[發明專利]一種降低開裂敏感性的激光增材制造方法

有效

• 申請號: 202011368031.4
• 申請日: 2020-11-26
• 公開（公告）號: CN112570729B
• 公開（公告）日: 2023-05-05
• 發明（設計）人: 謝勇;周慶軍;嚴振宇;王福德
• 申請（專利權）人: 首都航天機械有限公司
• 主分類號: B22F10/28
• 分類號: B22F10/28;B22F10/64;B33Y10/00;B33Y40/20;B33Y70/00;C22C14/00;C22F1/18;C22F1/02
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一種降低開裂敏感性的激光增材制造方法，通過預置內應力和畸變能，并協同耦合激光同步熱處理，實現連續沉積成形過程再結晶尺度的控制，在線適度釋放內應力，將長條狀連續晶界α轉變為折線狀或斷續狀，降低應力水平和開裂敏感性，同時通過控制再結晶程度提升已沉積構件塑性儲備，提高高應力下防開裂能力，可實現短流程便捷實現大型鈦合金增材制造構件的無開裂一次性連續成形，且無需后續熱處理調控組織性能，可直接工程應用。

技術領域

本發明涉及金屬材料激光加工領域，尤其涉及一種降低開裂敏感性的激光增材制造方法。

背景技術

大型鈦合金構件激光增材制造溫度梯度大、冷卻速率高、連續沉積時間長，內部機械約束應力、固態相變應力，凝固收縮應力及熱應力等應力累積嚴重且相互耦合，極容易導致在成形過程中出現嚴重的翹曲變形及宏觀開裂。另一方面，激光增材制造鈦合金構件宏觀呈柱狀晶組織，柱狀晶晶界處均為長條狀連續晶界α，在長時間應力作用下極易開裂，屬于極易開裂位置。上述兩方面原因導致的宏觀開裂難以控制，成為限制大型鈦合金構件激光增材制造工程應用的瓶頸性難題。

目前，國內外僅有少數優勢研究機構實現了部分較大型結構件的成形及工程應用，其基本思路均采用第一種方案即降低整體應力水平避免宏觀開裂，具體為通過宏觀結構離散實現變形開裂的控制，即將宏觀大型結構拆分為多個子結構分別成形再連接或分段成形。該方法通過結構拆分，降低各個子結構成形過程中的應力水平，來規避變形開裂。該方法存在連接區及分段結合界面，與其它部位的組織性能一致性控制難度大，同時必須配合專用工裝、穿插多次熱處理及去除氧化層等工序，周轉工序復雜繁瑣，生產周期長，降低了激光增材制造技術的制造效率。而導致激光增材制造大型鈦合金構件發生開裂是上述兩方面原因綜合作用的結果，因此急需提出“一種降低開裂敏感性的激光增材制造方法及裝備”，既能將長條狀連續晶界α轉變為曲線狀或斷續狀，降低開裂敏感性，又能實現應力累積水平自主可控，短流程便捷實現大型鈦合金構件的無開裂一次性連續成形，進一步提升大型構件激光增材制造效率，同時保證各部分組織和性能一致性。

發明內容

一種降低開裂敏感性的激光增材制造方法，既能將長條狀連續晶界α轉變為曲線狀或斷續狀，降低開裂敏感性，又能實現應力累積水平自主可控，短流程便捷實現大型鈦合金構件的無開裂一次性連續成形，進一步提升大型構件激光增材制造效率，同時保證各部分組織和性能一致性。

為了克服現有技術的不足，本發明提出一種降低開裂敏感性的激光增材制造方法，該鈦合金[Mo]當量為3.0～9.0，主要思路為通過預置內應力和畸變能，并耦合激光同步熱處理，實現連續沉積成形過程再結晶尺度的控制，在線適度釋放內應力，將長條狀連續晶界α轉變為折線狀或斷續狀，降低應力水平和開裂敏感性，同時通過控制再結晶程度提升已沉積構件塑性儲備，提高高應力下防開裂能力，可實現短流程便捷實現大型鈦合金增材制造構件的無開裂一次性連續成形，且無需后續熱處理調控組織性能，可直接工程應用。

本發明是通過以下技術方案來實現的：一種降低開裂敏感性的激光增材制造方法，包括以下步驟：

第一步，將粒度規格為60～150μm的鈦合金粉末裝入送粉器，粉末中氧含量須大于0.08wt％；

第二步，將基板固定在充滿純度不低于99.999％的氬氣惰性加工室工作臺上；

第三步，當加工室內水、氧含量小于50ppm后，開始鈦合金激光增材制造成形；在激光作用下，將同步送進的鈦合金粉末連續熔化沉積在基板上；

第四步，當連續沉積3～4層后，移開激光送粉頭；采用激光熱源對已沉積層進行光柵式掃描，使已沉積層不熔化的同時得到體積分數20％～30％、寬度0.15～0.3mm的柱狀晶組織，晶界處為不連續的晶界α，和體積分數70％～80％，直徑小于100μm的等軸晶組織，晶界處為折線狀或斷續狀晶界α，微觀組織為體積分數60％～70％，長寬比小于2～2.9的球化初生α相，降低大型鈦合金構件開裂的敏感性；