mm/s，送粉速度为5～10g/min，搭接率为40～60％。

步骤四中四种梯度层，每种梯度层厚度为1～3mm。

步骤四中100％tial层厚度为1～3mm。

制备步骤四中的每个层时，分多层制备，每层层厚为0.4～0.8mm，直至满足该层厚为1～3mm为止。

优点效果：

一种激光同步送粉制备tc4/tial梯度材料的方法，具体为：

步骤一：将tc4合金粉末和tial合金粉末分别按照质量分数比为4：1、3：2、2：3和1：4称取后机械混合2h，得到混合粉末；

步骤二：用电磨机打磨tc4钛合金基板表面，以去除氧化膜，并用酒精擦拭基板表面除油，然后放入激光3d打印设备中；

步骤三：将合金粉末放入真空干燥箱进行干燥处理，然后采用气动送粉器将合金粉末送入激光熔覆头中；

步骤四：采用激光同步送粉增材制造的方法在tc4钛合金基板上依次制备80％tc4+20％tial、60％tc4+40％tial、40％tc4+60％tial、20％tc4+80％tial四种梯度层，每种梯度层厚度为1～3mm，最后在梯度层上制备100％tial，厚度为1～3mm；

步骤五：将得到的tc4/tial梯度材料在惰性气体保护下，进行整体去应力退火，退火温度为：500～800℃，退火时间为：3～8h，随炉冷却。

本发明采用激光同轴送粉增材制造技术制备tc4/tial梯度材料，激光增材在制备梯度材料时具有以下优势：激光束能量密度高，可以快速加热、快速冷却，得到成形件的组织细小、性能高；该技术在材料组成、凝固组织、外形尺寸等控制上具有极大的柔性，可以制备出不同位置的成分、相及组织均不同的功能梯度材料或多材料组合结构。

本发明采用激光同轴送粉增材制造技术制备tc4/tial梯度材料，最关键的就是通过设计添加多种由不同成分比例的tc4和tial合金的混合粉末组成的梯度层，使ti元素和al元素均匀过度，减小了残余应力，改善了界面组织，避免了裂纹的产生(如图2所示)，实现钛合金和tial合金的连接，使零部件的使用温度由400℃左右提高到700℃以上，提高了热端部件的高温使用性能。

附图说明

图1为本发明一种激光同步送粉制备tc4/tial梯度材料的制造方法的增材制造示意图；

图2为tc4/tial梯度材料的显微图像。

具体实施方式：

一种激光同步送粉制备tc4/tial梯度材料的方法，该方法包括以下步骤：

步骤一：将tc4合金粉末和tial合金粉末按四种质量分数比例混合，得到四组混合合金粉末，四组tc4合金粉末和tial合金粉末混合的质量分数比，分别为(前面为tc4合金粉末、后面为tial合金粉末)4：1、3：2、2：3和1：4称取后机械混合2-3h；

步骤二：用电磨机打磨tc4钛合金基板表面，去除tc4钛合金基板氧化膜，并用酒精擦拭并对基板表面除油处理，然后将tc4钛合金基板放入南京中科煜宸激光技术有限公司生产的ldm8060激光同步送粉增材制造设备中；

步骤三：将步骤一中得到的四组混合合金粉末放入真空干燥箱进行干燥处理1-2h以获得干燥粉末，然后采用气动送粉器将干燥后的混合合金粉末送入激光熔覆头中；

步骤四：在激光同步送粉增材制造设备中，采用激光同步送粉增材制造的方法在经步骤二除油处理的tc4钛合金基板上自下而上依次利用步骤一中的四组混合合金粉末制备80％tc4+20％tial、60％tc4+40％tial、40％tc4+60％tial和20％tc4+80％tial四种梯度层，最后在梯度层上制备100％tial层，得tc4/tial梯度材料；

步骤五：将步骤四种得到的tc4/tial梯度材料在惰性气体(氩气浓度99.99％)保护下，进行整体去应力退火，退火温度为：500～800℃，退火时间为：3～8h。

步骤一中所述tial合金粉末为ti-48al-2cr-2nb合金粉末。

步骤一中所述合金粉末(tc4粉末和tial合金粉末)通过气雾化法制备而得(直接利用的现有方法制备的粉末，tc4粉末和tial粉末都是气雾法制备的，另外这种粉末我们是直接买的，生产厂商是用气雾法制备的，我们就是把两种粉末按不同比例混合)，所述气雾化法制备得到的合金粉末为球形或近球形，粒径分布为50～150μm。

步骤四激光同步送粉增材制造的方法中激光功率为1000w～2000w，扫描速度为4～10mm/s，送粉速度为5～10g/min，搭接率为40～60％。

步骤四中四种梯度层，每种梯度层厚度为1～3mm。

步骤四中100％tial层厚度为1～3mm。

制备步骤四中的每个层时，分多层制备，每层层厚为0.4～0.8mm，直至满足该层厚为1～3mm为止。

以下将结合实例对本发明技术方案进一步详述：

实施例1：

该方法的步骤是：

步骤一：将tc4合金粉末和ti-48al-2cr-2nb合金粉末分别按照质量分数比为4：1、3：2、2：3和1：4称取后机械混合2h，得到混合粉末，两种粉末粒度为50～150μm；

步骤二：用电磨机打磨tc4钛合金基板表面，以去除氧化膜，并用酒精擦拭基板表面除油，然后放入激光3d打印设备中(南京中科煜宸激光技术有限公司生产的ldm8060激光同步送粉增材制造设备)，tc4基板尺寸为100mm×100mm×10mm；

步骤三：将步骤一种的合金粉末放入真空干燥箱进行150℃/2h的干燥处理，然后采用气动送粉器将合金粉末送入激光熔覆头中；

步骤四：采用激光同步送粉增材制造的方法在经步骤二处理的tc4钛合金基板上成形5层80％tc4+20％tial梯度层(每层厚度为0.4㎜，使得总厚度为2㎜)，激光成形参数为激光功率1800w、扫描速度10mm/s、送粉速度7g/min；再成形5层60％tc4+40％tial梯度层(每层厚度为0.4㎜，使得总厚度为2㎜)，激光成形参数为激光功率1600w、扫描速度500mm/min、送粉速度7g/min；再成形5层40％tc4+60％tial梯度层(每层厚度为0.4㎜，使得总厚度为2㎜)，激光成形参数为激光功率1600w、扫描速度500mm/min、送粉速度7g/min；再成形5层20％tc4+80％tial梯度层(每层厚度为0.4㎜，使得总厚度为2㎜)，激光成形参数为激光功率1400w、扫描速度420mm/min、送粉速度5g/min；最后在梯度层上成形5层100％tial，每层厚度为0.45mm；搭接率为40％。

步骤五：将得到的tc4/tial梯度材料在惰性气体(氩气浓度99.99％)保护下，进行整体去应力退火，退火工艺为600℃×3h，随炉冷却。

实施例2：

该方法的步骤是：

步骤一：将tc4合金粉末和ti-48al-2cr-2nb合金粉末分别按照质量分数比为4：1、3：2、2：3和1：4称取后机械混合3h，得到混合粉末，两种粉末粒度为50～150μm；

步骤二：用电磨机打磨tc4钛合金基板表面，以去除氧化膜，并用酒精擦拭基板表面除油，然后放入激光3d打印设备中(南京中科煜宸激光技术有限公司生产的ldm8060激光同步送粉增材制造设备)，tc4基板尺寸为100mm×100mm×10mm；

步骤三：将步骤一种的合金粉末放入真空干燥箱进行150℃/1h的干燥处理，然后采用气动送粉器将合金粉末送入激光熔覆头中；

步骤四：采用激光同步送粉增材制造的方法在经步骤二处理的tc4钛合金基板上成形5层80％tc4+20％tial梯度层(第一层厚度为0.4㎜，第二层和第三层的厚度为：0.5㎜，第四层和第五层的厚度为0.8㎜，使得总厚度为3㎜)，激光成形参数为激光功率1000w、扫描速度10mm/s、送粉速度10g/min；再成形5层60％tc4+40％tial梯度层(第一层厚度为0.4㎜，第二层和第三层的厚度为：0.5㎜，第四层和第五层的厚度为0.8㎜，使得总厚度为3㎜)，激光成形参数为激光功率1300w、扫描速度10mm/s、送粉速度8g/min；再成形5层40％tc4+60％tial梯度层(每层厚度为0.4㎜，使得总厚度为2㎜)，激光成形参数为激光功率1800w、扫描速度8mm/s、送粉速度7g/min；再成形5层20％tc4+80％tial梯度层(每层厚度为0.4㎜，使得总厚度为2㎜)，激光成形参数为激光功率1400w、扫描速度420mm/min、送粉速度5g/min；最后在梯度层上成形5层100％tial，每层厚度为0.6mm；搭接率为60％。

步骤五：将得到的tc4/tial梯度材料在惰性气体(氩气浓度99.99％)保护下，进行整体去应力退火，退火工艺为500℃×8h，随炉冷却。

实施例3：

该方法的步骤是：

步骤一：将tc4合金粉末和ti-48al-2cr-2nb合金粉末分别按照质量分数比为4：1、3：2、2：3和1：4称取后机械混合2h，得到混合粉末，两种粉末粒度为50～150μm；

步骤二：用电磨机打磨tc4钛合金基板表面，以去除氧化膜，并用酒精擦拭基板表面除油，然后放入激光3d打印设备中(南京中科煜宸激光技术有限公司生产的ldm8060激光同步送粉增材制造设备)，tc4基板尺寸为100mm×100mm×10mm；

步骤三：将步骤一种的合金粉末放入真空干燥箱进行150℃/1.5h的干燥处理，然后采用气动送粉器将合金粉末送入激光熔覆头中；

步骤四：采用激光同步送粉增材制造的方法在经步骤二处理的tc4钛合金基板上成形2层80％tc4+20％tial梯度层(每层厚度为0.5㎜，使得总厚度为2㎜)，激光成形参数为激光功率1800w、扫描速度10mm/s、送粉速度10g/min；再成形5层60％tc4+40％tial梯度层(每层厚度为0.4㎜，使得总厚度为2㎜)，激光成形参数为激光功率1600w、扫描速度500mm/min、送粉速度7g/min；再成形2层40％tc4+60％tial梯度层(每层厚度为0.5㎜，使得总厚度为1㎜)，激光成形参数为激光功率1600w、扫描速度4mm/s、送粉速度7g/min；再成形2层20％tc4+80％tial梯度层(每层厚度为0.5㎜，使得总厚度为1㎜)，激光成形参数为激光功率1400w、扫描速度4mm/s、送粉速度5g/min；最后在梯度层上成形2层100％tial，每层厚度为0.5mm；搭接率为50％。

步骤五：将得到的tc4/tial梯度材料在惰性气体(氩气浓度99.99％)保护下，进行整体去应力退火，退火工艺为800℃×5h，随炉冷却。

如图2所示，本申请改善了界面组织，避免了裂纹的产生。

综上，本发明提供一种激光同步送粉制备tc4/tial梯度材料的方法，属于先进制造技术领域，本发明用于解决现有制备过程中温度梯度高、残余应力大导致宏观裂纹产生，难以在tc4基板上制备tial合金的问题。本发明采用激光同步送粉增材制造工艺，以tc4钛合金作为基板，通过设计多种由不同成分比例的tc4和tial合金的混合粉末组成的梯度层，改善残余内应力，实现从100％tc4到100％tial的过渡，最终在钛合金上得到了表面及内部无裂纹、综合性能较好的tc4/tial梯度材料，使零部件的使用温度由400℃左右提高到700℃以上，提高了热端部件的高温使用性能。