本发明涉及激光金属材料加工领域，尤其涉及一种实现激光增材制造钛合金β晶粒调控的方法。
背景技术：
激光增材制造技术，又称“激光金属3d打印”，是一种将激光熔覆与快速原型技术相结合的先进制造技术。该技术基于“分层制造，逐层堆积”原理，可直接根据零件的三维cad模型快速成形出实体零件，具有材料利用率高、生产周期短、成形受限小、无需模具等特点，尤其适用于复杂大型整体部件的直接成形、零件的表面改性及个性化产品的直接定制，也能实现损伤零件的快速修复，在航空航天、国防军工及生物医用领域具有广泛的应用前景。
tc4合金是一种典型的两相(α+β)钛合金，由于具有比强度高、生物相容性好及抗腐蚀等特点被广泛应用于航空航天及生物医疗等领域。众所周知，激光增材制造过程中熔池主要通过基材或已沉积层进行传导散热。由于熔池的高温度梯度及定向散热特性，沉积态组织一般由基材外延生长定向凝固形貌。激光金属3d打印两相钛合金β晶形貌通常表现为沿沉积方向生长的粗大柱状晶。然而，这种定向生长的柱状晶将导致工件强的机械各向异性(carroll等人)。在大多数情应用情况下，理想组织为细小的等轴晶，因为它们具有各向同性的且更均匀的机械性能。实际上，成分相同、晶粒形貌不同的材料具有完全不同的性能。以ti60为例，等轴晶在600℃/160mpa状况下蠕变量为1.359％，而柱状晶则为0.1633％；在600℃/310mpa状况下，等轴晶持久寿命为48h，而柱状晶持久寿命为354h。由此可见，进行β晶形貌调控，进而获得等轴状β晶的重要性。
国内外学者针对激光金属3d打印钛合金β晶形貌的调控进行了大量研究。孙晓敏等人发现，在激光多层沉积过程中，沉积层顶部容易形成等轴晶，当重熔深度大于等轴晶区高度时，将实现柱状晶连续外延生长，而当重熔深度小于等轴晶区高度时，柱状晶外延生长连续性被破坏，将获得到由底部外延生长柱状晶与等轴晶循环交替的“指节状”的混合组织。wu等人发现ti25v15cr2al0.2c比ti6al4v合金更容易形成等轴晶，这与ti25v15cr2al0.2c合金中的高合金化元素有关。bontha等人通过对熔池凝固条件的计算发现，当功率足够大的时候容易产生等轴晶，但他们的计算结果缺乏实验验证。martina等人发现对增材制造钛合金零件进行后续冷轧，可以有效细化β晶粒。ravi等人发现脉冲激光加工模式较连续激光加工模式更有利于获得等轴晶。wang等人发现未熔粉末可以提高异质形核位置，有利于形成等轴晶。此外，增加送粉量可以抑制柱状晶的生长，进而增加等轴晶的百分比。zhang等人也获得了相似的结论，发现高的送粉量与低的扫描速度有利于获得等轴晶组织，部分熔化的粉末可以为等轴晶的生长提供异质形核位置。在未添加或引入杂质的情况下，提高送粉量或降低扫描速度是控制激光3d打印两相钛合金β晶形貌的较有效方法。此外，改变扫描路径策略，影响晶粒生长方向，但其对β晶形貌影响较小。上述研究为激光增材制造钛合金β晶形貌的调控提供了很好的思路，但由于激光金属3d打印过程中的物理过程极其复杂、影响参数众多，想要晶粒形貌完全受控尚存在极大的挑战。目前，尚缺乏有效的方法对β晶形貌进行有效调控。
技术实现要素：
本发明的目的是提供一种实现激光增材制造钛合金β晶粒调控的方法。
一种实现激光增材制造钛合金β晶粒调控的方法，包括以下步骤：
步骤一：对激光增材制造工艺窗口进行初步优化，获得初步优化的工艺窗口，包括激光功率、光斑直径、扫描速度及送粉量，优化参数为：激光功率为300～900w，扫描速度为4～12mm/s，送粉量为6-18g/min，光斑直径为0.5～2mm；
步骤二：任意选取优化窗口下的一组工艺参数，利用三维有限元传热模型对钛合金激光增材制造过程中熔池的温度场进行计算，提取激光开启1秒后任一瞬间熔池中部纵截面移动边界1/3高度处的温度梯度g及冷却速率ξ(熔池1/3高度处的温度参数为特征凝固参数)，并计算出g2/ξ值，其中g、ξ及g2/ξ的单位分别为℃/m、℃/s与℃/m2；
步骤三：根据以下准则判断β晶的组织形态：当3×103≤ξ≤105℃/s且g2/ξ≤1.2×106℃s/m2时为等轴晶，当ξ≤3×103℃/s且g2/ξ≥3×109℃s/m2时为柱状晶，，即建立熔池特征凝固参数、β晶组织形态与工艺参数的关系。
步骤四：重复步骤二至步骤三，直到完成优化工艺窗口下所有工艺参数与β晶形态的匹配，获得等轴状β晶粒的主要工艺参数区间为：激光功率为300～500w，扫描速度为6～9mm/s，送粉量为12-18g/min，光斑直径为0.8～1.5mm；柱状β晶粒的主要工艺参数区间为：激光功率为500～900w，扫描速度为8～12mm/s，送粉量为6-12g/min，光斑直径为0.5～1.2mm；
步骤五：根据零件所需要的β晶形态选择相应的工艺参数进行激光增材制造，获得β晶形态受控的激光增材制造钛合金零件。
所述钛合金包括α钛合金、α+β钛合金及β钛合金。
在步骤四中，所述的主要工艺参数区间的扫描路径为单向路径、双向路径及交叉路径。
本发明通过熔池温度场模拟与凝固理论，结合通过对钛合金β晶粒生长机制和原理进行大量研究，综合各种影响因素，得到：当3×103≤ξ≤105℃/s且g2/ξ≤1.2×106℃s/m2时为等轴晶，当ξ≤3×103℃/s且g2/ξ≥3×109℃s/m2时为柱状晶，即建立熔池特征凝固参数、β晶组织形态与工艺参数的关系。从而实现β晶晶粒形态的调控，能有效提高成形件力学性能。
附图说明
图1为本发明获得的3d打印试样的柱状晶金相图；
图2为本发明获得的3d打印试样的等轴晶的金相图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的说明。
实施例1
一种实现激光增材制造钛合金β晶粒调控的方法，包括以下步骤：
步骤一：对激光增材制造工艺窗口进行初步优化，获得初步优化的工艺窗口，包括激光功率、光斑直径、扫描速度及送粉量，优化参数为：激光功率为300～900w，扫描速度为4～12mm/s，送粉量为6-18g/min，光斑直径为0.5～2mm；
步骤二：任意选取优化窗口下的一组工艺参数，利用三维有限元传热模型对钛合金激光增材制造过程中熔池的温度场进行计算，提取激光开启1秒后任一瞬间熔池中部纵截面移动边界1/3高度处的温度梯度g1及冷却速率ξ1(熔池1/3高度处的温度参数为特征凝固参数)，并计算出g2/ξ值，其中g、ξ及g2/ξ的单位分别为℃/m、℃/s与℃/m2；
步骤三：根据以下准则判断β晶的组织形态：当3×103≤ξ≤105℃/s且g2/ξ≤1.2×106℃s/m2时为等轴晶，当ξ≤3×103℃/s且g2/ξ≥3×109℃s/m2时为柱状晶，即建立熔池特征凝固参数、β晶组织形态与工艺参数的关系。
步骤四：重复步骤二至步骤三，直到完成优化工艺窗口下所有工艺参数与β晶形态的匹配：获得等轴状β晶粒的主要工艺参数区间为：激光功率为300～500w，扫描速度为6～9mm/s，送粉量为12-18g/min，光斑直径为0.8～1.5mm；柱状β晶粒的主要工艺参数区间为：激光功率为500～900w，扫描速度为8～12mm/s，送粉量为6-12g/min，光斑直径为0.5～1.2mm；
步骤五：根据零件所需要的β晶形态选择相应的工艺参数进行激光增材制造，获得β晶形态受控的激光增材制造钛合金零件。
图1为采用本发明方法获得3d打印试样的柱状晶金相图，从图中可以看出，试样由粗大的柱状β晶组成，柱状晶的生长方向与沉积方向(高度方向)一致。这主要是因为在该工艺参数下，熔池冷却速率(ξ为103～104℃/s)相对较小，温度梯度与凝固速率比值较大，有利于获得粗大的柱状β晶组织。
实施例2
一种实现激光增材制造钛合金β晶粒调控的方法，包括以下步骤：
步骤一：对激光增材制造工艺窗口进行初步优化，获得初步优化的工艺窗口，包括激光功率、光斑直径、扫描速度及送粉量，优化参数为：激光功率为300～900w，扫描速度为4～12mm/s，送粉量为6-18g/min，光斑直径为0.5～2mm；
步骤二：任意选取优化窗口下的一组工艺参数，利用三维有限元传热模型对钛合金激光增材制造过程中熔池的温度场进行计算，提取激光开启1秒后任一瞬间熔池中部纵截面移动边界1/3高度处的温度梯度g1及冷却速率ξ1(熔池1/3高度处的温度参数为特征凝固参数)，并计算出g2/ξ值，其中g、ξ及g2/ξ的单位分别为℃/m、℃/s与℃/m2；
步骤三：根据以下准则判断β晶的组织形态：当3×103≤ξ≤105℃/s且g2/ξ≤1.2×106℃s/m2时为等轴晶，当ξ≤3×103℃/s且g2/ξ≥3×109℃s/m2时为柱状晶，即建立熔池特征凝固参数、β晶组织形态与工艺参数的关系。
步骤四：重复步骤二至步骤三，直到完成优化工艺窗口下所有工艺参数与β晶形态的匹配：获得等轴状β晶粒的主要工艺参数区间为：激光功率为300～500w，扫描速度为6～9mm/s，送粉量为12-18g/min，光斑直径为0.8～1.5mm；柱状β晶粒的主要工艺参数区间为：激光功率为500～900w，扫描速度为8～12mm/s，送粉量为6-12g/min，光斑直径为0.5～1.2mm；
步骤五：根据零件所需要的β晶形态选择相应的工艺参数进行激光增材制造，获得β晶形态受控的激光增材制造钛合金零件。
图2为获得的3d打印试样的等轴晶金相图，从图中可以看出，试样几乎全部由细小的等轴状β晶组成，生长方向更随意。这主要是因为在该工艺参数下，熔池冷却速率(ξ可达104～105℃/s)大，有利于熔池过冷与形核率的增加，细化晶粒；此外，熔池的温度梯度g与凝固速率r比值(g/r)较小，有利于获得细小的等轴状β晶组织。上述结果表明，采用本专利方法可以有效地细化晶粒，并获得细小的等轴晶组织，提升钛合金表面的力学性能。