促进钛合金增材制造柱状晶向等轴晶转变和组织细化方法与流程

1.本发明属于增材制造领域，涉及一种促进钛合金增材制造柱状晶向等轴晶转变和组织细化方法。


背景技术：

2.增材制造技术因其具备可制造结构复杂构件以及高的材料利用率对传统减材制造技术发起了挑战，尤其是在ti-6al-4v钛合金构件制造领域。随着对钛合金增材制造研究的展开发现，钛合金增材制造过程中存在一个共性问题，即制造过程中β晶以外延生长的方式，形成高度超过几个沉积层厚度的粗大柱状晶，粗大柱状晶会导致沉积体性能的各向异性，以及相变过程形成大尺寸的板条状α相，不利于增材制造钛合金构件的推广应用。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种促进钛合金增材制造柱状晶向等轴晶转变和组织细化方法，该方法促进钛合金增材制造柱状晶向等轴晶转变和组织细化。
4.为达到上述目的，本发明所述的促进钛合金增材制造柱状晶向等轴晶转变和组织细化方法包括以下步骤：
5.在沉积各道次金属前，在待沉积位置表面均匀涂覆一层微米级fe元素醇基悬浊液，待醇集溶剂挥发后，在惰性气体保护气氛下进行该道次金属沉积，直至各道次金属沉积完成为止，通过fe元素促进钛合金增材制造柱状晶向等轴晶转变及形成超细微观组织。
6.具体包括以下步骤：
7.1)配置微米级fe元素的乙醇悬浊液；
8.2)将微米级fe元素的乙醇悬浊液均匀涂覆于待沉积位置的表面，放置使乙醇挥发；
9.3)在氩气的气氛下，进行该道次的金属沉积，然后冷却至室温；
10.4)重复步骤2)及步骤3)，直至所有道次金属沉积完成为止。
11.微米级fe元素醇基悬浊液中fe元素的平均尺寸为5μm。
12.微米级fe元素醇基悬浊液中fe元素的质量百分比fe(wt.)％＝20
×
送丝速度(m/s)
÷
扫描速度(m/s)
×
100％。
13.通过fe元素使钛合金凝固前沿生成大的成分过冷，促进钛合金熔体在凝固前沿形核，导致熔池凝固前沿生成的形核质点以竞争生长的形式长大，在沉积体中形成等轴晶。
14.添加fe元素导致沉积体中生成ω相和tife相。
15.tife相由β相共析分解产生且弥散分布在沉积体中。
16.当β相共析分解时，tife相先于α相长大，tife作为α相的形核质点，促进纳米级α相的产生，沉积体中α相的尺寸为纳米级。
17.加入适量fe元素的沉积体元素的钛合金沉积层初生β晶的晶粒形貌为等轴晶，平
均尺寸为50μm。
18.本发明具有以下有益效果：
19.本发明所述的促进钛合金增材制造柱状晶向等轴晶转变和组织细化方法在具体操作时，通过添加微米级fe元素，以促进生成等轴β晶，同时促进沉积层形成超细微观组织，另外，添加fe后沉积体中细晶强化、弥散强化及固溶强化的作用增强，使沉积体获得优异的力学性能。与不添加fe元素的增材制造ti-6al-4v合金相比，添加适量fe后钛合金沉积体中β晶晶粒的尺寸约为50μm，沉积体的平均硬度、屈服强度、抗压强度和塑性变形分别提高3.5％、43％、70％及79％。
附图说明
20.图1为原始fe粉末形貌扫描照片；
21.图2a为不添加fe的ti-6al-4v沉积层截面的宏观金相照片；
22.图2b为添加适量fe的ti-6al-4v沉积层截面的宏观金相照片；
23.图3a为不添加fe的ti-6al-4v沉积层在凝固前沿的形核长大原理图；
24.图3b为添加适量fe的ti-6al-4v沉积层在凝固前沿的形核长大原理图
25.图4为不添加fe以及添加适量fe的ti-6al-4v沉积体的xrd检测结果图片；
26.图5a为添加适量fe的ti-6al-4v沉积体中，tife相促进α相形核的照片；
27.图5b为图5a中区域a的放大照片；
28.图6为不添加fe以及添加适量fe的ti-6al-4v沉积体压缩曲线对比图；
29.图7a为不添加fe的ti-6al-4v沉积体微观硬度曲线；
30.图7b为添加适量fe的ti-6al-4v沉积体微观硬度曲线。
具体实施方式
31.为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，不是全部的实施例，而并非要限制本发明公开的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要的混淆本发明公开的概念。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
32.在附图中示出了根据本发明公开实施例的结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚表达的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。
33.本发明所述的促进钛合金增材制造柱状晶向等轴晶转变和组织细化方法包括以下步骤：
34.在沉积各道次金属前，在待沉积位置表面均匀涂覆一层微米级fe元素醇基悬浊液，待醇集溶剂挥发后，在惰性气体保护气氛下进行该道次金属沉积，直至各道次金属沉积完成为止，通过fe元素促进钛合金增材制造柱状晶向等轴晶转变及形成超细微观组织。
35.具体包括以下步骤：
36.1)配置微米级fe元素的乙醇悬浊液；
37.2)将微米级fe元素的乙醇悬浊液均匀涂覆于待沉积位置的表面，放置使乙醇挥发；
38.3)在氩气的气氛下，进行该道次的金属沉积，然后冷却至室温；
39.4)重复步骤2)及步骤3)，直至所有道次金属沉积完成为止。
40.微米级fe元素醇基悬浊液中fe元素的平均尺寸为5μm。
41.微米级fe元素醇基悬浊液中fe元素的质量百分比fe(wt.)％＝20
×
送丝速度(m/s)
÷
扫描速度(m/s)
×
100％，沉积工艺参数为激光功率为3300kw，送丝速度为0.064m/s，扫描速度为0.02m/s，离焦量为20mm。
42.通过fe元素使钛合金凝固前沿生成大的成分过冷，促进钛合金熔体在凝固前沿形核，导致熔池凝固前沿生成的形核质点以竞争生长的形式长大，在沉积体中形成等轴晶；添加fe元素导致沉积体中生成ω相和tife相；tife相由β相共析分解产生且弥散分布在沉积体中，当β相共析分解时，tife相先于α相长大，tife作为α相的形核质点，促进纳米级α相的产生，沉积体中α相的尺寸为纳米级，加入适量fe元素的沉积体元素的钛合金沉积层初生β晶的晶粒形貌为等轴晶，平均尺寸为50μm。
43.不添加fe元素的ti-6al-4v合金沉积层微观组织照片如图2a所示，初生β晶的晶粒尺寸超过100μm；添加fe元素的ti-6al-4v合金沉积层微观组织照片如图2b所示，初生β晶的晶粒尺寸约为50μm。如图3所示，fe元素能使钛合金凝固前沿生成大的成分过冷，促进钛合金熔体在凝固前沿形核，导致熔池凝固前沿生成的形核质点以竞争生长的形式长大，在沉积体中形成等轴晶。xrd检测结果发现，添加fe元素后，沉积体中能生成ω相和tife相，如图4所示。tife相由β相共析分解产生且弥散分布在沉积体中，当β相共析分解时，tife相的生长速率较快而先于α相长大，tife相在β
→
tife α过程中产生，且在反应过程中tife相作为第一相先长大，如图5所示，tife长大之后作为α相的形核质点，促进纳米级α相的产生。
44.图6为不添加以及添加适当fe元素的ti-6al-4v沉积层的压缩强度曲线，未添加fe元素的沉积层屈服强度为1000mpa，抗压强度为1670mpa，塑性变形为24％；添加适当fe元素后沉积层屈服强度为1430mpa，抗压强度为2830mpa，塑性变形为43％。
45.图7为不添加以及添加适当fe元素的ti-6al-4v沉积层的硬度分布曲线，未添加fe元素的沉积层平均硬度为430hv；添加适当fe元素后沉积层平均硬度为445hv。添加适量fe后钛合金沉积体的平均硬度、屈服强度、抗压强度和塑性变形分别提高3.5％、43％、70％和79％。
46.以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细说明，领域的普通技术人员应当理解：如上所述，结合附图和实施例所给出的方案内容，可以衍生出类似的技术方法。对于利用电弧、电子束等热源，采用不同直径，不同合金元素含量的钛合金丝材为填充金属进行增材成形的过程中均可。利用fe元素促进沉积体中形成等轴β晶，同时在通过第二相诱导沉积体生成超细微观组织，对沉积体同时起到细晶强化、弥散强化和固溶强化的作用。依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。