一种钛合金单晶叶片的丝材增材制造方法与流程

本发明涉及增材制造技术领域，特别是涉及一种钛合金单晶叶片的丝材增材制造方法。

背景技术：

航空发动机作为“工业皇冠上的明珠”，其技术水平是衡量一个国家科技、工业和综合国力的重要标志。由于航空发动机的特定需求，要求其能够在低质量的情况下承受高温高强度的环境。镍基单晶叶片由于其优异的高温力学性能，常用于航空发动机的高温端，而低温端使用的是轻质高强的钛合金多晶叶片，在高低温过渡区，为了保证安全，则仍使用镍基单晶材料。

随着航空发动机推重比的不断提高，各部件性能趋于极限，高温端镍基单晶无法被替代，低温端钛合金仍是最理想的高比强度材料，而高低温过渡区的材料仍有提升空间。在该区域使用钛铝合金可以有效解决这一问题，但是由于钛铝合金的室温脆性导致加工困难，不利于推广。钛合金单晶叶片由于其消除了晶界，具有优良的高温性能，可以用于代替航空发动机高低温过渡区的材料，进一步降低航空发动机的质量，对促进航空发动机的发展具有重要意义。

传统单晶结构件的制造方法是熔模铸造，类似于镍基单晶叶片的制造方法，需要陶瓷模具定型。但钛合金在高温下化学性质十分活泼，会和陶瓷模具发生化学反应，反应产物会污染原材料，甚至凝固后会产生裂纹，所以不适用于单晶结构件的制造。熔模铸造方法制造单晶是通过控制固液全界面的凝固行为，来达到单晶生长条件，实现单晶制造。这种传统全界面的调控方法在小型结构件时，温度场控制较为简单，而对于大型结构件时，全界面调控温度场就会变得困难，设备要求极高。那么，对于全界面调控实现单晶生长这个方法，在制造大型单晶结构件的时候，就会有这两个致命问题，第一，固液全界面的调控方法很难控制大型单晶结构件的制造；第二，模具和温度场控制的设备也会越来越大，成本会陡增。

无模具的方法有悬浮熔炼法，但该方法只能做实心棒状结构件，形状非常单一，对于复杂形状结构件需要复杂的二次加工，时间长，成本高。

而增材制造技术对于结构件的尺寸不敏感，因为它就是为无模具制造而诞生的，且增材制造中直接沉积的方法可以脱离粉床之类的限制，实现大型结构件的制造，具备大型结构件制备的能力，所以在无模具制造这方面有着很好的前景和用途，很有可能开辟单晶结构件制造的新方法。金属增材制造的原理是通过热源熔化原材料堆积成型，热源主要有激光、电子束、电弧。当前较为成熟的方法的原材料都是金属粉末，但是金属粉末在制造过程中会产生大量的液滴飞溅，这些飞溅出来的金属液滴一旦附着在正在制造过程中的单晶结构件上，必然会造成杂晶的引入，几乎不可避免。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种钛合金单晶叶片的丝材增材制造方法，以解决上述现有技术存在的问题，实现钛合金单晶叶片的制造，避免液滴飞溅，降低杂晶引入。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

本发明提供一种钛合金单晶叶片的丝材增材制造方法，在实现单晶叶片之前需要先制造单晶基板，而单晶基板同样是使用丝材增材制造的方法，实现单晶棒的制造，然后将单晶棒切割后，作为单晶基板使用。具体方法包括如下步骤：

步骤一；设计单晶棒的形状，建立单晶棒的三维实体模型；

步骤二；将单晶棒的三维实体模型进行图片切片处理后，导入到设备控制系统中；

步骤三；准备所需的原材料钛合金丝以及钛合金多晶基板；

步骤四；设计好制造的工艺参数，包括热源功率、送丝速度、扫描速度等；

步骤五；将钛合金丝送入热源下方，将丝材熔化，同时移动热源和送丝装置，逐层堆积在钛合金多晶基板上，实现单晶棒的制造；

步骤六；将制造好的单晶棒切割，并作为单晶基板使用；

步骤七；设计单晶叶片的形状，建立单晶叶片的三维实体模型；

步骤八；将单晶叶片的三维实体模型进行图片切片处理后，导入到设备控制系统中；

步骤九；准备所需的原材料钛合金丝以及钛合金单晶基板；

步骤十；重复步骤四；

步骤十一；将钛合金丝送入热源下方，将丝材熔化，同时移动热源和送丝装置，逐层堆积在钛合金单晶基板上，实现单晶叶片的制造；

步骤十二；结果鉴定，将整个单晶叶片沿堆积方向的对称面切割，通过金相或电子背散射衍射进行检测，如果没有晶界，则该单晶叶片制造成功。

可选的，所述热源位于钛合金单晶基板正上方，且所述热源与所述钛合金单晶基板垂直设置。

可选的，所述钛合金丝位于所述热源和所述钛合金单晶基板之间，且所述钛合金丝与所述热源倾斜设置。

可选的，熔化的钛合金丝在移动热源和送丝装置作用下往复均匀逐层堆积在钛合金单晶基板上。

本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：

本发明无需模具，且能直接成型单晶叶片，通过丝材增材制造技术，实现钛合金单晶叶片的制造。传统单晶生长方法是固液全界面调控，不适合大型单晶结构件，本发明通过对工艺参数的调控实现微熔池的单晶生长条件，控制好每一个微熔池的温度场，即可实现单晶生长；利用丝材增材制造作为加工工艺，使用某一工艺参数，将金属丝不断重复堆积成型，实现单晶叶片的生长。本发明采用丝材增材制造可以大大减少飞溅数量，得到稳定熔池，杂晶引入的可能性大大减少。

利用钛合金丝和钛合金单晶基板作为原材料，若未使用钛合金单晶基板，将无法实现钛合金单晶叶片的生长。控制单晶生长过程中的温度场，实现基板的重熔，熔融金属按照基板的晶格排列方式凝固，且不产生杂晶，实现钛合金单晶叶片的生长。由于钛合金存在固态相变现象，初始凝固的β相会在某一温度下转变成为α相，而α相是杂乱无章的，不属于本发明的讨论内容，本发明只针对钛合金初始凝固时形成的β晶粒，钛合金单晶是指无β晶界的单个晶粒，其适用范围也包括α钛合金，β钛合金，以及α+β钛合金。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为采用本发明钛合金单晶叶片的丝材增材制造方法加工单晶叶片过程状态示意图；

图2为采用本发明钛合金单晶叶片的丝材增材制造方法制造的钛合金单晶叶片示意图；

图3为采用本发明丝材增材制造方法加工单晶棒过程状态示意图；

图4为本发明钛合金单晶叶片的丝材增材制造方法的流程示意图；

图5为单晶金相示意图；

图6为多晶金相示意图；

其中，1为钛合金丝、2为热源、3为钛合金单晶基板、4为钛合金单晶叶片、5为钛合金多晶基板、6为单晶棒、7为α相、8为晶界。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种钛合金单晶叶片的丝材增材制造方法，以解决上述现有技术存在的问题，实现实心钛合金单晶叶片的制造，避免液滴飞溅，降低杂晶引入。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

钛合金单晶结构件不适用于模具方法制造，模具方法还受限于尺寸，大模具不好造，控制大型单晶生长的设备不好造，传统单晶生长方法是固液全界面调控，不适合大型单晶结构件。

增材制造解决了上述问题，可以实现无模具制造，也对尺寸不敏感，对于增材制造来说，只要控制好每一个微熔池的温度场，即可实现单晶生长，可以通过对工艺参数的调控实现微熔池的单晶生长条件；目前一般采用粉材增材制造技术，但是粉材增材制造会产生大量飞溅，非常容易引入杂晶，是金属单晶制造的致命缺陷。

而丝材增材制造可以大大减少飞溅数量，得到稳定熔池，杂晶引入的可能性大大减少，基于此，本发明提供一种钛合金单晶叶片的丝材增材制造方法，如图1-图4所示，包括如下步骤：

步骤一；设计单晶棒6的形状，建立单晶棒6的三维实体模型。

步骤二；将单晶棒6的三维实体模型进行图片切片处理后，导入到设备控制系统中；

步骤三；准备所需的原材料钛合金丝以及钛合金多晶基板5；

步骤四；设计好制造的工艺参数，包括热源功率、送丝速度、扫描速度等；

步骤五；将钛合金丝送入热源下方，将丝材熔化，同时移动热源和送丝装置，逐层堆积在钛合金多晶基板5上，实现单晶棒6的制造；

步骤六；将制造好的单晶棒6切割，并作为钛合金单晶基板3使用；

步骤七；设计单晶叶片4形状，建立单晶叶片4的三维实体模型；

步骤八；将三维实体模型进行图片切片处理后，导入设备控制系统中；

步骤九；制造前，准备好该技术所需的两种原材料，钛合金丝以及钛合金单晶基板3；

步骤十；设计好制造的工艺参数，包括热源功率、送丝速度、扫描速度；

步骤十一；工艺参数的设置要考虑最关键的两点，第一是使钛合金丝材熔化，第二是能够将前一层表面未外延生长的晶体重熔，重新实现外延生长现象；

步骤十二；如图1和图2所示，将钛合金丝1送入热源2下方，将丝材熔化，同时移动热源2和送丝装置，逐层堆积在钛合金单晶基板3上，熔覆的熔滴依靠下部钛合金单晶基板3，实现外延生长，一层层往复堆积，得到具有一定厚度、一定高度的钛合金单晶叶片4；

步骤十三；结果鉴定，将整个钛合金单晶叶片4沿堆积方向的对称面切割，通过金相或电子背散射衍射进行检测，如果没有晶界，则该钛合金单晶叶片4制造成功。如图5和图6所示，分别为单晶金相示意图和多晶金相示意图，其中7为α相、8为晶界。

该钛合金单晶叶片4的尺寸完全能够加工为航空发动机中使用的叶片，从而实现钛合金单晶叶片的制造。

本申请中涉及到的名词解释如下：

杂晶：是相对单晶来讲，如果在制造过程中出现不需要的晶体，即为杂晶。

单晶基板：一种只有一颗晶粒的金属板，用于单晶叶片生长初期保证外延生长的原材料。

外延生长：材料是由分子按某一规律的晶格排列，一般将已固化的材料作为基本材料，在晶体生长过程中，如果能够使液态或气态分子，按照基本材料晶格排列方式继续在该基本材料上生长，即为外延生长。

扫描速度：热源和送丝装置相对加工部位的速度。

重熔：前期熔化的材料凝固后，又重新被熔化。

α相和β相：金属钛的熔点是1668℃，当低于该温度时，液态钛结晶凝固，形成体心立方结构的β晶粒，此时称该晶粒为β相。当温度低于相变点882℃时，钛会发生固态相变，即在已经凝固的β相中重新生成密排六方结构的α相，该α相生成方式较为随机，难以控制。

α钛合金、β钛合金、α+β钛合金：钛根据加入的合金元素不同，其熔点和相变点会发生变化，导致最终成形的钛合金内部组织呈现出全部是α相、全部是β相、α和β相均存在的三类钛合金。

本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。