一种仿贝壳结构的合金激光增材制造方法与流程

1.本发明属于激光增材制造的技术领域，特别是涉及一种仿贝壳结构的合金激光增材制造方法。


背景技术：

2.科学技术的不断进步对各类工程机械结构的性能提出了更高的要求，金属材料在结构设计与制造上正面临着新的挑战。金属材料是最重要的结构材料，因其具有优异的力学性能和理化性能被广泛应用于人类社会的各行各业。随着现代工业的发展对复合材料的性能要求越来越高，为解决这一潜在技术难题，科学家们尝试了将不同性能的材料按照一定的比例关系进行复合，以达到兼顾各材料优良的力学性能，但随着对复合材料研究的深入，这种效应逐渐达到了两种材料性能发挥的瓶颈：无法同时使复合材料的强度和硬度都达到一个理想状态。


技术实现要素：

3.本发明为解决上述背景技术中存在的技术问题，提供了一种仿贝壳结构的合金激光增材制造方法。
4.本发明采用以下技术方案来实现：一种仿贝壳结构的合金激光增材制造方法，包括以下步骤：步骤一、按照预定比例分别配制钛合金颗粒、高熵合金颗粒，过筛得到预定粒径大小的钛合金粉末、高熵合金粉末，雾化处理、真空保存；步骤二、构造“砖-泥”工件，所述“砖-泥”工件包括：按照需求分布的若干个a区域，以及设于相邻a区域之间的若干组b区域；在进一步的实施例中，a区域呈矩形，且若干a区域相互之间呈矩阵分布，则b区域为相邻a区域之间的间隙，该间隙满足预定的宽度d,d大于激光光斑直径。
5.步骤三、选用钛合金作为基板，并进行焊前的预热处理；钛合金选用尺寸为尺寸210
×
300
×
10mm的tc4合金，并在预热处理之前对基板的表面依次使用400、800目的砂纸打磨去除氧化皮，然后用酒精清洗吹干备用。
6.步骤四、设置每层的激光扫描路径，按照所述激光扫描路径在a区域内完成钛合金粉末的铺敷、清扫；随后在b区域内完成高熵合金粉末的铺敷、清扫，形成单层铺设粉末；步骤五、重复步骤四，实现在基板上的逐层铺设预定层数，得到钛合金/高熵合金构件；步骤六、将所述钛合金/高熵合金构件于氩气保护气氛中进行热处理，得到具有仿贝壳珍珠层的合金构件。
7.在进一步的实施例中，所述钛合金粉末为粒径为48-75μm 的tc4钛合金，按照质量百分比包括：ti：89.01~89.20%、al：6.38~6.48%、v：4.25~4.38%、fe：0.04~0.06%、c：0.02~0.04%。进一步优选为：ti：89.12%、al：6.42%、v：4.30%、fe：0.05%、c：0.03%。
8.通过采用上述技术方案，钛合金比强度高、耐蚀性能优异，且在高温条件下具有良好的抗蠕变性和热疲劳强度。
9.在进一步的实施例中，所述高熵合金粉末为alcocrfeniti
0.5
高熵合金，按照质量百分比包括：al: 9.74~9.80%、co: 21.27~21.32%、cr：18.75~18.82%、fe: 20.19~20.26%、ni: 21..18~21.23%、ti: 8.63~8.68% 。进一步优选为：al: 9.75%、co: 21.30%、cr：18.77%、fe: 20.22%、ni: 21.30%、ti：8.66% 。
10.通过采用上述技术方案，高熵合金由至少5种以上的元素按照等原子比或接近等原子比合金化而成，其特有的组成方式使其具有许多微观和宏观上的特性，包括：高熵效应、晶格畸变效应、扩散迟缓效应和性能上的鸡尾酒效应。
11.在进一步的实施例中，所述步骤三中的基板的预热处理具体包括以下流程：采用预热装置对基板进行加热，使基板在60min内由室温上升至200-300℃，保温15-30min后进行增材制造；增材制造过程中，采用所述预热装置持续对基板进行预热处理，预热温度200-300 ℃；增材制造过程结束，将预热装置温度设置为150-200℃范围，保持30-60min后，关闭预热装置。
12.在进一步的实施例中，所述步骤四中的激光扫描路径为：将a区域划分为n道相互平行的带式分区，对每道带式分区依次按照预定方向进行扫描直至a区域完全扫描完成，其中n为大于2的整数。
13.a区域上下边框的b区域部分，其激光扫描路径按照激光扫描a区域的路径进行，而左右两边边框的b区域边框部分则按着重新设置的预定方向路径进行扫描，直至扫描完成。
14.在进一步的实施例中，所述步骤四中的单层铺设粉末的厚度为0.28~0.32mm；所述单层铺设粉末中的高熵合金粉末的质量为ma，钛合金粉末质量为mb，则ma：mb=（89~91）%：（9~11）%。进一步优选为：ma：mb=90%：10%。
15.在进一步的实施例中，所述步骤三之前还包括：设置激光扫描参数：单层厚度为0.3-0.5mm，激光功率为1500-2000 w，光斑直径为3-4mm，扫描速度为6-20mm/s；位于中间层的粉末层在扫描时采用单层旋转角度为增材中心同轴旋转，旋转角度为3
°
~15
°
之间。
16.在进一步的实施例中，每道带式分区形成熔池后，激光停留2~4s。
17.在进一步的实施例中，所述步骤六中的热处理具体包括以下工艺：固溶处理：850℃-950℃，时间6-8h，冷却方式炉冷；时效处理：480℃-560℃，时间4-8h，冷却方式为空冷。
18.在进一步的实施例中，所述预热装置包括：基本平台，其上设置有网状加热器；隔热层，设于所述基准平台与网状加热器之间；所述网状加热器用于放置基板，并加热；热电偶，连接于所述基板；所述网状加热器通过交流接触器与数显调节仪相连接，温度数显调节仪被设置为预热温度，并通过热电偶监测成形基板的实时温度，完成预热装置的开或关。
19.本发明的有益效果：本发明增设“砖-泥”工件，先后分别于a区域和b区域中铺设钛
合金粉末和高熵合金粉末，形成熔池。则a区域中的钛合金粉末开始凝固时，位于b区域中的高熵合金粉末正处于融化状态，使a区域与b区域的交接处的钛合金粉末和高熵合金粉末之间构成软硬交织，生成连续的仿贝壳结构。
20.同时本发明的增材制造方法是基于激光熔敷工艺，利用其高能量密度的激光束进行选区扫描，从而产生迅速熔化和凝固的过程，大大缩短块体成形时间，而且由于冷却速度较快，晶体在较短的时间内未能及时长大，从而晶粒尺寸较小，达到细化晶粒的效果，最终实现了工件其强度和塑韧性均达到理想状态。
附图说明
21.图1为微观扫描图。
22.图2为“砖-泥”工件的结构图。
23.图3为扫描a区域的线路图。
24.图4为扫描a区域两边的b区域的线路图。
25.图5为实施例3中的合金激光增材制造设备图。
26.图6为炉冷温度时间曲线图。
27.图7为空冷温度时间曲线图。
28.图2和图5中的各标注为：a区域1、b区域2、加工室3、保护气进口4、保护气出口5、扫描器6、激光器7、激光窗口8、升降台9、基板10、激光束11、水平刮板12。
具体实施方式
29.下面结合在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本发明更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员而言显而易见的是，本发明可以无需一个或多个这些细节而得以实施。在其他例子中，为了避免与本发明发生混淆，对于本领域公知的一些技术特征未进行描述。
30.申请人研究发现，不同结构的合金在按照预定的比例进行复合时，因各自的结构无法很好的融合，导致每组合金的力学性能被相互干预到，即无法将各自的性能发挥到最佳的状态。
31.实施例1本实施例为解决上述技术问题，本实施例提供了一种仿贝壳结构的合金激光增材制造方法，包括以下步骤：步骤一、按照预定比例分别配制钛合金颗粒、高熵合金颗粒，过筛得到预定粒径大小的钛合金粉末、高熵合金粉末，雾化处理、真空保存；在本实施例中，选用粒径为48-75μm 的tc4钛合金和高熵合金粉末作为增材材料。其中tc4钛合金按照质量百分比包括：ti：89.01%、al： 6.48%、v：4.25%、fe：0.06%、c：0.02%。alcocrfeniti
0.5
高熵合金按照质量百分比包括：al: 9.75%、co: 21.30%、cr：18.77%、fe: 20.22%、ni: 21.30%、ti：8.66% 。钛合金比强度高、耐蚀性能优异，且在高温条件下具有良好的抗蠕变性和热疲劳强度。高熵合金由至少5种以上的元素按照等原子比或接近等原子比合金化而成，其特有的组成方式使其具有许多微观和宏观上的特性，包括：高熵效应、晶格畸变效应、扩散迟缓效应和性能上的鸡尾酒效应。如合金中存在al、co、cr、fe、ni、ti6种元素互溶，其具有高的混合熵效应，导致
系统的混合熵比形成金属间化合物的熵变更大，抑制金属间化合物的形成，促进简单晶体结构的形成；各金属之间的原子半径相差明显，使得结晶过后晶格造成严重畸变，从而带来合金的特殊物理性能和化学性能；由于各种元素在扩散过程中其扩散速率不同，这就使得合金在凝固过程中产生扩散缓慢现象，造成晶体在形核过程中较为困难；该合金中添加抗腐蚀性能较好的cr、ni、ti等元素，使得金属的耐蚀性大大提高，而添加高温性能较好的co元素则会对合金的高温性能产生很大影响。
32.步骤二、构造“砖-泥”工件，所述“砖-泥”工件包括：按照需求分布的若干个a1区域，以及设于相邻a区域1之间的若干组b区域2。如图1所示，在本实施例中，a区域1呈矩形，且若干a区域相互之间呈矩阵分布，则b区域2为相邻a区域之间的间隙，该间隙满足预定的宽度需求。定义a区域由两相对设置的长边l1和两相对设置的短边首尾连接而成，并限定，长边所在的方向为x轴向，则短边所在向为y轴向。定义b区域的宽度为d，即为相邻a区域之间的间隙等于d。
33.步骤三、选用钛合金作为基板，并进行焊前的预热处理；钛合金选用尺寸为尺寸210
×
300
×
10mm的tc4合金，并在预热处理之前对基板的表面依次使用400、800目的砂纸打磨去除氧化皮，然后用酒精清洗吹干备用。在进一步的实施例中，预热处理具体包括以下流程：采用预热装置对基板进行加热，使基板在60min内由室温上升至200 ℃，保温20min后进行增材制造；增材制造过程中，采用所述预热装置持续对基板进行预热处理，预热温度300℃；增材制造过程结束，将预热装置温度设置为180℃范围，保持45min后，关闭预热装置。
34.步骤四、设置每层的激光扫描路径，按照所述激光扫描路径在a区域内完成钛合金粉末的铺敷、清扫；随后在b区域内完成高熵合金粉末的铺敷、清扫，形成单层铺设粉末；在进一步的实施例中，所述激光扫描路径具体表现为：将a区域划分为n道相互平行的带式分区，对每道带式分区依次按照预定方向进行扫描直至a区域完全扫描完成，其中n为大于2的整数。a区域上下边框的b区域部分，其激光扫描路径按照激光扫描a区域的路径进行，而左右两边的b区域边框部分则按着预定方向路径进行扫描，直至扫描完成。
35.举例说明：a区域中，n道带式分区相互独立且平行方向与x轴向一致，首先于其中一个a区域中选定好起点，且所述起点位于第一道带式分区的左端，开始完成第一道带式分区内的tc4钛合金粉末熔融，其走向为沿第一道带式分区的左端向右端进行，待形成熔池后，激光停留4s，使熔融过后的焊道有一个冷却的过程，金属内部的组织会变得细小，成分更均匀，性能更好；激光处于暂停工作的状态返回到当前a区域的左端，并将第二道带式分区的左端作为起点，按照从左端至右端的走向进行熔融；如此反复，依次实现第三道带式分区、第四道带式分区、
…
、第n道带式分区的激光扫描。待所有的a区域全部扫描完成后，清扫未熔融的tc4钛合金粉末。
36.开始在b区域中铺敷alcocrfeniti
0.5
高熵合金粉末，b区域中，n道带式分区相互独立且平行方向与y轴向一致设定铺敷的起点，按照b区域的分布情况，a区域上下边框的b区域部分，其激光扫描路径按照激光扫描a区域的路径进行，而左右两边的b区域边框部分，首先于其中上端选定好起点，其走向沿第一道带式分区的上端向下端进行，待形成熔池后，激
光停留4 s,激光处于暂停工作的状态返回到当前的上端，并将第二道带式分区的上端作为起点，按照从上端至下端的走向进行熔融；如此反复，依次实现第三道带式分区，第四道分区、...、第n道带式分区的激光扫描，直至扫描完成，且在b区域中形成熔池的过程中，使与b区域交界的a区域再次融化烧结，使钛合金粉末和高熵合金粉末之间构成软硬交织，生成连续的仿贝壳结构。待全部扫描完成后，清扫未熔融的tc4钛合金粉末或alcocrfeniti
0.5
高熵合金粉末。
37.层间单层旋转角度为增材中心同轴旋转，旋转角度为5
°
。
38.在进一步的实施例中，即每层的粉末铺设层均包括位于a区域内的钛合金粉末和位于b区域内的高熵合金粉末。且a区域的总铺设面积与b区域的总铺设面积的大小关系需要满足钛合金粉末与高熵合金粉末之间的质量关系：所述单层铺设粉末中的高熵合金粉末的质量为ma，钛合金粉末质量为mb，则ma：mb=（89~91）%：（9~11）%。进一步优选为：ma：mb=90%：10%。且单层的层厚为0.3mm。
39.步骤五、重复步骤四，实现在基板上的逐层铺设预定层数，得到钛合金/高熵合金构件；按照步骤四中的每层的粉末铺设方法依次向上叠加，完成预定层数的铺设。
40.步骤六、将所述钛合金/高熵合金构件于氩气保护气氛中进行热处理，得到具有仿贝壳珍珠层的合金构件。在进一步的实施例中，氮气作为保护气时，流量为20 l/min。所述步骤六中的热处理具体包括以下工艺：固溶处理：850℃，时间6h的退火处理，冷却方式炉冷，具体温度时间曲线如图6所示。时效处理：500℃，时间4h，冷却方式为空冷，具体温度时间曲线如图7所示。
41.需要说明的是，在步骤三之前还包括：设置激光扫描参数，具体参数表现为：单层厚度为0.3-0.5mm，激光功率为1.5-2.0 kw，光斑直径为3-4 mm，扫描速度为6-20 mm/s。其中，光斑的直径应大于b区域的宽度d，使tc4钛合金粉末和alcocrfeniti
0.5
高熵合金粉末在交界处充分熔融结合。扫描参数进一步优选为层厚度为0.3-0.5 mm，激光功率为1.5-2.0 kw，光斑直径为3.5mm，激光功率为1.7 kw，光斑直径为3.5 mm，扫描速度为10 mm/s。
42.将本实施例制备到的构件取出，表面清理后进行拉伸试验。增材构件的抗拉强度和延伸率如下表所述。 抗拉强度/mpa延伸率/%1—横向 125020.32—横向1640 19.53—横向191516.31—纵向154219.82—纵向1794 17.23—纵向198915.6
43.实施例2步骤一、按照预定比例分别配制钛合金颗粒、高熵合金颗粒，过筛得到预定粒径大小的钛合金粉末、高熵合金粉末，雾化处理、真空保存；在本实施例中，选用粒径为48-75μm 的tc4钛合金和高熵合金粉末作为增材材料。其中tc4钛合金按照质量百分比包括：ti：89.16%、al：6.38%、v：4.38%、fe：0.05%、c：0.03%。alcocrfeniti
0.5
高熵合金按照质量百分比包括：al: 9.75%、co: 21.30%、cr：18.77%、fe: 20.22%、ni: 21.30%、ti：8.66% 。
44.步骤二、构造“砖-泥”工件，所述“砖-泥”工件包括：按照需求分布的若干个a区域，以及设于相邻a区域之间的若干组b区域；步骤三、选用尺寸为尺寸210
×
300
×
10mm的tc4合金作为基板，并在预热处理之前对基板的表面依次使用400、800目的砂纸打磨去除氧化皮，然后用酒精清洗吹干备用。
45.采用预热装置对基板进行加热，使基板在60 min内由室温上升至200℃，保温20min后进行增材制造；增材制造过程中，采用所述预热装置持续对基板进行预热处理，预热温度300℃；增材制造过程结束，将预热装置温度设置为200℃范围，保持30min后，关闭预热装置。
46.步骤四、设置每层的激光扫描路径，按照所述激光扫描路径在a区域内完成钛合金粉末的铺敷、清扫；随后在b区域内完成高熵合金粉末的铺敷、清扫，形成单层铺设粉末；步骤五、重复步骤四，实现在基板上的逐层铺设预定层数，得到钛合金/高熵合金构件；步骤四至步骤五的具体步骤与实施例中对应步骤相一致，故在此不做赘述，层间单层旋转角度为增材中心同轴旋转，旋转角度为12
°
。
47.步骤六、将所述钛合金/高熵合金构件于氩气保护气氛中进行热处理，得到具有仿贝壳珍珠层的合金构件。在进一步的实施例中，氮气作为保护气时，流量为20 l/min。所述步骤六中的热处理具体包括以下工艺：固溶处理：900 ℃，时间8h的退火处理，冷却方式炉冷；时效处理：560 ℃，时间8 h，冷却方式为空冷。
48.将本实施例制备到的构件取出，表面清理后进行拉伸试验。增材构件的抗拉强度和延伸率如表1： 抗拉强度/mpa延伸率/%1—横向 126020.02—横向1542 18.83—横向197016.31—纵向143219.92—纵向 1856 16.23—纵向197315.4综上所述，采用增材制造工艺进行复杂仿生交织结构的制备是由于贝壳珍珠层的层间“砖-泥”叠合结构在尺度上是微小的，在结构上是呈现“砖-泥”材料交织成形的，钛合金比强度高、耐蚀性能优异，且在高温条件下具有良好的抗蠕变性和热疲劳强度，是制造航空发动机零部件的重要材料。高熵合金由至少5种以上的元素按照等原子比或接近等原子比合金化而成，其特有的组成方式使其具有许多微观和宏观上的特性，包括：高熵效应、晶格畸变效应、扩散迟缓效应和性能上的鸡尾酒效应。
49.因此，以tc4钛合金作软质材料，以alcocrfeniti
0.5
高熵合金作硬质材料通过选取激光熔融方式增材出来的工件其强度和塑性都达到一个理想状态。如下表所示：制造方法抗拉强度/mpa延伸率/%轧制tc4904~115012.5~16电子束增材tc4947.5~1167.26.0~20激光选区熔融tc41265.5~1283.59.0~11.5
tig电弧增材tc49988.7~12.0激光选区熔融tc4 alcocrfeniti
0.5
ꢀꢀ
高熵合金1250~200015.1~20.3实施例3基于实施例1至实施例2，用于实现上述制备方法，本实施例公开了一种合金激光增材制造设备，如图3所示，包括：内部为镂空结构的加工室3，加工室的两侧面相对设置有保护气进口4和保护气出口5，用于灌输保护气体营造保护氛围。还包括：用于激光扫描的扫描器6和激光器7，设于加工室外，用于生成激光束11执行激光扫描的操作。所述加工室的顶部设置有激光窗口8，透过激光窗口便于观察内部的作用情况。
50.还包括设于工作室下方且与工作室相连通的物料室，物料室的内部设置有升降台9，所述升降台9用于放置基板10。为了便于后期清扫未熔融的粉料，故在加工室内设置了可移动的水平刮板12，用于刮料。
51.在进一步的实施例中，实施例1和实施例2中的预热装置包括：基本平台，其上设置有jrd-djr网状加热器；隔热层，设于所述基准平台与网状加热器之间；所述网状加热器用于放置基板，并加热；ht-9815热电偶温度计，连接于所述基板；所述网状加热器通过cj20-160-380v交流接触器与xmtd-2001数显调节仪相连接，温度数显调节仪被设置为预热温度，并通过热电偶监测成形基板的实时温度，完成预热装置的开或关。
52.通过采用上述技术方案：实现对基板温度的实时监控。