能有效降低激光增材制造钛合金各向异性的热处理方法

摘要

本发明公开了一种能有效降低激光增材制造钛合金各向异性的热处理方法，激光增材制造技钛合金由于激光成形过程中快速加热,快速冷凝的特点,激光增材制造所得到的Ti‑6Al‑4V组织是由贯穿多个熔覆层呈外延生长的粗大原始β柱状晶组成,晶内通常为细长的马氏体、魏氏体、网篮组织,且晶界连续分布着晶界α相,该晶界α相制约形变路径,且容易诱导裂纹产生,造成成形件各向异性突出,塑性较差。针对上述问题,采用高低温循环热处理并配合固溶时效热处理方法,使激光增材制造钛合金能原始β柱状晶晶界不连续化，连续晶界α相破碎，初生α相球化并析出细小次生α相，降低了各向异性，并且其综合性能优良。

权利要求

1.能有效降低激光增材制造钛合金各向异性的热处理方法，其特征在于，包括以下几个步骤：

步骤1，将激光增材制造钛合金试样随炉升温至965～975℃后保温20～25min，然后随炉冷却至795～805℃并保温20～25min；

步骤2，将步骤1后的试样随炉升温至965～975℃并保温20～25min，然后随炉冷却至

795～805℃并保温20～25min；

步骤3，将步骤2热处理方式重复进行3次；

步骤4，将步骤3后的试样随炉升温至965～975℃后保温20～25min，然后随炉冷却至

300℃以下；

步骤5，将步骤4后的合金随炉升温至940～950℃并保温1h，然后空冷至300℃以下；

步骤6，将步骤5后的合金随炉升温至500～600℃并保温4h，然后空冷至室温；

所述的钛合金指的是Ti‑6Al‑4V钛合金；

最终屈服强度大于884.0MPa,各项异性降低至4.1％；抗拉强度大于1005MPa，各向异性降低至0.8％；伸长率最高可达15％，各项异性降低至8.0％；断面收缩率最高可达43％，各向异性降低至4.7％。

2.根据权利要求1所述的一种能有效降低激光增材制造钛合金各向异性的热处理方法，其特征在于，所述步骤1～4中，升温速率为10～15℃/min，冷却速率为8～10℃/min。

3.根据权利要求1所述的一种能有效降低激光增材制造钛合金各向异性的热处理方法，其特征在于，步骤5和步骤6中升温速率为10～15℃/min，冷却速率为100～150℃/min。

4.根据权利要求1所述的一种能有效降低激光增材制造钛合金各向异性的热处理方法，其特征在于，步骤1至步骤6中真空管式炉抽真空压力直至‑0.1MPa后，停止抽真空，通入纯度大于99.99％氩气使压力平衡，重复操作抽真空4～5次后，通入氩气为保护气体。

5.根据权利要求1所述的一种能有效降低激光增材制造钛合金各向异性的热处理方法，其特征在于，激光增材制造钛合金试样由以下方法制备得到：第一步：将粒径为75～185μm的Ti‑6Al‑4V粉末放入送粉器中，其中间隙元素含量(wt.％)为：C<0.0069,H<0.0017,O<0.13,N<0.011,Fe<0.076；

第二步：将钛合金基板固定在手套箱内的数控加工台上，手套箱充纯度大于99.99％氩气保护，并保持氧含量小于50ppm；

第三步：在激光光源的作用下同步将Ti‑6Al‑4V粉末送入基板熔池内，连续沉积出试样。

6.根据权利要求5所述的一种能有效降低激光增材制造钛合金各向异性的热处理方法，其特征在于，第一步中送粉器送粉量为2.5～3.0g/min。

7.根据权利要求5所述的一种能有效降低激光增材制造钛合金各向异性的热处理方法，其特征在于，第三步中使用半导体激光器作为激光光源，激光功率为190～210W，光斑大小为0.5mm，激光器主轴水平移动速度为10mm/s，激光器主轴每层抬升量为0.1mm。

说明书

能有效降低激光增材制造钛合金各向异性的热处理方法

技术领域

[0001] 本发明属于激光增材制造材料成形加工领域；具体涉及一种能有效降低激光增材制造钛合金各向异性的热处理方法。

背景技术

[0002] 钛合金具有比强度高、耐腐蚀性好、耐热性高等特点，常被用来制造大飞机结构中的梁、接头和隔框等重要承力构件。为了满足飞机结构轻质化和可靠性的更高要求，钛合金
大型整体结构需要越来越多地用到大飞机装备中，由于钛合金冷加工变形抗力大，传统加
工制造方法难以加工大型复杂结构件，导致钛合金成本高，生产周期长。激光增材制造技术
通过高功率激光熔化同步输送的钛合金粉末，逐层堆积成形零件，具有无模具，短周期，省
材料等特点，为钛合金开辟了一条新的加工路径。但是由于激光成形过程中快速加热，快速
冷凝的特点，激光增材制造所得到的Ti‑6Al‑4V组织是由贯穿多个熔覆层呈外延生长的粗
大原始β柱状晶组成，晶内通常为细长的马氏体、魏氏体、网篮组织，且晶界连续分布着晶界
α相，该晶界α相制约形变路径，且容易诱导裂纹产生，造成成形件各向异性突出，塑性较差。

发明内容

[0003] 本发明提供了一种能有效降低激光增材制造钛合金各向异性的热处理方法。使用该方法制备的激光增材制造钛合金能原始β柱状晶晶界不连续化，连续晶界α相破碎，初生α
相球化并析出细小次生α相，降低了各向异性，并且其综合性能优良。

[0004] 本发明的技术方案是：能有效降低激光增材制造钛合金各向异性的热处理方法，包括以下步骤：

[0005] 步骤1，将激光增材制造钛合金试样放入真空管式炉中，试样随炉升温至965～975℃后保温20min，使α相发生部分溶解并且α相中固有位错重排生成亚晶，亚晶边缘处诱发初
步裂解；然后随炉冷却至795～805℃并保温20min，使α相在裂解形貌边缘上重新析出致使
裂解程度进一步加深；

[0006] 步骤2，将步骤1后的试样随炉升温至965～975℃并保温20min，然后随炉冷却至795～805℃并保温20min；

[0007] 步骤3，将步骤2热处理方式重复进行3次；步骤4，将步骤3后的试样随炉升温至965～975℃后保温20min，然后随炉冷却至300℃以下，通过α相不断溶解与析出从而发生完全
裂解并球化，并且使原始β晶界变得不连续；步骤5，将步骤4后的合金随炉升温至945～955
℃并保温1h，然后空冷至300℃以下，使部分球化α相发生溶解生成β相，空冷后快速生成亚
稳定β相；步骤6，将步骤5后的合金随炉升温至500～600℃并保温4h，然后空冷至室温，使亚
稳定β相充分转变成细小次生α相，并消除内应力。

[0008] 更进一步的，本发明的特点还在于：

[0009] 其中步骤1至4中升温速率为10～15℃/min，冷却速率为8～10℃/min。

[0010] 其中步骤5和步骤6中升温速率为10～15℃/min，冷却速率为100～150℃/min。

[0011] 其中步骤1至6中真空管式炉抽真空后通纯度高于99.99％的氩气作为工作气体。

[0012] 其中激光增材制造钛合金试样由以下方法获得：

[0013] 第一步：将粒径为75～185μm的Ti‑6Al‑4V粉末放入送粉器中，其中间隙元素含量(wt.％)为：C<0.0069,H<0.0017,O<0.13,N<0.011,Fe<0.076；

[0014] 第二步：将钛合金基板固定在手套箱内的数控加工台上，手套箱充纯度大于99.99％氩气保护，并保持氧含量小于50ppm；

[0015] 第三步：在激光光源的作用下同步将Ti‑6Al‑4V粉末送入基板熔池内，连续沉积出试样。

[0016] 其中第一步中送粉器送粉量为2.5g/min。

[0017] 其中第三步中使用半导体激光器作为激光光源，激光功率为190W，光斑直径大小为0.5mm，激光器主轴水平移动速度为10mm/s，激光器主轴每层抬升量为0.1mm。

[0018] 与现有技术相比，本发明的有益效果是：激光增材制造钛合金中，α相在970±5℃保温过程中逐渐发生不完全溶解，并且α相中固有位错在970±5℃时逐渐发生重组形成亚
晶，亚晶边缘处诱发初步裂解；随后在800±5℃保温过程中，α相在裂解形貌边缘上重新析
出，从而加深了裂解程度；在后续970±5℃到800±5℃循环保温热处理过程中，α相不断地
发生溶解和析出，从而使α相最终发生完全裂解并球化，并且原始β晶界变得不连续。循环保
温结束后，在950±5℃保温过程中，一部分球化α相发生溶解生成β相，空冷后快速生成亚稳
定β相，在550±50℃保温过程中，亚稳定β相充分析出细小次生α相，并且消除内应力。通过
本发明热处理后，激光增材制造钛合金的原始β柱状晶晶界不连续化，连续晶界α相破碎，初
生α相发生均匀球化，且有细小次生α相析出。最终屈服强度大于884.0MPa,各项异性降低至
4.1％；抗拉强度大于1005MPa，各向异性降低至0.8％；伸长率最高可达15％，各项异性降低
至8.0％；断面收缩率最高可达43％，各向异性降低至4.7％；解决了激光增材制造钛合金技
术难题。

附图说明

[0019] 图1为本发明的热处理方法中各个阶段的热处理曲线图；

[0020] 图2为本发明的热处理方法中激光增材制造钛合金沉积态的显微组织图；

[0021] 图3为本发明的热处理方法中经热处理后激光增材制造钛合金的显微组织图。

具体实施方式

[0022] 下面结合具体实施例对本发明的技术方案进一步说明。

[0023] 本发明提供了一种能有效降低激光增材制造钛合金各向异性的热处理方法,具体包括以下步骤：

[0024] 步骤1，将激光增材制造钛合金试样放入真空管式炉中，开始抽真空直至真空压力为‑0.1MPa后，停止抽真空，通入氩气使压力平衡，重复抽真空5次后，通入氩气保护。打开管
式炉开关开始升温，升温速率控制12℃/min，温度升至970℃保温20min，然后随炉冷却，冷
却速度为9℃/min，温度冷却至800℃保温20min；

[0025] 步骤2，继续升温，升温速率控制12℃/min，温度升至970℃保温20min，然后随炉冷却，冷却速度为9℃/min，温度冷却至800℃保温20min；

[0026] 步骤3，重复步骤2中“升温‑保温‑降温‑保温”热处理3次；

[0027] 步骤4，继续升温，升温速率控制12℃/min，温度升至970℃保温20min，然后随炉冷却，冷却速度为9℃/min，温度冷却至300℃以下；

[0028] 步骤5,继续随炉升温，升温速率为12℃/min,温度升至950℃保温1h，然后空冷，冷却速率为100～150℃/min，温度冷却至300℃以下；

[0029] 步骤6，将试样随炉升温，升温速率为12℃/min，温度升至550℃保温4h，然后空冷至室温。

[0030] 步骤7，将热处理前后的激光增材制造钛合金试样进行拉伸性能测试，拉伸测试结果如表1所示，各项异性计算结果如表2所示：

[0031] 表1热处理前后激光增材制造钛合金拉伸性能测试结果

[0032]

[0033] 表2热处理前后激光增材制造钛合金拉伸性能各项异性计算结果

[0034] 试样状态 屈服强度各向异性 抗拉强度各向异性 伸长率各向异性 断面收缩率各向异性热处理态 4.1％ 0.8％ 8.0％ 4.7％
沉积态 8.6％ 7.5％ 64.2％ 57.4％

[0035] 本发明中激光增材制造钛合金试样的制备是这样实现的：

[0036] 第一步：将粒径为75～185μm的Ti‑6Al‑4V粉末放入送粉器中，其中间隙元素含量(wt.％)为：C<0.0069,H<0.0017,O<0.13,N<0.011,Fe<0.076；

[0037] 第二步：将钛合金基板固定在手套箱内的数控加工台上，手套箱充入纯度大于等于99.99％的氩气最为保护气体，然后将手套箱中的气体通过净化过滤系统循环过滤，使手
套箱内氧含量小于50ppm；

[0038] 第三步：将半导体激光作为激光光源，在光源的作用下同步将Ti‑6Al‑4V粉末送入基板熔池内，扫描路径采用前一层跟后一层垂直交叉路径，连续沉积出钛合金试样,成型尺
寸大于100mm(长)×95mm(宽)×155mm(高)。

[0039] 所用激光增材制造工艺参数如表3所示：

[0040] 表3激光增材制造Ti‑6Al‑4V工艺参数

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