[發(fā)明專利]一種獲得激光3D打印雙相鈦合金超細(xì)針狀α相的方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201911414045.2
• 申請日: 2019-12-31
• 公開（公告）號: CN111014675B
• 公開（公告）日: 2021-06-04
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 李聰;謝盼;陳汪林;陳薦;周立波
• 申請（專利權(quán)）人: 長沙理工大學(xué)
• 主分類號: B22F3/105
• 分類號: B22F3/105;B22F10/28;B22F10/368;B22F10/85;B33Y50/02;B33Y70/00
• 代理公司: 廣州市紅荔專利代理有限公司 44214
• 代理人: 胡昌國

一種獲得激光3D打印雙相鈦合金超細(xì)針狀α相的方法，在脈沖激光輸出模式下對激光3D打印工藝窗口初步優(yōu)化；利用有限元傳熱模型對初步優(yōu)化參數(shù)下熔池三維溫度場進(jìn)行計算，獲得熔池瞬時溫度變化曲線與熔池定點溫度變化曲線，得到熔池瞬時溫度曲線峰值溫度的平均值Tmax及單個脈沖周期溫度曲線與液相線截距t，計算定點溫度曲線β相向α相轉(zhuǎn)變區(qū)間的平均冷卻速率ξ；根據(jù)1.3Tm≤Tmax≤1.6Tm，30ms≤t≤80ms，ξ≥3.3×10³℃/s原則對工藝參數(shù)優(yōu)化，獲得優(yōu)化工藝窗口，在優(yōu)化工藝參數(shù)進(jìn)行激光3D打印，獲得細(xì)小針狀α相形貌的雙相鈦合金成形件。本發(fā)明能有效獲得超細(xì)針狀α相，進(jìn)而提高鈦合金成形件的力學(xué)性能。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及激光金屬材料加工領(lǐng)域，尤其涉及一種獲得激光3D打印雙相鈦合金超細(xì)針狀α相的方法。

背景技術(shù)

激光3D打印，是目前主流的增材制造技術(shù)之一，該技術(shù)基于“離散-堆積”原理，可直接實現(xiàn)復(fù)雜零件的快速成形，同時，送粉式激光3D打印技術(shù)還能實現(xiàn)磨損零件的快速修復(fù)，在航空航天及生物醫(yī)療領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

鈦合金具有比強(qiáng)度高、抗腐蝕及生物相容性好等特點，被廣泛應(yīng)用于航空航天及生物醫(yī)療等領(lǐng)域。激光3D打印具有高溫度梯度、高冷卻速率及快速凝固等特點，因此，激光3D打印雙相鈦合金通常具有粗大外延生長的原β晶、晶內(nèi)為較細(xì)小的片狀α相。文獻(xiàn)報道，原β晶的形成主要與凝固過程有關(guān)，而α相的形成主要發(fā)生在β相→α相轉(zhuǎn)變區(qū)間。目前，大量的研究集中于調(diào)控原β晶粒的形貌及尺寸，如Martina等人發(fā)現(xiàn)后續(xù)冷軋?zhí)幚砜梢约?xì)化原β晶粒；Ravi等人報道，與連續(xù)激光相比，脈沖激光加工模式更有利于獲得等軸晶；Zhang等人報道3D打印過程中未熔粉末可以提高異質(zhì)形核點，促進(jìn)等軸β晶的形成。上述研究均是針對宏觀原β晶粒形貌的調(diào)控，而對二級相變過程中α相的調(diào)控缺少關(guān)注。事實上，α相的形貌及尺寸對鈦合金的力學(xué)性能非常關(guān)鍵，因此，需要對鈦合金激光3D打印過程中α相進(jìn)行有效控制。

本發(fā)明提出方法可對α相形貌及尺寸進(jìn)行有效控制，進(jìn)而提高材料性能。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是提供一種獲得激光3D打印雙相鈦合金超細(xì)針狀α相的方法。

一種獲得激光3D打印雙相鈦合金超細(xì)針狀α相的方法，包括以下步驟：

步驟一：將激光器設(shè)置為脈沖激光輸出模式，對激光增材制造工藝窗口進(jìn)行初步優(yōu)化，獲得初步優(yōu)化的工藝窗口：激光波形為方波，激光光斑直徑0.5~2.5mm，激光峰值功率為600～1100W，重復(fù)頻率為5～50Hz，占空比為0.6-0.9，離焦量-1.5mm，掃描速度為6～12mm/s，送粉量為8-16g/min；

步驟二：任意選取一組初步優(yōu)化的工藝參數(shù)，利用有限元傳熱模型對該參數(shù)下熔池三維溫度場進(jìn)行計算，提取激光加載1.5s后熔池中心瞬時溫度變化曲線與沉積層中部位置點所經(jīng)歷的定點溫度變化曲線，從熔池瞬時溫度變化曲線得到波峰溫度的平均值Tmax，由定點溫度變化曲線獲取單個脈沖周期內(nèi)溫度變化曲線與鈦合金液相線(縱坐標(biāo)為熔點的水平直線)的截距t，并對定點溫度變化曲線右側(cè)溫度下降部分進(jìn)行求導(dǎo)，再計算出導(dǎo)數(shù)的平均值ξ，即獲得熔池平均冷卻速率ξ，其中Tmax、t及ξ的單位分別為℃、s及℃/s；

步驟三：根據(jù)1.3Tm≤Tmax≤1.6Tm，30ms≤t≤80ms，ξ≥3.3×10³℃/s原則對激光光斑直徑、激光峰值功率、重復(fù)頻率、占空比、離焦量、掃描速度及送粉量等工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，其中Tm為鈦合金的熔點；

步驟四：按上述各個參數(shù)的由小至大順序重復(fù)步驟二至步驟三，直到完成所有工藝參數(shù)匹配，獲得的優(yōu)化工藝窗口：激光波形為方波，激光光斑直徑1~2mm，激光峰值功率為750～1000W，重復(fù)頻率為10～25Hz，占空比為0.7-0.9，離焦量-1.5mm，掃描速度為7～12mm/s，送粉量為10-15g/min；

步驟五：按上述工藝參數(shù)進(jìn)行激光3D打印，獲得細(xì)小針狀α相形貌的雙相鈦合金成形件。