一种Ti2AlNb合金的激光熔化沉积增材制造方法

本发明涉及一种钛合金的增材制造方法。

背景技术：

1、ti2alnb基合金是以有序正交相o相为主的金属间化合物，金属键与共价键共存，兼具金属与陶瓷的性能特点，具有高熔点、低密度、高弹性模量、优异的高温强度与抗蠕变性能，是一种新型的轻质耐高温结构材料。ti2alnb基合金密度为镍基高温合金的60％，且突破了传统钛合金600℃应用的“热障”，有望代替镍基高温合金成为新一代的航空航天材料，因而在航空航天方面具有良好的应用前景。

2、ti2alnb基合金加工难度大，o相合金具有本征脆性，热加工变形能力差，难以加工成复杂形状的零件。铸态合金组织粗大，不利于性能的提升；若采用热加工，需要加热到较高温度，成本高，这些问题都给ti2alnb合金的应用带来障碍。激光熔化沉积是基于离散-堆积原理，通过控制激光、电子束、等离子体等能量源作用于粉末的一种增材制造技术。相比于传统制造方式，激光熔化沉积具有可以生产任何复杂形状零件的优势，且可以选用的材料范围广，生产周期短。因此，激光熔化沉积被广泛应用于钛合金航空航天零部件的生产中。

3、然而，钛合金在成形过程中对氧含量十分敏感，特别是ti2alnb基合金，增材过程中存在的氧化现象会使成形ti2alnb基合金晶界处生成连续的脆性α2相，这将导致合金的性能剧烈下降，而这些问题很难通过后处理改善，需要通过优化增材制造工艺参数、改进增材制造方法来解决。

技术实现思路

1、本发明为了解决现有激光熔化沉积制备ti2alnb合金易氧化导致力学性能较差的问题，提出一种ti2alnb合金的激光熔化沉积增材制造方法。

2、本发明ti2alnb合金的激光熔化沉积增材制造方法按以下步骤进行：

3、步骤一：

4、准备ti2alnb合金棒材，采用气雾法制粉将ti2alnb合金棒材制成用于激光熔化沉积的粉末；

5、步骤二：

6、将步骤一制得的用于激光熔化沉积的粉末进行烘干处理，然后放入粉末仓，将基板放入成型仓，在成型仓通入氩气进行洗气使成型仓内氧含量<50ppm；

7、步骤三：

8、设定打印参数和打印策略，在基板上进行ti2alnb合金的逐层打印，实现ti2alnb合金的激光熔化沉积增材制造；在基板上进行ti2alnb合金的逐层打印过程中，每层打印完成后停顿一段时间后进行下一层打印。

9、本发明原理及有益效果为：

10、现有的常规激光熔化沉积打印ti2alnb合金为连续打印，在打印过程中连续的激光能量输入使已打印部分持续受热，温度较高，容易与氧元素反应，氧元素在晶界处富集，加剧合金氧化程度，降低性能；同时，持续的热量输入使已打印部分加热到α2相形成温度区，在晶界处易形成α2相，而α2相为密排六方结构，滑移系较少，为脆性相，不利于性能的提升(其中抗拉强度在600mpa左右)，故常规的连续打印方式不利于ti2alnb合金的性能。本发明采用了层间停顿打印方式，避免了能量的持续输入，在停顿的过程中已打印合金的温度迅速下降，从而减小了打印过程中合金的氧化倾向，减少了晶界处脆性相α2相的析出；且在停顿过程中，晶内析出了大量细小弥散的强化相，有利于性能的提升。相较于连续打印的打印方式，本发明打印所得ti2alnb合金的抗拉强度由600mpa提高至900mpa，抗拉强度提高了50％，因此本发明解决了激光熔化沉积打印ti2alnb合金性能较差的问题，具有良好的应用前景。

技术特征：

1.一种ti2alnb合金的激光熔化沉积增材制造方法，其特征在于：ti2alnb合金的激光熔化沉积增材制造方法按以下步骤进行：

2.根据权利要求1所述的ti2alnb合金的激光熔化沉积增材制造方法，其特征在于：步骤一所述ti2alnb合金棒材按质量比由10～11％的al、41～43％的nb、0.04～0.08％的fe和余量的ti组成。

3.根据权利要求1所述的ti2alnb合金的激光熔化沉积增材制造方法，其特征在于：步骤一所述用于激光熔化沉积的粉末的粒径为75～150μm。

4.根据权利要求1所述的ti2alnb合金的激光熔化沉积增材制造方法，其特征在于：步骤二所述基板的材质为tc4或ta15；基板的材质的热膨胀系数与ti2alnb相似，可以增加增加材料与基板的结合程度。

5.根据权利要求1所述的ti2alnb合金的激光熔化沉积增材制造方法，其特征在于：步骤二所述粉末仓采用的送粉气体的流量为5～7l/min，送粉量为300～400g/h。

6.根据权利要求1所述的ti2alnb合金的激光熔化沉积增材制造方法，其特征在于：步骤二所述在成型仓通入的氩气的流量为3l/min。

7.根据权利要求1所述的ti2alnb合金的激光熔化沉积增材制造方法，其特征在于：步骤二所述烘干处理的温度为120℃，时间为30min。

8.根据权利要求1所述的ti2alnb合金的激光熔化沉积增材制造方法，其特征在于：步骤三所述打印参数包括：激光功率为2500～3000w、扫描速度为480～720mm/min、光斑直径为3mm、层高为0.5～0.7mm、搭接率为50％。

9.根据权利要求1所述的ti2alnb合金的激光熔化沉积增材制造方法，其特征在于：步骤三所述每层打印完成后停顿的时间为30～90s；层间停顿可以使已打印的合金迅速冷却，减少氧化程度。

10.根据权利要求1所述的ti2alnb合金的激光熔化沉积增材制造方法，其特征在于：步骤三所述扫描策略为：每层内打印光斑路径为“之”字，同一层内相邻道次光斑路径旋转180°，相邻层间光斑路径旋转90°。

技术总结
一种Ti2AlNb合金的激光熔化沉积增材制造方法，涉及一种钛合金的增材制造方法。为了解决现有激光熔化沉积制备Ti2AlNb合金易氧化导致力学性能较差的问题，提出一种Ti2AlNb合金的激光熔化沉积增材制造方法。本发明运用气雾化制备Ti2AlNb合金粉末，选择合适的粉末粒径范围和合适的增材工艺参数进行打印；打印过程中采用氩气气氛保护，单层内打印光斑路径为“之”字，相邻道次旋转180°，相邻层间激光路径旋转90°，采用层间停顿的打印方法，在停顿的过程中已打印合金的温度迅速下降，从而减小了打印过程中合金的氧化倾向，减少了晶界处脆性相α2相的析出，解决了激光熔化沉积打印Ti2AlNb合金性能较差的问题，具有良好的应用前景。

技术研发人员：范洪波,李好,黄永江,李泽浩,宁志良,王思佳,吕阳,孙剑飞
受保护的技术使用者：哈尔滨工业大学
技术研发日：
技术公布日：2024/12/5