在钛合金上制备TiAl基合金梯度阻燃材料的激光制造方法
【技术领域】
[0001]本发明属于激光加工技术领域，涉及一种在钛合金材料上制备TiAl基金属间化合物梯度阻燃材料的激光制造方法，主要用于钛合金表面阻燃层的制备，提高钛合金的阻燃特性。
【背景技术】
[0002]新一代先进航空发动机对推重比提高的要求与压气机中钛合金制件发生钛火倾向增大之间的矛盾，对耐更高温度和抵抗燃烧的新型高温钛合金材料提出了迫切要求。发动机钛火是一种典型的发动机强迫着火事故，叶片与机匣之间的高能摩擦或载荷冲击等是主要的着火源。
[0003]基于以上情况，德国MTU航空发动机公司测试了 TiAl、Ti3Al和TC4钛合金的燃烧速率，得出TiAl基合金用于涡轮发动机可以防止钛火发生，且该合金的工作温度可达600°C甚至800°C，在未来的高压压气机中有良好的应用前景。根据TiAl合金的特性，该合金在航空发动机中适合的应用部件是高压压气机叶片、发动机涡轮叶片、涡流器和机匣等关键部件。
[0004]由于TiAl基合金塑韧性较差、成形难度大等缺点的存在，不可避免会导致TiAl基合金铸件在制备过程中出现气孔、缩松、裂纹等铸造缺陷及自身连接时出现裂纹等缺陷，因此该材料零件的制备极其困难。
[0005]激光熔覆技术是在基底合金表面上同步送给所选择的熔覆材料，然后经激光处理使之与基底表层同时熔化，并快速凝固成稀释度低、与基底材料呈冶金结合的表面层，从而显著改变基底材料的耐磨、耐蚀、耐热等特性的工艺方法，熔覆层厚度可控，可进行选区熔覆等，因此该方法广泛用于钛合金的表面改性。
[0006]基于以上分析，本专利采用激光熔覆技术，以TC4钛合金为基材，制备TiAl基金属间化合物梯度阻燃材料。
【发明内容】
[0007]本发明的目的是提出一种在钛合金材料上制备TiAl基金属间化合物梯度阻燃材料的激光制造方法，主要用于钛合金表面阻燃层的制备，提高钛合金的阻燃特性。
[0008]本发明技术方案的具体内容是:
[0009]该方法的步骤是:
[0010](I)制备阻燃层材料，阻燃层材料为TiAl、Ti2AlNb或Ti3Al,采用离心制粉方式制粉，粒度为150目?325目；
[0011](2)采用激光熔覆的方法在钛合金基材上制备TiAl、Ti2AlNb或Ti3Al阻燃材料；当采用Ti2AlNb作为阻燃层时，直接在钛合金基材上进行激光熔覆制备；当选用Ti3Al作为阻燃层时，首先在钛合金基材上采用激光熔覆的方法制备一层0.2?0.5mm的Ti2AlNb作为中间过渡层，然后激光熔覆Ti3Al阻燃层，厚度为0.2?0.5mm ;当选用TiAl作为阻燃层时，首先在钛合金基材上采用激光熔覆的方法制备一层0.2?0.5mm的Ti2AlNb作为中间过渡层，然后对钛合金基材进行预热，当预热温度达到750°C时，采用激光熔覆方法在Ti2AlNb过渡层上制备TiAl阻燃层，厚度为0.2?0.5mm ;
[0012](3)阻燃层制备完成后，在Ar气保护或真空环境下，进行整体去应力退火处理，退火温度范围:650°C?850°C。
[0013]本发明具有的优点和有益效果
[0014]本发明采用激光熔覆技术在钛合金材料表面制备TiAl基金属间化合物梯度阻燃材料，激光熔覆在制备梯度材料时具有以下优势:激光束的能量密度高，加热速度快，对钛合金基材的热影响较小，熔入钛合金基材的深度可控制在0.1mm以下，焊后产生的残余应力小，引起基材的变形小，控制表面裂纹的产生；熔覆层的厚度范围较大，单层熔覆厚度0.1?2.0mm ;可精确控制梯度材料的成形厚度。
[0015]本发明制备的钛合金/TiAl基金属间化合物梯度阻燃材料，因为中间过渡层材料和制备工艺的优选，材料表面无裂纹缺陷，梯度材料各层之间熔合率可达100%，结合很好。钛合金/Ti3Al梯度材料表面可耐温600?650°C，钛合金/Ti2AlNb梯度材料表面可耐温650?700°C，钛合金/TiAl梯度材料表面可耐温700?750°C，该梯度材料在保留了钛合金轻质特性的同时，极大地提高了钛合金表面的阻燃特性，可推广至高速飞行器和高推重比发动机阻燃钛合金的材料研制。
【具体实施方式】
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[0016]以下将结合实例对本发明技术方案作进一步详述:
[0017]根据阻燃钛合金构件在飞机上的安装部位，分析其所需的阻燃能力情况，明确需要选择的阻燃材料，通过以上分析和确认，实施以下具体步骤:
[0018](I)制备阻燃层材料，阻燃层材料为 TiAl (T1-25Al-2Nb)、Ti2AlNb (Ti_22Al_25Nb)或Ti3Al (T1-24Al-llNb)，采用离心制粉方式将3种材料制粉，粒度为150目?325目；
[0019](2)制备前表面清理，使用钢丝轮打磨去除钛合金表面氧化膜，目视检查露出金属底色，然后用丙酮擦洗干净；
[0020](3)采用激光熔覆的方法在钛合金基材上制备TiAl、Ti2AlNb或Ti3Al三种阻燃材料，当采用Ti2AlNb作为阻燃层时，直接在钛合金基材上进行激光熔覆制备；当选用Ti3Al作为阻燃层时，首先在钛合金基材上采用激光熔覆的方法制备一层0.2?0.5mm的Ti2AlNb作为中间过渡层，然后激光熔覆Ti3Al阻燃层，厚度为0.2?0.5mm ;当选用TiAl作为阻燃层时，首先在钛合金基材上采用激光熔覆的方法制备一层0.2?0.5mm的Ti2AlNb作为中间过渡层，然后对钛合金基材进行预热，当预热温度达到750°C时，采用激光熔覆方法在Ti2AlNb过渡层上制备TiAl阻燃层，厚度为0.2?0.5mm ;
[0021](4)阻燃层制备完成后，在Ar气保护或真空环境下，进行整体去应力退火处理，退火温度范围:650°C?850°C，随炉冷却。
[0022]具体实例一
[0023]采用激光熔覆在TC4钛合金环件内壁制备Ti2AlNb阻燃层
[0024]1.TC4钛合金环件和Ti2AlNb粉的制备
[0025]加工TC4钛合金环件，尺寸为Φ300ι?πιΧ150πιπιΧ5πιπι，采用离心制粉方式制备Ti2AlNb粉，粉末成分T1-22Al-25Nb，粒度为150目?325目。
[0026]2.阻燃层制备与去应力退火
[0027](I)制备前表面清理，使用钢丝轮对TC4钛合金环件内壁进行打磨，去除表面氧化膜，目视检查露出金属底色，然后用丙酮将整个环件擦洗干净；
[0028](2)将钛合金环件安装在6KW光纤激光三维加工系统旋转工作台上，选用合理的激光熔覆参数，在TC4钛合金环件内壁直接熔覆Ti2AlNb阻燃材料，制备阻燃层厚度0.5mm，单层厚度0.25mm ；
[0029](3)阻燃层制备完成后，在真空炉中，进行整体去应力退火处理，退火制度:700 °C X Ih，随炉冷却。
[0030]具体实例二
[0031]采用激光熔覆在TC4钛合金基板上制备Ti3Al阻燃层
[0032]1.TC4钛合金基板和Ti2AlNb粉和Ti3Al粉的制备
[0033]加工TC4钛合金基板，尺寸为500mmX 500mmX 5mm，采用离心制粉方式制备Ti2AlNb粉和Ti3Al粉，粉末成分分别为T1-22Al-25Nb和Ti_24Al_llNb，粒度为150目?325 目。
[0034]2.阻燃层制备与去应力退火
[0035](I)制备前表面清理，使用钢丝轮对TC4钛合金基板进行打磨，去除表面氧化膜，目视检查露出金属底色，然后用丙酮擦洗干净；
[0036](2)将钛合金基板固定在6KW光纤激光三维加工系统工作台上，选用合理的激光熔覆参数，首先在TC4基材上采用激光熔覆的方法制备一层0.5mm厚的Ti2AlNb作为中间过渡层，然后在Ti2AlNb层上激光熔覆Ti3Al阻燃层，制备阻燃层厚度0.5mm ;
[0037](3)阻燃层制备完成后，在真空炉中，进行整体去应力退火处理，退火温度范围:700 0C X Ih，随炉冷却。
[0038]实施例三
[0039]采用激光熔覆在TC4钛合金基板上制备TiAl阻燃层
[0040]1.TC4钛合金基板和Ti2AlNb粉和TiAl粉的制备
[0041]加工TC4钛合金基板，尺寸为10mmX 10mmX 15mm，采用离心制粉方式制备Ti2AlNb粉和TiAl粉，粉末成分分别为Ti_22Al_25Nb和Ti_25Al_2Nb，粒度为150目?325目。
[0042]阻燃层制备与去应力退火
[0043](I)制备前表面清理，使用钢丝轮对TC4钛合金基板进行打磨，去除表面氧化膜，目视检查露出金属底色，然后用丙酮擦洗干净；
[0044](2)将钛合金基板固定在6KW光纤激光三维加工系统工作台上，选用合理的激光熔覆参数，首先在TC4基材上采用激光熔覆的方法制备一层0.5mm厚的Ti2AlNb作为中间过渡层，然后对钛合金基材进行预热，当预热温度达到750°C时，采用激光熔覆方法在Ti2AlNb过渡层上制备TiAl阻燃层，厚度为0.5mm ;
[0045](3)阻燃层制备完成后，在真空炉中，进行整体去应力退火处理，退火温度范围:815°C X Ih，随炉冷却。
[0046]与现有技术相比，采用本发明技术方案在TC4钛合金上制备的TiAl基金属间化合物阻燃层无裂纹缺陷，可显著提高TC4材料的阻燃特性，且过程操作方便，工艺稳定，重复性好，技术成熟。可进行广泛推广。
【主权项】
1.一种在钛合金上制备TiAl基合金梯度阻燃材料的激光制造方法，其特征在于:该方法的步骤是: (1)制备阻燃层材料，阻燃层材料为TiAl、Ti2AlNb或Ti3Al,采用离心制粉方式制粉，粒度为150目?325目； (2)采用激光熔覆的方法在钛合金基材上制备TiAl、Ti2AlNb或Ti3Al阻燃材料；当采用Ti2AlNb作为阻燃层时，直接在钛合金基材上进行激光熔覆制备；当选用Ti3Al作为阻燃层时，首先在钛合金基材上采用激光熔覆的方法制备一层0.2?0.5mm的Ti2AlNb作为中间过渡层，然后激光熔覆Ti3Al阻燃层，厚度为0.2?0.5mm ;当选用TiAl作为阻燃层时，首先在钛合金基材上采用激光熔覆的方法制备一层0.2?0.5mm的Ti2AlNb作为中间过渡层，然后对钛合金基材进行预热，当预热温度达到750°C时，采用激光熔覆方法在Ti2AlNb过渡层上制备TiAl阻燃层，厚度为0.2?0.5mm ; (3)阻燃层制备完成后，在Ar气保护或真空环境下，进行整体去应力退火处理，退火温度范围:650°C?850°C。
【专利摘要】本发明属于激光加工技术领域，涉及一种在钛合金材料上制备TiAl基金属间化合物梯度阻燃材料的激光制造方法，主要用于钛合金表面阻燃层的制备，提高钛合金的阻燃特性。选用阻燃特性优于TC4钛合金的TiAl基金属间化合物作为阻燃层，采用激光熔覆工艺，在TC4钛合金上制备梯度阻燃材料。制备的阻燃层与TC4基体结合很好，表面无裂纹缺陷，经测试，阻燃性能明显优于TC4钛合金。
【IPC分类】C23C24/10
【公开号】CN105154871
【申请号】CN201510559921
【发明人】孙兵兵, 张学军, 陈冰清, 郭绍庆, 李能, 唐思熠, 杜博睿
【申请人】中国航空工业集团公司北京航空材料研究院
【公开日】2015年12月16日
【申请日】2015年9月6日