一种变密度Ti/TiAl梯度材料的快速近净成形方法与流程

本发明属于有色金属合金热成形技术领域，特别涉及一种变密度ti/tial梯度材料的快速近净成形方法。

背景技术：

相较于传统钛合金，tial合金作为一种金属间化合物，具有比强度高、耐高温性能好特点，在航空、航天、兵器、汽车工业等领域具有广阔的应用前景。但是，其室温塑性低、成形难度大等固有属性严重制约了其推广应用。目前，tial合金几种典型的应用零部件有涡轮增压器、发动机叶片、汽车排气阀等，这些零部件的服役环境为高温、热冲蚀严重，对其特定部位提出了较为严苛的使用要求。

近年来，研究者们尝试制备梯度材料来满足上述要求，比如金属与(铝合金、钛合金、不锈钢、高温合金等)陶瓷复合、表面改性技术(化学气相沉积、扩散焊、粉末冶金等)。还有研究者从工艺的角度来制备梯度材料，比如离心铸造、粉末熔融成形、放电等离子烧结、自蔓延高温合成、激光熔覆等。

tial合金属于金属间化合物，一般通过送粉的激光熔化沉积实现，而通过激光熔化沉积工艺制备变密度的tial合金存在工艺调整复杂，而且对于小尺寸的零件存在密度渐变控制性差，产品不能满足生产需求等问题。

基于此，本发明采用熔化极气体保护焊增材制造技术制备变密度ti/tial梯度材料，提供一种兼有ti与tial合金双重属性的梯度材料的制备方法。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是提供一种变密度ti/tial梯度材料的快速近净成形方法，具有工艺简单、成形方便的特点，制备的ti/tial梯度材料兼有钛的韧性与tial合金的耐高温性能显著的特点，有效解决了tial这种脆性金属间化合物与异种材料的连接问题。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种变密度ti/tial梯度材料的快速近净成形方法，其特征在于：采用熔化极气体保护焊增材制造的方式进行成形，具体包括以下步骤：

1)根据ti/tial梯度材料的设计需要，选用纯钛板材作为增材制造的基板；

2)采用双丝送丝机构将钛丝及铝丝同时送入或者先将钛丝送入，然后再送入铝丝到熔化极气体保护焊焊枪，焊枪放电熔化钛丝与铝丝，形成熔池；

3)在基板的冷却作用下，合金熔体冷却凝固，在钛基板上沉积第一层沉积体；

4)焊枪及双丝送丝机构按照设定的轨迹进行前后左右扫描，并经向上提升后，沉积体逐层长大长高；

5)如此循环往复，并在不同阶段调整钛丝或铝丝送丝速度，即得到所需的变密度ti/tial梯度块体材料。

tial合金具有优异的耐高温，但其脆性较大，延展性差，与其他异种材料连接存在困难，且产品不易机加工，而ti具有优异的可塑性，高纯钛的延伸率可达50-60％。而一些tial合金作为零部件在实际的应用中并不需要其整体具有耐高温、比强度高，只需要其接触的端面或者局部满足该性能要求即可，因此，通过ti丝与al丝送丝速度的配合，制备出密度可以渐变的ti/tial梯度材料，既可以提高材料的整体塑性，而且仍然满足零件对于tial合金比强度高、耐高温的优点。

作为优选，所述步骤1)的钛丝的直径为0.4～1.6mm，铝丝的直径为0.4～1.6mm。

作为优选，所述焊枪与双丝送丝机构置于氩气保护装置中，沉积过程通过氩气保护装置进行防氧化和氮的污染。

作为优选，所述沉积过程的电流100～350a，所述前一道沉积层与后一道沉积层温度差控制在50～200℃。

作为优选，所述的ti/tial梯度材料的原子百分比组成为：al≤50at％，余量为ti和不可避免的杂质。本发明ti/tial梯度材料中，al≤50at％，ti与al形成原子比为1:1的tial金属间化合物。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1、本发明为丝材微区融化、逐层凝固沉积的思路，通过调整送丝速度、直径，ti/tial材料本体实现沿沉积高度、长度及宽度方向的三维密度渐变，界面形成成分互扩散的冶金结合，呈现较为平缓的准连续变化趋势，有效避免了材料在局部界面密度的突变。

2、本发明制备的ti/tial梯度材料，局部具有tial合金的耐高温性能显著的特点，但材料的整体塑性得到提高，很好地解决了成形与性能无法兼顾的难题。

3、本发明工艺简单，有效解决了tial这种脆性金属间化合物与异种材料如钛、高温合金、钢等的连接问题，且成形效率高、成本也较低。

附图说明

图1为变密度ti/tial梯度材料剖面层ti沉积的微观组织；

图2为变密度ti/tial梯度材料剖面层tial沉积的微观组织；

图3为变密度ti/tial梯度材料剖面层的eds检测结果。

具体实施方式

以下结合实施例对本发明作进一步详细描述。

选用10组实施例按照本发明方法进行制备：采用熔化极气体保护焊增材制造的方式进行成形，具体包括以下步骤：

1)根据ti/tial梯度材料的设计需要，选用纯钛板材作为增材制造的基板；

2)采用双丝送丝机构将钛丝及铝丝同时送入或者先将钛丝送入，然后再送入铝丝到熔化极气体保护焊焊枪，焊枪放电熔化钛丝与铝丝，形成熔池；

3)在基板的冷却作用下，合金熔体冷却凝固，在钛基板上沉积第一层沉积体；

4)焊枪及双丝送丝机构按照设定的轨迹进行前后左右扫描，并经向上提升后，沉积体逐层长大长高；

5)如此循环往复，并在不同阶段调整钛丝或铝丝送丝速度，即得到所需的变密度ti/tial梯度块体材料。

上述先采用钛丝单独送入进行沉积形成沉积层，然后钛丝及铝丝同时送入，在送入过程中调整钛丝及铝丝的速度，得到不同密度的tial沉积层，最终形成密度渐变的ti/tial梯度材料。

上述钛丝的直径为0.4～1.6mm，铝丝的直径为0.4～1.6mm。

上述焊枪与双丝送丝机构置于氩气保护装置中，沉积过程通过氩气保护装置进行防氧化和氮的污染。

上述沉积过程的电流100～350a，所述前一道沉积层与后一道沉积层温度差控制在50～200℃。

上述ti/tial梯度材料的原子百分比组成为：al≤50at％，余量为ti和不可避免的杂质。

取样方法：对10组实施例的ti/tial梯度材料以堆积方向进行剖面，取样检测。

微观组织检测：从图1、图2检测结果得出，ti/tial梯度材料中ti沉积、tial沉积具有枝晶状、层片团组织，说明ti/tial梯度材料为近净成形。

eds检测：从图3的检测结果得出，变密度ti/tial梯度材料的成分过度平稳，层与层之间无明显成分波动。

表1实施例的加工工艺