[發明專利]制造鈦合金與鎳基高溫合金功能梯度材料的制備方法

有效

• 申請號: 202011273946.7
• 申請日: 2020-11-14
• 公開（公告）號: CN112809007B
• 公開（公告）日: 2023-05-02
• 發明（設計）人: 徐國建;王辰陽;尚純;井志成;柳晉;王蔚;胡方
• 申請（專利權）人: 沈陽工業大學
• 主分類號: B22F7/04
• 分類號: B22F7/04;B22F10/28;B22F10/31;B22F10/64;B22F10/85;B22F9/08;B24B1/00;B33Y10/00;B33Y50/02;B33Y80/00
• 代理公司: 沈陽智龍專利事務所(普通合伙) 21115
• 代理人: 周智博;宋鐵軍

制造鈦合金與鎳基高溫合金功能梯度材料的制備方法，所述方法步驟如下：首先將鈦合金基板除去表面銹跡，后去除表面油污；通過激光增材制造方法在鈦合金基板表面上沉積成形2～3mm厚的鈦合金沉積層，然后再在鈦合金沉積層表面沉積成形0.5～1mm厚的Ta形成Ta沉積層，再在Ta沉積層表面沉積0.5～1mm厚的Cu，形成Ta/Cu層，將Ta/Cu層作為連接過渡層；最后在Ta/Cu過渡層上激光沉積鎳基高溫合金，獲得鈦合金與鎳基高溫合金的功能梯度材料。在激光增材連接過程中，Ta/Cu過渡層可有效防止鈦合金與鎳基高溫合金產生金屬間化合物，一定程度上避免了裂紋的產生，實現鈦合金和鎳基高溫合金功能梯度材料的有效制備。

技術領域：

本發明屬于激光增材制造領域，主要涉及激光同軸送粉增材制造鈦合金與鎳基高溫合金梯度材料的工藝方法，用于制造鈦合金與鎳基高溫合金的功能梯度材料，選用密度低、比強度更高的鈦合金與高溫性能突出的鎳基高溫合金相結合，使所制造的結構件具有輕質高強的特點，用于飛行器可提高其推重比。

背景技術：

輕質高強一直是飛行器結構設計者所追求的目標，隨著航空航天工業的飛速發展，特別是航空航天器飛行距離的不斷增加，使得不斷提高發動機推重比成為了航空航天發動機設計和制造的重要目標。鎳基高溫合金，因其在900℃以上仍具有良好的耐高溫腐蝕性能、高強度、抗高溫蠕變能力及抗高溫氧化性能，大量應用于航空發動機和燃氣輪機的關鍵零部件，但其密度較高為8.24g/cm³，進而影響其作為飛行器部件的推重比。而鈦合金密度僅為4.51g/cm³是鎳基高溫合金的54.7％，且其具有較高的比強度、比模量，廣泛應用于航空、航天、海洋、醫療等領域，但鈦合金的穩定服役溫度僅為400℃左右，若溫度上升則會嚴重影響鈦合金的性能。因此，使輕質高強的鈦合金與可以在高溫下穩定服役的鎳基高溫合金形成冶金結合，制備成鈦合金與鎳基高溫合金的功能梯度材料，可以在一定程度上同時提高材料的比強度與高溫性能。若使鈦合金與鎳基高溫合金的功能梯度材料應用于飛行器的發動機結構中，可以在保證發動機推力的同時，還可以在很大程度上減輕發動機重量。

鈦合金主要含有Ti、Al、V等元素，鎳基高溫合金中主要含有Ni、Fe、Cr、Nb等元素，根據相關金屬元素二元合金相圖，可見若將鈦合金與鎳基高溫合金直接接觸連接，會在結合處界面形成較多金屬間化合物，甚至難以達到冶金結合。因此，需要在鈦合金與鎳基高溫合金之間引入不會與二者產生金屬間化合物的過渡層。

發明內容：

發明目的：

本發明的目的是提出一種基于激光同軸送粉增材制造技術、制備鈦合金與鎳基高溫合金功能梯度材料的方法，其目的是解決以往所存在的問題，實現制備鈦合金與鎳基高溫合金功能梯度材料的零部件，利用鈦合金的高比強度特性，與鎳基高溫合金高溫穩定服役特性，可以使制備的構件在一定高溫環境穩定服役時，在很大幅度上提高構件強度，同時降低構件重量。

技術方案：

一種制造鈦合金與鎳基高溫合金功能梯度材料的制備方法，其特征在于：

所述方法步驟如下：

首先將鈦合金基板除去表面銹跡，后去除表面油污；

通過激光增材制造方法在鈦合金基板表面上沉積成形2～3mm厚的鈦合金沉積層，然后再在鈦合金沉積層表面沉積成形0.5～1mm厚的Ta形成Ta沉積層，再在Ta沉積層表面沉積0.5～1mm厚的Cu，形成Ta/Cu層，將Ta/Cu層作為連接過渡層；

最后在Ta/Cu過渡層上激光沉積鎳基高溫合金，獲得鈦合金與鎳基高溫合金的功能梯度材料。

獲得鈦合金與鎳基高溫合金功能梯度材料后,采用真空熱處理爐進行整體構件去應力退火處理。

形成Ta沉積層的Ta粉末采用氬氣霧化方式制備，粉末粒度為100-200目；在Ta沉積層表面沉積0.5～1mm厚的Cu采用Cu粉末，該Cu粉末采用氬氣霧化方式制備，粉末粒度為100-200目。