[發(fā)明專利]一種雙相鈦合金增材構(gòu)件激光沖擊強(qiáng)化方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201910923611.6
• 申請(qǐng)日: 2019-09-27
• 公開（公告）號(hào): CN110629014B
• 公開（公告）日: 2021-04-20
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 魯金忠;盧海飛;羅開玉;姚建華;楊光
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 江蘇大學(xué)
• 主分類號(hào): C21D10/00
• 分類號(hào): C21D10/00;B22F3/24;B33Y40/20;B33Y50/00
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本發(fā)明涉及增材制造領(lǐng)域以及激光沖擊強(qiáng)化領(lǐng)域，特指一種雙相鈦合金增材構(gòu)件激光沖擊強(qiáng)化方法。首先獲取復(fù)雜構(gòu)件的三維數(shù)字模型，將模型分成若干片層；根據(jù)增材構(gòu)件在工程應(yīng)用中的受力方向，確定增材制造過(guò)程中成形件成形方向；然后采用選區(qū)激光熔化工藝完成雙相鈦合金構(gòu)件的成形制造，并通過(guò)調(diào)控使α相C軸取向一致；最后采用激光沖擊強(qiáng)化工藝并誘導(dǎo)高強(qiáng)沖擊波作用方向與α相C軸形成特定范圍的夾角，對(duì)雙相鈦合金高性能增材構(gòu)件所有外表面進(jìn)行沖擊強(qiáng)化，從而達(dá)到最佳強(qiáng)化效果。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及增材制造領(lǐng)域以及激光沖擊強(qiáng)化領(lǐng)域，特指一種雙相鈦合金增材構(gòu)件激光沖擊強(qiáng)化方法。

背景技術(shù)

選區(qū)激光熔化(Selective laser melting,SLM)技術(shù)是一種近年出現(xiàn)的最新的快速成形技術(shù)，應(yīng)用分層制造進(jìn)行增材制造，通過(guò)粉末將CAD模型轉(zhuǎn)換為實(shí)物零件。其采用激光快速熔化選區(qū)金屬粉末與快速冷卻凝固技術(shù)，可以獲得非平衡態(tài)過(guò)飽和固溶體及均勻細(xì)小的金相組織，并且成形材料范圍廣泛，制造過(guò)程不受金屬零件復(fù)雜結(jié)構(gòu)的限制，無(wú)需任何工裝模具，工藝簡(jiǎn)單，可實(shí)現(xiàn)金屬零件的快速制造，降低成本，還能實(shí)現(xiàn)材料組分連續(xù)變化的梯度功能材料制造。雖然近年來(lái)在激光增材制造方面取得了長(zhǎng)足進(jìn)步，但其在形性一體控制方面仍然面臨一些難題，其中亟待解決的是殘余應(yīng)力導(dǎo)致構(gòu)件變形開裂的“控形”問(wèn)題和冶金缺陷造成構(gòu)件力學(xué)性能較差的“控性”問(wèn)題。另外，選區(qū)激光熔化技術(shù)被廣泛應(yīng)用于航空航天等領(lǐng)域，但是由于航空航天工程中所使用的構(gòu)件工作環(huán)境比較惡劣，在構(gòu)件的各個(gè)方向不僅受到靜載、動(dòng)載、沖擊載荷的作用，而且還會(huì)受到高溫的熱作用，因此材料的性能如何，是否存在明顯的各向異性是人們十分關(guān)注的問(wèn)題。

激光沖擊強(qiáng)化(Laser shock peening:LSP)是一種新型的表面強(qiáng)化技術(shù)，強(qiáng)激光作用于金屬表面形成的超強(qiáng)沖擊波使金屬表層產(chǎn)生劇烈塑性變形，誘導(dǎo)較深殘余壓應(yīng)力和細(xì)化晶粒，顯著提高了金屬零件力學(xué)性能。與其他技術(shù)相比具有高壓(沖擊波壓力達(dá)到GPa-TPa量級(jí))、高能(峰值功率達(dá)到GW量級(jí))、超快(幾十納秒)和超高應(yīng)變率(達(dá)到10⁷s^-1)四個(gè)鮮明特點(diǎn)，是極端條件下的先進(jìn)制造方法之一，具有常規(guī)加工方法無(wú)可比擬的優(yōu)點(diǎn)和顯著的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。但是目前大量研究?jī)H僅關(guān)注激光沖擊作用試樣表面的情況，以及如何誘導(dǎo)更深的殘余壓應(yīng)力，如何更好地實(shí)現(xiàn)晶粒細(xì)化等問(wèn)題。

雙相鈦合金具有良好的綜合性能，組織穩(wěn)定性好，有良好的韌性、塑性和高溫形變性能，能較好地進(jìn)行熱壓力加工，能進(jìn)行淬火、時(shí)效使合金強(qiáng)化。此外，雙相鈦合金中的α相和β相對(duì)材料的物理性能和力學(xué)性能具有非常重要的影響。材料的晶體學(xué)與材料的各方面性能息息相關(guān)，基于晶體結(jié)構(gòu)具有空間排列上的三維周期性，每個(gè)晶體品種都能為它自身提供一套天然合理的包含三個(gè)晶軸的晶軸系。由于晶體的各向異性，即晶體沿不同晶向的物理性質(zhì)各不相同。同理，結(jié)合二維增材制造平面激光沖擊波強(qiáng)化工藝，如何使高性能增材構(gòu)件實(shí)現(xiàn)微結(jié)構(gòu)的均勻強(qiáng)化。

發(fā)明內(nèi)容

為了解決上述問(wèn)題，本發(fā)明提出了一種雙相鈦合金增材構(gòu)件激光沖擊強(qiáng)化方法，即針對(duì)航空航天中的雙相鈦合金高性能增材構(gòu)件，首先獲取復(fù)雜構(gòu)件的三維數(shù)字模型，將模型分成若干片層；根據(jù)增材構(gòu)件在工程應(yīng)用中的受力方向，確定增材制造過(guò)程中成形件成形方向；然后采用選區(qū)激光熔化工藝完成雙相鈦合金構(gòu)件的成形制造，并通過(guò)調(diào)控使α相C軸取向一致；最后采用激光沖擊強(qiáng)化工藝并誘導(dǎo)高強(qiáng)沖擊波作用方向與α相C軸形成特定范圍的夾角，對(duì)雙相鈦合金高性能增材構(gòu)件進(jìn)行沖擊強(qiáng)化，從而達(dá)到最佳強(qiáng)化效果。本發(fā)明是激光增材制造方法的延續(xù)和拓展，針對(duì)航空航天中的雙相鈦合金關(guān)鍵構(gòu)件，考慮晶體結(jié)構(gòu)的各向異性，并結(jié)合激光沖擊波強(qiáng)化作用原理，整體考慮高性能增材構(gòu)件受力狀態(tài)，以及激光沖擊波與雙相鈦合金α相C軸的相互作用機(jī)理，對(duì)增材構(gòu)件進(jìn)行微結(jié)構(gòu)強(qiáng)化，實(shí)現(xiàn)航空航天中的關(guān)鍵構(gòu)件無(wú)變形高性能制造。

其具體步驟如下：

1)通過(guò)計(jì)算機(jī)軟件獲取復(fù)雜構(gòu)件的三維數(shù)字模型，將模型分成若干片層；

2)根據(jù)增材構(gòu)件在工程應(yīng)用中的受力方向，確定增材制造過(guò)程中的成形方向，使增材成形面與受力方向平行；