一种提升增材制造Ti2AlNb合金强塑性的热处理方法与流程

本发明属于金属增材制造，具体涉及一种提升增材制造ti2alnb合金强塑性的热处理方法。

背景技术：

1、ti2alnb合金是航空发动机涡轮叶片、导向叶片、机匣、飞行器高温承载框架等高温零部件的关键用材。电子束粉床增材制造技术具备真空高温成形、热输入均匀，可一体化成型ti2alnb脆性难加工复杂内腔、异形截面高温合金构件，大幅减少机加工余量、缩短制备周期，适配航空异形构件定制化生产。但电子束粉床增材制造逐层熔凝的成型特性，会使合金坯件内部产生熔池遗留热应力、晶粒取向不均、第二相析出杂乱、组织各向异性显著等缺陷，直接成型态ti2alnb合金普遍存在强度与塑性匹配性差、室温塑性偏低、750℃高温拉伸延伸率不足、高低温力学性能失衡的问题，无法满足航空高温构件长周期服役、交变载荷承载的使用标准。

2、常规热处理工艺仅采用单一固溶+无应力时效工艺调控增材制造ti2alnb合金组织，仅能小幅提升合金强度，时效过程中o相、α2相无序析出，极易割裂基体连续性，造成合金塑性大幅衰减，难以同步兼顾合金室温、高温强度与塑性；同时现有工艺未针对性消除增材打印原生残余应力，构件服役过程易萌生微裂纹，服役安全性较差。目前行业缺少适配电子束粉床增材ti2alnb合金、可同步优化高低温强塑性、适配工业批量生产的专用热处理工艺，极大限制了增材制造ti2alnb复杂构件在航空发动机高端热端部件领域的规模化工程应用。

3、因此，需要提供一种提升增材制造ti2alnb合金强塑性的热处理方法。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供一种提升增材制造ti2alnb合金强塑性的热处理方法。该方法通过高温均匀化固溶+外加拉应力耦合热场预时效+中温退火复合工艺，定向调控合金基体b2相与o相形貌、尺寸及分布，消除增材制造原生残余应力，弱化组织各向异性，同步提升合金室温、高温拉伸强度与伸长率，实现强塑性协同提升，解决了合金内部残余应力富集、成品易开裂、晶粒粗大、材料强度与塑性无法协同兼顾的技术问题。

2、为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种提升增材制造ti2alnb合金强塑性的热处理方法，其特征在于，该方法具体过程为：首先对增材制造ti2alnb合金坯件进行980℃~1020℃均匀化固溶处理1.5h~3h，随后在180mpa~420mpa外加拉应力场和820℃~860℃热场下进行应力预时效处理6h~12h，再进行720℃~780℃中温退火处理3h~5h，得到热处理后的ti2alnb合金。

3、本发明中先将增材制造ti2alnb合金坯件进行均匀化固溶处理，选择的980℃~1020℃温度区间为合金稳定b2单相区，有效避免了固溶温度过低无法溶解增材制造产生的脆性α2相与团聚o相、导致成分偏析无法消除，以及固溶温度过高导致坯体晶粒粗化、坯件畸变开裂；同时，通过控制固溶处理时间为1.5h~3h，避免了处理时间过短使得坯体芯部均质不足，以及处理时间过长使得坯体晶粒过度长大，从而获得均质b2基体，消除增材组织各向异性，为后续定向析出提供组织基础。

4、接着，本发明将均匀化固溶处理后的增材制造ti2alnb合金坯件在180mpa~420mpa外加拉应力场和820℃~860℃热场下进行应力预时效处理6h~12h，以定向调控强化相形貌、排布及尺寸，诱导细条状o强化相有序析出，改善b2/o相配比与相界面状态；该工序选择的820℃~860℃温度区间为细板条状塑性o相最优析出温区，避免温度过低导致o相成核不足、产物强度偏低，以及温度过高生成大块脆性o相割裂基体；同时控制外加拉应力场为80mpa~420mpa，避免拉应力低于应力诱导临界阈值180mpa导致o相无序析出、时效无增效，以及拉应力过高导致基体萌生微裂纹；通过控制处理时间为6h~12h，避免时间过短而强化相析出不足，以及时间过长导致析出相粗化脆化；本发明通过预时效耦合应力场，定向调控o相排布，兼顾强化与塑性，消解增材制造残余应力。

5、最后，本发明将应力预时效处理后的增材制造ti2alnb合金坯件在720℃~780℃中温退火处理3h~5h，以平衡应力释放与析出相稳定性，对o/b2两相界面修复稳化；该工序通过控制处理温度，避免温度过低导致位错、界面缺陷无法修复，残余应力富集，以及温度过高导致定向o相球化失效、合金高温强度衰减；同时通过控制处理温度，避免中温退火时长不足导致应力释放不完全，以及中温退火时长过长导致次生脆性α2相析出，从而平衡应力释放与析出相稳定性，协同提升合金的高低温塑性。

6、上述的一种提升增材制造ti2alnb合金强塑性的热处理方法，其特征在于，所述增材制造ti2alnb合金坯件为电子束粉床增材制造ti2alnb合金型材。本发明优选电子束粉床增材制造ti2alnb合金型材，其氧含量低、孔隙少、残余应力轴向均匀，可匹配轴向拉应力晶格调控机制，热处理畸变小、成品纯净度高，适宜作为航空航天等高端装备部件。

7、上述的一种提升增材制造ti2alnb合金强塑性的热处理方法，其特征在于，所述增材制造ti2alnb合金坯件的化学成分以原子百分比计为：al 18%~24%，nb 23%~26%，余量为ti和不可避免杂质。本发明通过限定合金坯件中的al原子百分比，以调控o相含量，避免al含量过低而坯件高温氧化性不足，以及al含量过高而基体脆性过大；通过限定合金坯件中的nb原子百分比，以稳定b2基体，避免nb含量过低导致基体易分解强度不足，以及nb含量过高生成nb基脆性化合物、成本升高，该化学成分配比适配本发明整套热处理相变规律，实现强塑性适配性最优。

8、上述的一种提升增材制造ti2alnb合金强塑性的热处理方法，其特征在于，所述均匀化固溶处理之前还对增材制造ti2alnb合金坯件进行喷砂清理与低温预去应力处理，其中，喷砂清理的压力为0.2mpa~0.4mpa，低温预去应力处理的温度为540℃~560℃、保温时间为1.5h~2.5h。本发明通过控制控制喷砂清理的压力，避免压力过小除杂不彻底以及压力过大损伤表层基体，通过控制低温预去应力处理的温度，避免温度过低应力无法释放以及温度过高提前析出不可逆脆性相，通过控制保温时间以适配不同壁厚坯件，可缓释80%以上的增材制造原生应力，杜绝后续热处理变形、夹杂缺陷。

9、上述的一种提升增材制造ti2alnb合金强塑性的热处理方法，其特征在于，所述热处理后的ti2alnb合金的室温拉伸强度≥1200mpa，屈服强度≥860mpa，伸长率≥8%，750℃拉伸强度≥690mpa，屈服强度≥560mpa，伸长率≥13%。本发明制备得到的热处理后ti2alnb合金力学性能为航空750℃级发动机承载构件准入服役指标，满足装配抗脆断、高温交变抗疲劳工况，相较于常规热处理塑性大幅提升，具备产业化服役价值。

10、本发明与现有技术相比具有以下优点：

11、1、本发明采用高温均匀化固溶+外加拉应力耦合热场预时效+中温退火复合工艺，有效弱化电子束粉床增材制造ti2alnb构件组织各向异性，同步实现室温、高温强塑性协同提升，打破常规热处理强度、塑性互斥的技术瓶颈。

12、2、本发明通过增设外加拉应力场辅助预时效，定向调控强化相形貌排布，无需锻造、轧制等塑性加工工序，仅需纯热处理即可优化合金组织结构，工艺适配异形、薄壁、复杂结构增材构件加工，适配航空异形零部件量产。

13、3、本发明的工艺窗口宽泛、参数可控性强，全程无易燃易爆介质、无特种冷却介质，热处理能耗低、工序连贯，可配套现有工业热处理炉、应力时效一体化设备批量生产。

14、4、本发明获得的热处理后的ti2alnb合金力学性能优异稳定：室温拉伸强度≥1200mpa，屈服强度≥860mpa，伸长率≥8%；750℃拉伸强度≥690mpa，屈服强度≥560mpa，伸长率≥13%，满足航空发动机750℃等级高温交变载荷构件服役指标。

15、下面通过附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的详细描述。