感应加热辅助变质剂细化激光增材制造钛合金晶粒的方法与流程

本发明适用于激光增材制造钛合金晶粒细化领域，涉及感应加热辅助变质剂细化激光增材制造钛合金晶粒的方法，基于激光增材制造技术，采用添加变质剂的形式细化tc4钛合金晶粒，在成形过程中加入感应加热外场，使晶粒细化更加均匀，效果更加充分，组织更加优异，各向同性程度更加接近。

背景技术：

激光增材制造钛合金是近年来发展起来的一项新兴技术，该技术通过高功率激光熔化同步输送的钛合金粉末，逐点逐层堆积成形零件，克服了由于钛合金本身所具有的高熔点、高熔融态活性以及大的变形抗力的特点所带来的加工难度大、复杂零件加工技术难等缺点，在航天航空和国防制造领域被越来越多的研究和应用，但是，由于激光增材制造其即热即冷的特性难以控制，造成了其钛合金成形件组织为垂直于扫描方向的粗大柱状晶，长度贯穿多个熔覆层，而且热处理后的效果对其柱状晶的影响不明显，且其组织多为典型马氏体组织(如图1)，由于这些特点，使得激光增材制造钛合金各向异性大(可达到15％～70％)，疲劳韧性和断裂韧性低，从而严重制约其在国防工业和航空航天领域的应用。因此有必要采取一定措施细化激光增材制造钛合金晶粒，转而达到降低各向异性，提高疲劳韧性和断裂韧性的效果。

研究表明激光增材制造钛合金，由于其即热即冷的特性，且α-ti到β-ti的转变温度为882℃，在成形过程中，前一层熔融态到凝固态形成大量β柱状晶和少量α等轴晶，而在进行下一层熔覆时前一层的α等轴晶又会被融化，再次凝固形成β柱状晶，所以依次累加，激光增材制造钛合金沉积态的凝固组织主要由贯穿多个熔覆层呈外延生长的粗大β柱状晶组成且长度在几毫米到几十毫米之间，宽度在0.1mm～0.3mm之间，柱状晶主轴垂直于激光束扫描方向或略向扫描方向倾斜且受激光功率的影响不大，所以就形成了沿激光成形方向和水平方向的各向异性较大的现象。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服以上晶粒粗大而引起的各向异性的现象，提出了感应加热辅助变质剂细化激光增材制造钛合金晶粒的方法，利用感应加热辅助变质剂细化tc4钛合金晶粒，明显改善了由于变质剂混合不均，融化不均所导致的，晶粒细化分布不均，大小差异过大的缺点，进一步增强了tc4钛合金的晶粒细化程度和均匀性，提高激光增材制造tc4钛合金的力学性能，减小其各向异性。

感应加热辅助变质剂细化激光增材制造钛合金晶粒的方法，包括以下步骤：

首先，向tc4钛合金粉末中加入变质剂，使其均匀混合在钛合金粉末中；然后，将基材置于感应线圈中央位置，对基材的预成形面进行加热，直至目标温度为止；最后，开始在已加热的基材预成形面上成形tc4钛合金构件，在此成形过程中，感应线圈跟随成形提升高度同步提升，对成形件进行实时加热，直至构件成形完毕为止，感应加热温度控制在900℃～1200℃。

增材制造技术为激光增材制造技术。

感应加热辅助变质剂细化激光增材制造技术tc4晶粒。

基材材料为tc4钛合金，基材预成形面外形尺寸与预成形构件第一层成形面外形尺寸成比例，且轮廓稍大5～10mm，基材加热的目标温度为900℃～1200℃。

变质剂为b、zr、si、y2o3或ta。

变质剂的含量控制在成形所需钛合金粉末总质量的5％以内。

本发明的技术效果

本发明是国内首次将感应加热引入到激光增材制造钛合金晶粒细化的方法中来，辅助变质剂对激光增材制造钛合金晶粒进一步细化和均匀程度的加深。本发明规避了单一利用感应加热时，激光增材制造钛合金晶粒细化不明显的缺陷，同时，也解决了单一使用变质剂时，激光增材制造钛合金晶粒细化分布不均和大小不均的问题。两种技术相辅相成，使晶粒大小从最初的长度几毫米到几十毫米减小至0.011mm～0.018mm，宽度从最初的100um～300um减小至4.4um～6.9um，减小程度在一个数量级以上。所以，在激光增材制造钛合金中，引入感应加热辅助变质剂细化钛合金晶粒，细化程度更大，分布和大小更加均匀。

附图说明

图1无变质剂也无感应加热的激光增材制造tc4组织形貌图其中，(a)为放大100倍的组织形貌图、(b)为放大500倍的组织形貌图；

图2感应加热辅助变质剂细化激光增材制造tc4的原理图，(a)为圆柱基材、(b)矩形基材；

其中：1为感应线圈，2为送粉喷嘴，3为激光，4为成形件，5为基材：；

图3加入变质剂后在无感应加热和有感应加热条件下成形的tc4组织形貌在200倍光镜下的对比图，(a)为无感应加热，(b)为有感应加热；

图4加入变质剂后在无感应加热和有感应加热条件下成形的tc4组织形貌在1000倍光镜下的对比图，(a)为无感应加热，(b)为有感应加热；

图5加入变质剂后在无感应加热和有感应加热条件下成形的tc4强度拉伸的各向异性对比图；

图6在感应加热条件下激光增材制造tc4的强度随b含量的变化图。

具体实施方式

本发明包括以下步骤：

a)根据拉伸件要求的标准尺寸，设计激光增材制造钛合金样件的尺寸和形状，进而设计感应线圈的大小和形状。即，成形拉伸样件为沿z轴圆柱和沿xy轴的长方体，比如，成形尺寸分别为φ7×43mm、9.2×9.2×43mm的样件。同时引入样件的基材尺寸和考虑受热均匀的问题，得出感应线圈内径为φ30mm圆柱线圈和40×80mm矩形线圈。

b)变质剂和tc4钛合金粉末的混合摇匀，首先利用三维混合机对目标粉末进行充分摇匀，其次，再利用送粉器对摇匀后的粉末进行吹粉混合，从而得到更加均匀的混合粉末。

c)成形前打开感应加热电源，使基材加热到目标温度，再开始进行成形样件，过程中感应加热实时加热，同步提升，直到样件成形完毕。

以b粉作为变质剂，进行感应加热辅助细化激光增材制造tc4晶粒实验。基本工艺参数：钛合金粉末粒度50～150μm，硼粉粉末粒度10～20μm，激光功率180～240w，扫描速度10mm/s，送粉量2.5g/min，△z＝0.06～0.10mm，搭接间距0.2mm，感应线圈为单圈圆环形或矩形，圆环内径40mm，矩形线圈内径40×80mm、50×150mm线圈铜管内径6mm，感应加热设定温度900～1100℃，线圈内壁与样件各部分距离均等。

a)称取质量分数不大于0.1％的硼粉与钛合金粉末共同置于120℃的真空环境下两个小时，进行干燥，避免在混粉过程中的部分粘粉现象。

b)将干燥后的硼粉和钛合金粉混合装入三维混合机中进行粉末的充分摇匀混合，再装入送粉器中进行深度均匀混合。

c)安装感应线圈，将样件基材置于线圈中间，促使温度在加热过程中均匀分布于样件周围，成形前打开感应加热电源，使基材加热到900～1100℃，再开始成形样件，过程中感应加热利用红外温控系统控制样件温度，实时加热，感应线圈随z轴提升量同步提升，直到样件成形完毕(如图2)。

最终使激光增材制造钛合金的柱状晶消失，晶粒充分细化，且均匀分布，组织由片状α和初生α相组成，与原始激光增材制造钛合金的马氏体相比，组织在伸长性能上得到了优化，进而理论上提高了疲劳性能和断裂韧性；同时晶粒的细化也大大减小激光增材制造钛合金的各向异性问题(如图5)，并且在一定程度上也提高了tc4钛合金的强度，且随着b的含量增加其强度越大(如图6)。