一种通过获得α/β界面相提高增材制造TC4钛合金构件塑性的方法

时，开始电弧增材；
10.第四步，使用tig电弧焊接机器人，通过tig电弧将tc4焊丝熔化在钛合金基板上进行增材制造；在电弧增材过程中其中焊接电流140
‑
150a，送丝速度800
‑
900mm/min，焊接速度120
‑
130(mm/min)，层间温度100
‑
150℃，每层垂直交叉增材，同时控制舱室内氧含量在400
‑
500ppm，电弧增材出具有α/β界面相结构的tc4钛合金构件。
11.优选的，第一步中tc4焊丝直径为1.2mm。
12.优选的，第二步中使用增材精度0.05mm的abb六轴焊接机器人，红外测温器与焊接机器人控制系统相连，增材过程中可实时监测焊接熔池及焊道温度；
13.优选的，通过以下步骤控制真空舱室内氧气含量在400
‑
500ppm。实现步骤为：
14.关闭真空充氩舱室舱.门，启动舱室抽真空装置，抽到500pa点击停止抽真空，
15.打开氩气进气口，充入纯度为99.99的氩气，当舱室内的氧气含量低于1000ppm时，关闭氩气进气口，停止充氩气；
16.打开舱室内氩气循环系统，通过循环系统中含有cuo的空气净化装置，循环净化氩气，舱室内的氧气含量降至500ppm，使舱室内氧气含量稳定在400
‑
500ppm。
17.优选的，第四步中通过控制增材工艺参数控制热输入维持在5200
‑
5600j/cm，焊缝宽度8mm，层与层间搭接量为4mm，每层垂直交叉增材，即n+1层垂直于n层，依次类推；
18.优选的，第四步中，层间温度控制在150℃，温度测量有红外测温器进行监测，每层焊接完，温度下降到150℃时，测温仪反馈给焊接机器人控制系统进行下一层增材；
19.通过控制舱室内氧气含量稳定在400
‑
500ppm，使得增材后tc4钛合金构件氧元素含量为0.2
±
0.01％，氧元素在α/β界面相富集以降低α与β相界面能。
20.优选的，第二步中使用的为tc4钛合金基板或者ta1纯钛基板。
21.本发明相对于现有技术相比具有显著优点为：
22.本发明直接通过控制增材热输入、增材工艺参数和增材环境，获得具有α/β界面的 tc4钛合金构件，可显著提高增材tc4钛合金构件的塑性，同时具有易操作，无需后处理显著降低成本的优点。增材过程中通过调节工艺参数控制热输入维持在 5200
‑
5600j/cm，控制增材环境氧含量维持在400
‑
500ppm，使得电弧增材后tc4构件中固溶的氧元素含量为0.2
±
0.01％，氧元素在界面α/β界面处富集，从而降低形成的α相与β相组织的界面能，形成α/β界面相结构。通过本发明电弧增材的tc4构件具有α/β界面相，在拉伸过程中，形成的α/β界面相产生大量的孪晶，孪晶的产生将会有效的降低局部塞集应力，通过α/β界面相产生的大量孪生诱发塑性效应，在拉伸试验中具有α/β界面相结构的tc4钛合金构件与没有α/β界面相的tc4钛合金构件相比，其强度相当，断后延伸率大大提高，沿着沉积方向z方向断后延伸率提高1.8倍，平行于沉积方向x 方向断后延伸率1.7倍。
附图说明
23.图1a为本发明实例中采用tig电弧增材具有α/β界面相tc4钛合金构件的tem 暗场像显微组织图，左图为暗场像组织图片，右图为明场像放大及衍射斑点图片。
24.图1b为本发明实例中采用tig电弧增材具有α/β界面相tc4钛合金构件的tem 明场像显微组织图。
25.图1c为本发明实例中采用tig电弧增材没有α/β界面相tc4钛合金构件的tem 明暗
场显微组织图，左图为暗场像图片，右图为明场像及衍射斑点图片。
26.图2为本发明实例中采用tig电弧增材tc4钛合金中α/β界面相处ti、al、v、 o元素分布特征的haadf及eds面扫描结果图。
27.图3为本发明实例中采用tig电弧增材tc4钛合金构件工程应力应变曲线图。
具体实施方式
28.下面具体实施例对本发明进一步说明，本发明的解释而不是限定。
29.本发明是在通过调节tc4电弧增材环境和工艺参数降低tc4中α与β相界面能以形成α/β界面相，显著提高增材tc4构件的塑性，提供了一种电弧增材制造tc4合金增韧方法。
30.实施例1
31.本发明中tc4钛合金是这样实现的：在真空充氩舱室内，控制氧气含量在 400
‑
500ppm，使用tig电弧作为热源，使用焊接机器人，将tc4(wt％o<0.0.08％；) 丝材在tc4钛合金基板或ta1基板上熔化逐层沉积，通过控制增材热输入、增材工艺参数和增材环境，调节增材工艺参数控制热输入维持在5200
‑
5600j/cm，控制增材环境氧含量维持在400
‑
500ppm，使得电弧增材后tc4构件中固溶的氧元素含量为0.2
±
0.01％，从而降低形成的α相与β相组织的界面能形成α/β界面相结构，从而制备出具有α/β界面相的tc4构件。增材tc4钛合金构件的方法，主要设备包括：
32.(1)真空充氩舱，控制增材舱室内的氧含量，防止电弧增材过程中构件高温氧化；
33.(2)tig电弧焊机及送丝系统，稳定连续熔化tc4焊丝；
34.(3)六轴焊接机器人，按照增材路径完成tc4钛合金构件层层沉积；
35.(4)钛合金基板，作为增材底部基板；
36.(5)焊接工装平台，放置固定钛合金基板；
37.(6)红外测温系统，控制层间温度；
38.该方法包括下列步骤：
39.第一步，采用tc4焊丝氧元素含量为0.08％的作为电弧增材原材料，置于送丝机上；
40.第二步，将tig电弧增材平台及钛合金基板置于真空充氩舱室内，将钛合金基板固定在工装平台上；增材平台主要包括焊接机器人、tig电弧焊机、焊接工装平台、红外测温器；其中abb六轴焊接机器人增材精度为0.05mm，红外测温器与焊接机器人控制系统相连，增材过程中可实时监测焊接熔池及焊道温度；
41.第三步，调节真空充氩舱室内氧气含量稳定在400
‑
500ppm时，首先关闭真空充氩舱室舱门，启动舱室抽真空装置，抽到500pa点击停止抽真空，然后打开氩气进气口，充入纯度为99.99的氩气，当舱室内的氧气含量低于1000ppm时，关闭氩气进气口，停止充氩气，再打开舱室内氩气循环系统，通过循环系统中含有cuo的空气净化装置，循环净化氩气，舱室内的氧气含量降至500ppm，通过氧含量测试分析仪反馈实时控制氧含量，使舱室内氧气含量一直稳定在400
‑
500ppm。
42.第四步，将编好的电弧增材程序及增材路径导入焊接机器人，进行层层沉积，电弧增材构件尺寸为120*100*65mm，然后通过tig电弧将tc4焊丝连续稳定熔化在钛合金基板上进行增材制造；通过控制增材工艺参数控制热输入维持在5200
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5600j/cm，焊缝宽度8mm，层
与层间搭接量为4mm，每层垂直交叉增材，即n+1层垂直于n层，焊接具体工艺参数为：焊接电流140
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150a，电弧电压12
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15v，送丝速度800
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900mm/min，焊接速度120
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130(mm/min)，钨极直径2.0mm，喷嘴距离增材层高度10
‑
12mm，层间温度100
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150℃，每层垂直交叉增材，温度测量由红外测温器进行监测，每层焊接完，温度下降到150℃时，测温仪反馈给焊接机器人控制系统进行下一层增材；在连续增材过程中，通过控制舱室内氧气含量稳定在400
‑
500ppm，从而保证增材后tc4钛合金构中固溶的件氧元素含量为0.25
±
0.01％，获得具有α/β界面相结构的tc4ta构件。
43.第五步，增材结束后真空重氩舱室放气阀，等到压力恢复到101kpa打开舱室门，取出增材的tc4钛合金构件。
44.对电弧增材后的tc4钛合金构件进行微观组织及拉伸性能分析测试，形成了界面清晰α/β界面相，其结构顺序为α
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细小界面α
‑
β
‑
细小界面α
‑
α的三明治夹层结构，这种α/β界面相结构中α相与β相组织的界面能较低。在拉伸过程中，形成的α/β界面相处产生大量的孪晶，孪晶的产生将会有效的降低局部塞集应力，通过α/β界面相产生的大量孪生从而诱发塑性效应，将大幅度提高tc4的塑性，在拉伸试验中具有α/β界面相结构的tc4钛合金构件与没有α/β界面相的tc4钛合金构件相比，其强度相当，断后延伸率大大提高，沿着沉积方向z方向断后延伸率提高1.8倍，平行于沉积方向x方向断后延伸率1.7倍。
45.实施例2
46.按照实施例1步骤进行实施例2，与实施例1主要不同在于，控制在增材环境在氧含量稳定在200
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300ppm范围内，通过调控焊接工艺参数控制焊接热输入为3600
‑
4500 j/cm，焊缝宽度7mm，层与层间搭接量为3.5mm，对增材的块体试样进行分析观察，没有形成α/β界面相。
47.实施例3
48.按照实施例1步骤进行实施例3，与实施例1主要不同在于，控制在增材环境在氧含量稳定在600
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800ppm范围内，通过调控焊接工艺参数控制焊接热输入为6000
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6500 j/cm，焊缝宽度8.5mm，层与层间搭接量为4.25mm，对增材的块体试样进行分析观察，没有形成α/β界面相。
49.表1为实施1、实施2和实施例3中tig电弧增材tc4构件室温条件下的拉伸性能试验结果，z方向为沿着沉积方向取样进行拉伸，x方向为平行于沉积方向取样进行拉伸。具有α/β界面相结构的实施例1中tc4钛合金构件与没有α/β界面相的实施例2 中的tc4钛合金构件相比，其强度相当，断后延伸率大大提高，沿着沉积方向z方向断后延伸率提高1.8倍，平行于沉积方向x方向断后延伸率1.7倍。实施例3中tc4钛合金构件由于氧含量高，虽然具有较高的强度，但是塑性非常低。
50.表1为实施1、实施2和实施例3中tig电弧增材tc4构件室温条件下的拉伸性能试验结果
51.