[發明專利]一種在SLM成形鈦合金中獲得三態組織的熱處理方法

有效

• 申請號: 202110531304.0
• 申請日: 2021-05-17
• 公開（公告）號: CN113275600B
• 公開（公告）日: 2022-06-07
• 發明（設計）人: 張升;張鈺琪;李業韜;丁明路;臧勇
• 申請（專利權）人: 北京科技大學
• 主分類號: B22F10/64
• 分類號: B22F10/64;C22F1/18;B33Y40/20
• 代理公司: 太原中正和專利代理事務所(普通合伙) 14116
• 代理人: 焦進宇

本發明屬于激光選區熔化成形領域，具體公開了一種在SLM成形鈦合金中獲得三態組織的熱處理方法，本發明通過三個階段不同溫度區間的多重熱處理，調整SLM成形近α和α+β鈦合金組織，使其由原先的針狀馬氏體組織(成形方向為粗大等軸晶，垂直成形方向為粗大柱狀晶，等軸晶及柱狀晶內部為針狀馬氏體，且包含大量孿晶)轉變為三態組織來改善SLM成形近α和α+β鈦合金塑性較差的特點，得到強度?塑性較好匹配的拉伸力學性能。

技術領域

本發明屬于激光選區熔化成形領域，特別是涉及一種在SLM成形鈦合金中獲得三態組織的熱處理方法。

背景技術

鈦合金具有密度小，比強度高，彈性模量低，導熱系數小，抗拉強度與屈服強度接近，耐熱性能及耐低溫性能好，抗阻尼性能好等特點。其中α+β鈦合金具有優異的加工塑性；近α鈦合金兼具α鈦合金與α+β鈦合金的優勢，具有優良的高溫抗蠕變性能，良好的熱強性、熱穩定性和可焊性，優異的加工塑性。長期工作溫度達300℃以上，被廣泛應用于航空航天及航海領域。

SLM(Selective laser melting,SLM)技術通過聚焦的高能激光束使金屬粉末完全熔化，冷卻凝固，直接成形金屬件。在設備中激光束開始掃描之前，首先通過水平刮刀將儲粉倉的粉末平鋪到成形倉基板上，然后控制激光束按照先前三維軟件設計的成形件模型在該粉末層切片的輪廓有選擇性的掃描粉末，使粉末熔化凝固，并形成連續的掃描線，這樣該層切片的輪廓就行成了。然后控制升降系統將成形平臺下降一個粉末層的高度，儲粉倉上升一個粉末層高度。然后刮刀水平移動，將一個粉層高度的粉平鋪到加工好的當前層上，繼續進行下一個分層切片的掃描加工，以此循環，逐層加工，直至將整個成形件加工完成。SLM是通過使用聚焦的高能激光使金屬粉末完全熔化的增材制造技術，可直接成形金屬件，極大地減少了生產步驟，縮短了生產周期，提高了材料的利用率。另外，由于其逐層堆積制造的特性，對于高度復雜結構件的成形具有很大的優勢。

在SLM成形過程中復雜熱力場作用下，成形的近α和α+β鈦合金組織，在成形方向上組織呈粗大等軸晶，在垂直于成形方向上組織呈貫穿整個平面的粗大柱狀晶，等軸晶及柱狀晶內部為針狀馬氏體組織，且包含大量變形孿晶和退火孿晶。這就導致SLM成形近α和α+β鈦合金在力學性能上表現出極高的抗拉強度和較差的塑性延展性，強度-塑性匹配性難以滿足使用要求。

眾所周知，熱處理可以通過改變鈦合金組織中相比例、晶粒尺寸、各種形狀晶粒比例來調整成形件力學性能。Wu等研究了熱處理對SLM成形近α鈦合金TA15(Ti-6Al-2Zr-1Mo-1V)的室溫力學性能的影響，發現在750℃保溫2h隨爐冷卻得到的綜合力學性能最優，該工藝條件下試樣的抗拉強度比熱處理前降低8.96％(達1123.6MPa)同時延伸率提高了55％(達11.3±0.7％)。Jiang等研究了退火前后SLM成形態TA15鈦合金組織和性能的變化，發現800℃保溫2h，然后空冷，得到的成形樣品組織呈片層組織，在抗拉強度降低15.90％(達1090MPa)的同時塑性延展性提高60.3％(達10.3％)。雖然經過傳統熱處理方式對于塑性延展性有一定的提升，但仍難達到傳統鍛件的水平，強度-塑性匹配性仍難達到應用要求。

南京理工大學廖文和、肖振南等發明了一種得到較好強度-塑性匹配的SLM成形TC4(Ti-6Al-4V)鈦合金的三重熱處理方式。通過特定的成形工藝參數成形TC4，在試樣表面涂覆高溫抗氧化涂料，以3-4℃/min加熱速率升溫至820℃-840℃并保溫2-4h，空冷至室溫；以3-4℃/min加熱速率升溫至710℃-740℃并保溫2-4h，然后隨爐冷卻至室溫；以3-4℃/min加熱速率升溫至500℃-540℃并保溫2-6h，空冷至室溫，然后進行后處理。得到了抗拉強度為1100.92MPa(降低2.62％)，屈服強度為971.62MPa(降低9.99％)，斷后延伸率為18.14％(提升42.50％)，斷面收縮率為20.85％的SLM成形TC4樣品，獲得了較佳的強度-塑性匹配，但并未得到使鈦合金性能優異的三態組織。