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CN120002006A - 一种电子束选区熔化成形TiAl合金熔合不良缺陷抑制方法 - Google Patents

一种电子束选区熔化成形TiAl合金熔合不良缺陷抑制方法 Download PDF

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CN120002006A
CN120002006A CN202510350885.6A CN202510350885A CN120002006A CN 120002006 A CN120002006 A CN 120002006A CN 202510350885 A CN202510350885 A CN 202510350885A CN 120002006 A CN120002006 A CN 120002006A
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fusion
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刘海彦
杨广宇
牛京喆
王建
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Abstract

本发明公开了一种电子束选区熔化成形TiAl合金熔合不良缺陷抑制方法，该方法包括：一、建模后切层得到二维切片；二、设计各二维切片的扫描路径均采用相互平行、间距相等的平行扫描线，且相邻二维切片的扫描路径的中心线错位；三、成形基板预热后铺设TiAl合金粉末；四、粉末预热；五、扫描熔化形成单层实体沉积层，成形基板下降；六、依次重复铺粉、预热、扫描及熔化、成形基板下降工艺成形得到TiAl合金。本发明通过控制相邻二维切片的扫描路径的中心线错位，使得层间平行扫描线错位堆叠填充成形间隙，从而抑制熔合不良缺陷，获得高致密度的TiAl合金，无需热等静压等工序消除缺陷，适用于TiAl合金的增材制备领域。

Description

一种电子束选区熔化成形TiAl合金熔合不良缺陷抑制方法
技术领域
本发明属于电子束选区熔化增材制造技术领域，具体涉及一种电子束选区熔化成形TiAl合金熔合不良缺陷抑制方法。
背景技术
TiAl金属化合物合金密度仅3.8g/cm3～4.0g/cm3，是镍基高温合金的1/2,比钛合金还低10％～15％；室温弹性模量高达160GPa～170GPa，比钛合金高33％，而且弹性模量在750℃高温下还能保持150GPa，与GH4169高温合金相当；TiAl合金还具有高比强度，室温至800℃强度保持率达80％；同时高蠕变抗力、优异的抗氧化和阻燃性能，可在760℃～800℃长期工作，是非常有发展前途的轻质高温结构材料，可广泛应用于航空发动机或汽车的高温部件如叶片、涡轮盘，气门阀等。
电子束选区熔化(electron beam melting，EBM)可以实现三维复杂结构零部件的无模具、高性能的快速制备，其原理为：基于离散/堆积成形原理，利用计算机得到零部件的三维CAD实体模型，然后利用分层软件在部件高度方向进行分层切片，并将部件的三维轮廓信息转化为二维轮廓信息，并生成扫描路径；电子枪发射的高能电子束根据指定的扫描路径，逐层熔化沉积预置的金属或合金粉末，层层堆积形成三维零件。EBM方法经济、快速，特别适用于难加工、高性能难熔金属或合金零件的制备。
电子束选区熔化技术适合制造TiAl合金的产品。已有研究发现，电子束选区熔化技术适合制备各类TiAl合金产品，但成形TiAl合金中常见大量未熔合缺陷。通过热等静压处理等方法消除缺陷，但会导致金属组织粗化，强度降低。此外，热等静压处理成本高，效率低，对TiAl合金的应用推广极为不利。
目前，我国在电子束选区熔化技术方面与国外基本处于同一发展阶段。电子束选区熔化制备TiAl合金技术的应用推广到了关键环节。在这样的背景和契机下，解决上述电子束选区熔化制备TiAl合金熔合不良缺陷问题，对该技术的发展和应用非常重要。
发明内容
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，提供一种电子束选区熔化成形TiAl合金熔合不良缺陷抑制方法。本发明通过在电子束选区熔化工艺中控制相邻二维切片的扫描路径的中心线错位，使得层间平行扫描线错位堆叠，填充成形间隙，从而抑制熔合不良缺陷，获得高致密度的TiAl合金，无需进行热等静压等后续处理，解决了现有电子束选区熔化成形TiAl合金时出现大量未熔合缺陷的难题。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种电子束选区熔化成形TiAl合金熔合不良缺陷抑制方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一、根据目标产物TiAl合金进行三维建模，然后对获得的三维模型沿高度方向进行切层处理，将三维模型分割成多个厚度均匀的二维切片，并获取二维切片数据；
步骤二、根据步骤一中的二维切片数据，对各二维切片进行电子束熔化的扫描路径设计，各二维切片的扫描路径均采用相互平行、间距相等的平行扫描线，且相邻二维切片的扫描路径的中心线错位，然后将电子束熔化的扫描路径的数据导入到电子束选区熔化成形设备中；
步骤三、利用电子束对成形基板进行预热，然后通过刮粉装置在预热后的成形基板上均匀铺设TiAl合金粉末，且TiAl合金粉末的铺设厚度与步骤一中二维切片的厚度相等；
步骤四、利用电子束对步骤三中成形基板上铺设的TiAl合金粉末进行预热；
步骤五、按照步骤二中导入的电子束熔化的扫描路径数据，利用电子束对步骤四中预热后的TiAl合金粉末进行扫描，使得电子束扫描处的TiAl合金粉末熔化形成熔池，并随着电子束的离开而冷却沉积，形成单层实体沉积层，再将成形基板下降，且下降高度与步骤三中TiAl合金粉末的铺设厚度相同；
步骤六、依次重复步骤三中的铺粉工艺、步骤四中的预热工艺、步骤五中的扫描及熔化工艺、成形基板下降工艺，使得单层实体沉积层逐渐累积形成成形件，得到TiAl合金。
本发明的电子束选区熔化成形过程中还包括成形基板预热、粉末预热、扫描及熔化，通过对成形基板预热，为熔化成形过程奠定环境温度基础，通过粉末预热使其初步凝结，防止粉末飞溅，并维持环境温度，再通过扫描及熔化形成沉积层。
上述的一种电子束选区熔化成形TiAl合金熔合不良缺陷抑制方法，其特征在于，步骤一中所述二维切片的厚度均为50μm。
上述的一种电子束选区熔化成形TiAl合金熔合不良缺陷抑制方法，其特征在于，步骤二中所述各二维切片的扫描路径中相邻平行扫描线的间距均为0.1mm；所述相邻二维切片扫描路径的中心线错位的间距为0.05mm。通过控制相邻平行扫描线的间距，并控制相邻二维切片扫描路径的中心线错位的间距为相邻平行扫描线的间距一半，提高了层间平行扫描线错位堆叠抑制熔合不良缺陷的效果，并保证了TiAl合金的成形质量。
上述的一种电子束选区熔化成形TiAl合金熔合不良缺陷抑制方法，其特征在于，步骤三中所述成形基板为厚度10mm的不锈钢成形基板。
上述的一种电子束选区熔化成形TiAl合金熔合不良缺陷抑制方法，其特征在于，步骤三中所述成形基板的预热温度为1000℃，预热参数为：电子束扫描速度10000mm/s，电子束电流30mA。
上述的一种电子束选区熔化成形TiAl合金熔合不良缺陷抑制方法，其特征在于，步骤三中所述TiAl合金粉末的成分以原子百分比计表示为Ti-48Al-2Cr-2Nb，且TiAl合金粉末呈球形或近球形，粒径小于150μm。
上述的一种电子束选区熔化成形TiAl合金熔合不良缺陷抑制方法，其特征在于，步骤四中所述TiAl合金粉末的预热参数为：电子束扫描速度10000mm/s，电子束电流40mA，预热时间20s。
上述的一种电子束选区熔化成形TiAl合金熔合不良缺陷抑制方法，其特征在于，所述成形过程中电子束选区熔化成形设备的电子束加速电压为60kV。
上述的一种电子束选区熔化成形TiAl合金熔合不良缺陷抑制方法，其特征在于，步骤五中所述预热后的TiAl合金粉末的扫描及熔化参数为：电子束扫描速度5000mm/s，电子束电流12mA。
上述的一种电子束选区熔化成形TiAl合金熔合不良缺陷抑制方法，其特征在于，步骤六中待形成成形件后，向成形区域充入惰性气体加快冷却至温度降至60℃以下，取出成形件并冷却至室温。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1、本发明采用电子束选区熔化方法，并对电子束熔化的扫描路径进行设计，通过控制相邻二维切片的扫描路径的中心线错位，使得层间平行扫描线错位堆叠，填充成形间隙，从而抑制熔合不良缺陷，提高了电子束选区熔化成形TiAl合金的致密度，无需通过后续的热等静压处理消除熔合不良缺陷，减少了加工工序，缩短了研制周期，降低了制造成本，提高了TiAl合金的制备效率和经济性。
2、本发明的电子束选取熔化工艺几乎不受产品形状的制约，可以直接加工形状复杂的零件，近净成形无需或者仅需要很少的后处理，且成形过程中无需锻造、铸造及模具，避免合金污染，显著缩短制造周期，降低制造成本，同时未加工、多余的TiAl合金粉末可以回收重复利用，材料利用率高。
3、本发明的电子束选取熔化工艺采用高真空环境，对高温状态的TiAl合金具有更好的保护效果，能有效避免TiAl合金的氧化，保证TiAl合金的性能。
4、本发明的电子束选取熔化工艺成形TiAl合金时，TiAl合金粉末熔化形成的熔池尺寸很小，凝固时间极短，因此冷却速度很大，为高度非平衡凝固，凝固时间极短，能有效减少TiAl合金的微观偏析，而且TiAl合金致密度高，具有细小、均匀片层组织，从而获得力学性能优异的TiAl合金。
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。
附图说明
图1为本发明中建立的三维模型切层处理及设计的各二维切片扫描路径示意图。
图2为本发明中相邻二维切片的扫描路径的中心线错位示意图。
图3为本发明中采用的电子束选区熔化成形设备的结构示意图。
图4为本发明实施例1制备的TiAl合金的金相组织图。
图5为本发明对比例1制备的TiAl合金的金相组织图。
附图标记说明
1—电子枪； 2—电子束； 3—聚焦线圈；
4—偏转线圈； 5—铺粉机构；6—TiAl合金粉末；
7—沉积体； 8—成形基板；9—电子束选区熔化成形设备。
具体实施方式
实施例1
本实施例包括以下步骤：
步骤一、根据目标产物TiAl合金采用三维制图软件CAD进行三维建模，然后将三维模型沿高度方向进行切层处理，将三维模型分割成多个厚度均为50μm的二维切片，如图1所示，并获取二维切片数据；
步骤二、根据步骤一中的二维切片数据，对各二维切片进行电子束熔化的扫描路径设计，各二维切片的扫描路径均采用相互平行、相邻间距均为0.1mm的平行扫描线，如图1所示，且相邻二维切片的扫描路径的中心线错位，错位的间距为0.05mm，如图2所示，即相当于奇数层的二维切片扫描路径对应相同，偶数层的二维切片扫描路径对应相同，然后将电子束熔化的扫描路径的数据导入到如图3所示的电子束选区熔化成形设备9中；
步骤三、将TiAl合金粉末6装入电子束选区熔化成形设备9的铺粉机构5中，对电子束选区熔化成形设备9抽真空，利用电子枪1发射电子束2，控制电子束加速电压为60kV，并在聚焦线圈3和偏转线圈4作用下，作用于成形基板8进行预热，预热参数为：电子束扫描速度10000mm/s，电子束电流30mA，当预热温度到达1000℃后，通过铺粉机构5中的刮粉装置在预热后的成形基板8上均匀铺设TiAl合金粉末6，且TiAl合金粉末6的铺设厚度与步骤一中二维切片的厚度相等均为50μm；
所述TiAl合金粉末的成分以原子百分比计表示为Ti-48Al-2Cr-2Nb，且TiAl合金粉末呈球形或近球形，粒径小于150μm；所述成形基板8为厚度10mm的不锈钢成形基板；
步骤四、利用电子枪1发射电子束2，并在聚焦线圈3和偏转线圈4作用下，对步骤三中成形基板上铺设的TiAl合金粉末6进行预热，预热参数为：电子束扫描速度10000mm/s，电子束电流40mA，预热时间20s；
步骤五、按照步骤二中导入的电子束熔化的扫描路径数据，利用电子束对步骤四中预热后的TiAl合金粉末6进行扫描，使得电子束扫描处的TiAl合金粉末6熔化沉积后形成沉积体7，扫描及熔化参数为：电子束扫描速度5000mm/s，电子束电流12mA，并随着电子束的离开而冷却沉积，形成单层实体沉积层，再将成形基板8下降50μm；
步骤六、依次重复步骤三中的铺粉工艺、步骤四中的预热工艺、步骤五中的扫描及熔化工艺、成形基板下降工艺，使得单层实体沉积层逐渐累积形成成形件，待形成成形件后，向成形区域充入惰性气体加快冷却至温度降至60℃以下，取出成形件并冷却至室温，得到TiAl合金。
对比例1
本对比例与实施例1的不同之处为：步骤二中各二维切片的扫描路径设计相同不存在错位。
图4为本发明实施例1制备的TiAl合金的金相组织图，图5为本发明对比例1制备的TiAl合金的金相组织图，将图4与图5进行比较可知，图5中TiAl合金的金相组织中存在明显的未熔合缺陷(图中黑点)，而图4中TiAl合金的金相组织中未熔合缺陷(图中黑点)明显得到抑制，说明相较于常规设计各二维切片的扫描路径设计相同，本发明通过设计相邻二维切片的扫描路径的中心线错位，使得层间平行扫描线错位堆叠填充成形间隙，从而抑制熔合不良缺陷，获得高致密度的TiAl合金。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制。凡是根据发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (10)

1.一种电子束选区熔化成形TiAl合金熔合不良缺陷抑制方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一、根据目标产物TiAl合金进行三维建模，然后对获得的三维模型沿高度方向进行切层处理，将三维模型分割成多个厚度均匀的二维切片，并获取二维切片数据；
步骤二、根据步骤一中的二维切片数据，对各二维切片进行电子束熔化的扫描路径设计，各二维切片的扫描路径均采用相互平行、间距相等的平行扫描线，且相邻二维切片的扫描路径的中心线错位，然后将电子束熔化的扫描路径的数据导入到电子束选区熔化成形设备中；
步骤三、利用电子束对成形基板进行预热，然后通过刮粉装置在预热后的成形基板上均匀铺设TiAl合金粉末，且TiAl合金粉末的铺设厚度与步骤一中二维切片的厚度相等；
步骤四、利用电子束对步骤三中成形基板上铺设的TiAl合金粉末进行预热；
步骤五、按照步骤二中导入的电子束熔化的扫描路径数据，利用电子束对步骤四中预热后的TiAl合金粉末进行扫描，使得电子束扫描处的TiAl合金粉末熔化形成熔池，并随着电子束的离开而冷却沉积，形成单层实体沉积层，再将成形基板下降，且下降高度与步骤三中TiAl合金粉末的铺设厚度相同；
步骤六、依次重复步骤三中的铺粉工艺、步骤四中的预热工艺、步骤五中的扫描及熔化工艺、成形基板下降工艺，使得单层实体沉积层逐渐累积形成成形件，得到TiAl合金。
2.根据权利要求1所述的一种电子束选区熔化成形TiAl合金熔合不良缺陷抑制方法，其特征在于，步骤一中所述二维切片的厚度均为50μm。
3.根据权利要求1所述的一种电子束选区熔化成形TiAl合金熔合不良缺陷抑制方法，其特征在于，步骤二中所述各二维切片的扫描路径中相邻平行扫描线的间距均为0.1mm；所述相邻二维切片扫描路径的中心线错位的间距为0.05mm。
4.根据权利要求1所述的一种电子束选区熔化成形TiAl合金熔合不良缺陷抑制方法，其特征在于，步骤三中所述成形基板为厚度10mm的不锈钢成形基板。
5.根据权利要求1所述的一种电子束选区熔化成形TiAl合金熔合不良缺陷抑制方法，其特征在于，步骤三中所述成形基板的预热温度为1000℃，预热参数为：电子束扫描速度10000mm/s，电子束电流30mA。
6.根据权利要求1所述的一种电子束选区熔化成形TiAl合金熔合不良缺陷抑制方法，其特征在于，步骤三中所述TiAl合金粉末的成分以原子百分比计表示为Ti-48Al-2Cr-2Nb，且TiAl合金粉末呈球形或近球形，粒径小于150μm。
7.根据权利要求1所述的一种电子束选区熔化成形TiAl合金熔合不良缺陷抑制方法，其特征在于，步骤四中所述TiAl合金粉末的预热参数为：电子束扫描速度10000mm/s，电子束电流40mA，预热时间20s。
8.根据权利要求1所述的一种电子束选区熔化成形TiAl合金熔合不良缺陷抑制方法，其特征在于，步骤五中所述单层实体沉积层的整个成形过程中电子束选区熔化成形设备的电子束加速电压为60kV。
9.根据权利要求1所述的一种电子束选区熔化成形TiAl合金熔合不良缺陷抑制方法，其特征在于，步骤五中所述预热后的TiAl合金粉末的扫描及熔化参数为：电子束扫描速度5000mm/s，电子束电流12mA。
10.根据权利要求1所述的一种电子束选区熔化成形TiAl合金熔合不良缺陷抑制方法，其特征在于，步骤六中待形成成形件后，向成形区域充入惰性气体加快冷却至温度降至60℃以下，取出成形件并冷却至室温。
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CN107931609A (zh) * 2017-11-24 2018-04-20 西北有色金属研究院 一种TiAl合金涡轮叶片的制备方法
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