钛铝金属间化合物原位增材定向凝固方法

摘要

本发明公开了一种钛铝金属间化合物定向凝固构件的制备方法，包括如下步骤：对基板打磨、清洗等前处理工作并装夹固定，根据钛铝金属间化合物成分计算相应送丝速度并进行设定；依照实际钛铝金属间化合物原位增材定向凝固构件尺寸进行基板预热；再根据设定好的参数将电子束打在基板上，待束流稳定后进行送丝，当丝材进入同一个熔池后，持续下束流，依照设定好程序进行沉积，直至原位增材构件尺寸达到要求后，停止送丝后，关闭电子束；将钛铝金属间化合物棒材置于真空环境下冷却，待完全冷却至室温后取出。本发明的钛铝金属间化合物的定向凝固工艺能够实现复杂形状构件制备，减少了杂质引入，生产效率高。

权利要求

1.钛铝金属间化合物原位增材定向凝固方法，其特征在于，该方法采用电子束双丝或者多丝增材制造系统，包括如下步骤：（1）对基板打磨、清洗前处理工作并装夹固定，将送丝枪角度确定好，然后将工作平台置入真空室中并抽真空；

（2）依照需求设定好加速电压、工作高度、聚焦束流、电子束扫描频率、电子束扫描范围参数，根据钛铝金属间化合物成分计算相应送丝速度并进行设定；

（3）依照实际钛铝金属间化合物原位增材定向凝固构件尺寸进行基板预热；

（4）根据设定好的参数将电子束打在基板上，待束流稳定后进行送丝，丝材进入同一个熔池后，持续下束流，依照设定好程序进行沉积，待一层沉积完成后工作平台缓慢降低，直至原位增材构件尺寸达到要求后，停止送丝后，关闭电子束；

（5）将钛铝金属间化合物棒材置于真空环境下冷却，待完全冷却至室温后取出；

其中，加速电压为60kV 150kV，平台工作高度250 270mm，聚焦束流为1100‑1200mA，电~ ~子束扫描频率为300 800Hz，电子束扫描范围为焦点的300% 900%，工作环境真空度要低于7~ ~‑2

×10 Pa；

基板预热采用阶梯预热，预热束流从5mA开始，每次增加5mA，直至基板预热区域红热为止；基板预热区域直径要大于钛铝金属件化合物棒材直径；

钛丝和铝丝送丝速度范围在200‑500mm/min，沉积速度为200‑500mm/min，单层厚度应保持在300‑500μm；

基板成分与钛铝金属间化合物棒材成分差异较大，在增材过程中需预留10‑15mm的过渡层，待增材完成后切除；

钛铝金属间化合物棒材在真空环境下冷却，采用两步法冷却，高真空度下环境下＜7×‑2

10 Pa，冷却3 4小时，在低真空度环境下0.1 1Pa冷却至室温。

~ ~

2.根据权利要求1所述的钛铝金属间化合物原位增材定向凝固方法，其特征在于，增材过程选用纯钛作为增材基板，基板厚度应大于15mm，减少基板变形对增材过程的影响，选用纯铝和纯钛作为丝材，丝材直径为1.2mm‑3.0mm。

3.根据权利要求1所述的钛铝金属间化合物原位增材定向凝固方法，其特征在于，送丝枪角度设定范围为30°60°，丝材交点处丝材上下放置且交点应位于熔池中，其中铝丝因其~低熔点特性置于其他丝材之下，保证铝丝进到熔池里。

4.根据权利要求1所述的钛铝金属间化合物原位增材定向凝固方法，其特征在于，钛铝金属间化合物设计成分原子百分比应比实际成分高7‑8%。

说明书

钛铝金属间化合物原位增材定向凝固方法

技术领域

[0001] 本发明涉及钛铝金属间化合物制备技术领域，具体涉及钛铝金属间化合物原位增材定向凝固方法。

背景技术

[0002] 随着科技发展，传统材料与加工技术已经无法满足日益复杂的服役环境，对于更高性能和特殊功能的材料的需求日益迫切。对于航空、航天工业和能源等领域，迫切需要耐高温、低密度、超高强和高弹性模量的新型材料来减轻发动机结构零件自重、提高发动机的燃烧温度，并达到提高效率的目的。金属间化合物作为高温结构材料在航空航天领域具有3
广阔的应用前景，其中TiAl金属间化合物以其低密度(3.3‑4.2g/cm)，高强度，优异的高温抗氧化性、抗蠕变性以及阻燃性能而受到广泛关注。

[0003] 但TiAl金属间化合物的室温塑性低，热变形能力差，切削困难，限制了其实际应用。通常的采用两种方法来改善钛铝金属间化合物的微观组织，发挥其性能潜力：通过热机械处理减小片层晶粒尺寸和采用定向凝固消除横向晶界提高材料性能。其中，通过热机械处理方法需要耗费巨大能量，且效果一般，对于室温塑性提高不大，同时极易产生裂纹，使得零件失效。定向凝固技术是通过一定的控制，消除与受力主应力方向相垂直的横向晶界，使得最佳取向与承载方向一致，从而提高钛铝金属间化合物的断裂韧性、蠕变强度以及耐热性。

[0004] 目前，对于钛铝金属间化合物定向凝固技术大多是采用在石墨或者Al2O3、ZrO2等传统陶瓷制成的坩埚中进行。专利号为CN201710579069.8的发明专利提出了一种β单相凝固TiAl基合金及其组织控制方法，采用水冷铜坩埚感应熔炼法制备母合金铸锭，然后将母合金铸锭切取成圆柱棒，在3μm/s～100μm/s的抽拉速率和10℃/mm～30℃/mm的温度梯度下进行定向凝固，得到β单相凝固TiAl基合金。但是钛铝金属间化合物的化学性质活泼，在定向凝固过程中极易与坩埚材料发生物理化学反应，引入杂质严重损害钛铝金属间化合物的机械性能，反而有违改善力学性能的初衷。而且冷坩埚定向凝固技术始终存在侧向散热的问题，从而影响定向凝固的组织稳定性，生产效率较低。专利号为CN102935506A的发明专利提出了连续悬浮式冷坩埚定向凝固铸造装置，通过水冷铜坩埚内壁环向设置一梯形凸台，坩埚外部缠绕有上感应线圈，并使凸台置于线圈内，所激发的交变磁场通过坩埚开缝向内扩散产生热区，实现料棒悬浮给液。实现了金属液的悬浮熔化给液，顺序充填和定向凝固，不但避免了钛铝合金熔体与模壳的化学反应，而且提高了钛铝合金定向凝固加工效率。但是该方法对于复杂截面的试件，难以实现电磁场的合理分布，得到尺寸合乎要求的近终形试件。因此，钛铝金属间化合物的定向凝固工艺存在以下问题：复杂形状构件难以制备，极易引入杂质，生产效率低等问题。开发适合工业应用的钛铝金属间化合物定向凝固工艺方法成为了钛铝金属间化合物工业化应用的关键技术问题。

发明内容

[0005] 本发明的目的是提供一种钛铝金属间化合物定向凝固构件的制备方法，用于解决钛铝金属间化合物复杂结构定向凝固困难，生产效率较低且极易引入杂质的缺点。

[0006] 本发明为解决其技术问题所采用的技术方案为：

[0007] 钛铝金属间化合物原位增材定向凝固方法，该方法采用电子束双丝或者多丝增材制造系统，其包括如下步骤：

[0008] (1)对基板打磨、清洗等前处理工作并装夹固定，将送丝枪角度确定好，然后将工作平台置入真空室中并抽真空；

[0009] (2)依照需求设定好加速电压、工作高度、聚焦束流、电子束扫描频率、电子束扫描范围等参数，根据钛铝金属间化合物成分计算相应送丝速度并进行设定；

[0010] (3)依照实际钛铝金属间化合物原位增材定向凝固构件尺寸进行基板预热；

[0011] (4)根据设定好的参数将电子束打在基板上，待束流稳定后进行送丝，丝材进入同一个熔池后，持续下束流，依照设定好程序进行沉积，待一层沉积完成后工作平台缓慢降低，直至原位增材构件尺寸达到要求后，停止送丝后，关闭电子束；

[0012] (5)将钛铝金属间化合物棒材置于真空环境下冷却，待完全冷却至室温后取出。

[0013] 进一步的，增材过程选用纯钛作为增材基板，基板厚度应大于15mm，减少基板变形对增材过程的影响，选用纯铝和纯钛作为丝材，丝材直径为1.2mm‑3.0mm。

[0014] 进一步的，送丝枪角度设定范围为30°～60°，丝材交点处丝材上下放置且交点应位于熔池中，其中铝丝因其低熔点特性置于其他丝材之下，保证铝丝进到熔池里。

[0015] 进一步的，加速电压为60kV～150kV，平台工作高度250～270mm，聚焦束流为1100‑1200mA，电子束扫描频率为300～800Hz，电子束扫描范围为焦点的300％～900％，工作环境‑2
真空度要低于7×10 Pa。

[0016] 进一步的，基板预热采用阶梯预热，预热束流从5mA开始，每次增加5mA，直至基板预热区域红热为止。基板预热区域直径要明显大于钛铝金属件化合物棒材直径。

[0017] 进一步的，钛丝和铝丝送丝速度范围在200‑500mm/min，沉积速度为200‑500mm/min，单层厚度应保持在300‑500μm。

[0018] 进一步的，钛铝金属间化合物设计成分原子百分比应比实际成分高7‑8％，因为电子束具有高能量密度，中心温度较高，存在元素蒸发现象。

[0019] 进一步的，电子束束流应比正常工艺高20‑30％，以保证钛铝金属间化合物保持在过热状态。同时电子束持续工作，进行高速扫描，减少辐射散热的能量损耗，使得热量累积，热量损失主要进行变为接触传热，形成定向温度梯度。

[0020] 进一步的，基板成分与钛铝金属间化合物棒材成分差异较大，在增材过程中需预留10‑15mm的过渡层，待增材完成后切除。

[0021] 进一步的，钛铝金属间化合物棒材在真空环境下冷却，采用两步法冷却，高真空度‑2下环境下(＜7×10 Pa)冷却3～4小时，在低真空度环境下(0.1～1Pa)冷却至室温。

[0022] 本发明相对于现有技术相比具有显著优点：

[0023] 1.本发明的钛铝金属间化合物的定向凝固工艺能够实现复杂形状构件制备，减少了杂质引入，生产效率高；2.本发明通过增材制造采用逐层沉积，实现了近净成形，大大提高了材料利用率，降低了制备成本，是制备钛铝金属间化合物的理想工艺；3.本发明由于为真空环境，散热方式主要包括辐射传热和接触传热，热量累积现象明显，可实现热流单向性控制，为钛铝金属间化合物的定向凝固提供了可能。

附图说明

[0024] 图1是钛铝金属间化合物原位增材定向凝固构件枝晶形貌图。

[0025] 图2是钛铝金属间化合物原位增材定向凝固构件EBSD图。

具体实施方式

[0026] 为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。

[0027] 钛铝金属间化合物原位增材定向凝固方法，该方法采用电子束双丝或者多丝增材制造系统，其包括如下步骤：

[0028] (1)对基板打磨、清洗等前处理工作并装夹固定，将送丝枪角度确定好，然后将工作平台置入真空室中并抽真空；

[0029] (2)依照需求设定好加速电压、工作高度、聚焦束流、电子束扫描频率、电子束扫描范围等参数，根据钛铝金属间化合物成分计算相应送丝速度并进行设定；

[0030] (3)依照实际钛铝金属间化合物原位增材定向凝固构件尺寸进行基板预热；

[0031] (4)根据设定好的参数将电子束打在基板上，待束流稳定后进行送丝，丝材进入同一个熔池后，持续下束流，依照设定好程序进行沉积，待一层沉积完成后工作平台缓慢降低，直至原位增材构件尺寸达到要求后，停止送丝后，关闭电子束；

[0032] (5)将钛铝金属间化合物棒材置于真空环境下冷却，待完全冷却至室温后取出。

[0033] 进一步的，增材过程选用纯钛作为增材基板，基板厚度应大于15mm，减少基板变形对增材过程的影响，选用纯铝和纯钛作为丝材，丝材直径为1.2mm‑3.0mm。

[0034] 进一步的，送丝枪角度设定范围为30°～60°，丝材交点处丝材上下放置且交点应位于熔池中，其中铝丝因其低熔点特性置于其他丝材之下，保证铝丝进到熔池里。

[0035] 进一步的，加速电压为60kV～150kV，平台工作高度250～270mm，聚焦束流为1100‑1200mA，电子束扫描频率为300～800Hz，电子束扫描范围为焦点的300％～900％，工作环境‑2
真空度要低于7×10 Pa。

[0036] 进一步的，基板预热采用阶梯预热，预热束流从5mA开始，每次增加5mA，直至基板预热区域红热为止。基板预热区域直径要明显大于钛铝金属件化合物棒材直径。

[0037] 进一步的，钛丝和铝丝送丝速度范围在200‑500mm/min，沉积速度为200‑500mm/min，单层厚度应保持在300‑500μm。

[0038] 进一步的，钛铝金属间化合物设计成分原子百分比应比实际成分高7‑8％，因为电子束具有高能量密度，中心温度较高，存在元素蒸发现象。

[0039] 进一步的，电子束束流应比正常工艺高20‑30％，以保证钛铝金属间化合物保持在过热状态。同时电子束持续工作，进行高速扫描，减少辐射散热的能量损耗，使得热量累积，热量损失主要进行变为接触传热，形成定向温度梯度。

[0040] 进一步的，基板成分与钛铝金属间化合物棒材成分差异较大，在增材过程中需预留10‑15mm的过渡层，待增材完成后切除。

[0041] 进一步的，钛铝金属间化合物棒材在真空环境下冷却，采用两步法冷却，高真空度‑2下环境下(＜7×10 Pa)冷却3～4小时，在低真空度环境下(0.1～1Pa)冷却至室温。

[0042] 实施例1

[0043] 钛铝金属间化合物原位增材定向凝固方法，其特征在于，该方法采用电子束双丝或者多丝增材制造系统，其包括如下步骤：

[0044] (1)对基板打磨、清洗等前处理工作并装夹固定，将送丝枪角度确定好，然后将工作平台置入真空室中并抽真空；

[0045] (2)依照需求设定好加速电压、工作高度、聚焦束流、电子束扫描频率、电子束扫描范围等参数，根据钛铝金属间化合物成分计算相应送丝速度并进行设定；

[0046] (3)依照实际钛铝金属间化合物原位增材定向凝固构件尺寸进行基板预热；

[0047] (4)根据设定好的参数将电子束打在基板上，待束流稳定后进行送丝，丝材进入同一个熔池后，持续下束流，依照设定好程序进行沉积，待一层沉积完成后工作平台缓慢降低，直至原位增材构件尺寸达到要求后，停止送丝后，关闭电子束；

[0048] (5)将钛铝金属间化合物棒材置于真空环境下冷却，待完全冷却至室温后取出。

[0049] 其中选用的基板为纯钛基板，丝材选用直径为1.6mm的纯钛丝和纯铝丝。送丝枪角‑2度为50°，增材过程中工作真空度为3×10 Pa，钛丝和铝丝的送丝速度分别为300mm/min和
430mm/min，沉积速度为200mm/min。基板预热采用基本参数为：加速电压60kV，聚焦电流
1141mA，扫描频率300Hz，扫描范围300％，扫描方式圆形，扫描速度为10mm/s。预热方式采用阶梯预热，即逐步增加预热束流，从5mm升到25mm，直到基板红热即为预热完成。增材工艺参数为：加速电压60kV，聚焦电流1141mA，扫描频率600Hz，扫描范围600％，扫描方式圆形，单层高度为450μm，电子束束流为30mA。增材构件冷却过程需在真空环境下进行采用分段冷‑2
却，即在高真空度下冷却3小时，在低真空度下保温10小时，高真空范围为5×10 Pa，低真空范围为0.5Pa。采用该实施例的方法，获得了成形良好的钛铝金属间化合物定向凝固构件。
图1是钛铝金属间化合物原位增材定向凝固构件枝晶形貌图，图2是钛铝金属间化合物原位增材定向凝固构件EBSD图。从图中可以看到枝晶定向生长，且无横向晶界。

[0050] 钛铝金属间化合物定向凝固存在许多问题，像如复杂形状构件难以制备，极易引入杂质，生产效率低等。采用增材制造方法制备钛铝金属间化合物材料优势在于加工效率高，可以制备复杂构件，且不易引入杂质元素。但采用增材制造制备定向凝固材料就存在较多问题：1、定向凝固温度场的构件；2、钛铝金属间化合物构件本征脆性，在反复加热过程中会产生较大增材应力导致极易开裂。未解决以上两个难题，本发明采用了以下方法。

[0051] 钛铝金属间化合物定向凝固是在电子束熔丝增材制造过程中构件定向凝固温度场，而这个温度场是利用材料的特殊的材料特性和电子束熔丝增材过程中特殊温度场来实现的。钛铝合金导热系数为12W/(m·K)，相较于其他材料导热系数较低，导热性能差，增材过程中容易造成热累积效应；电子束熔丝增材制造是在真空环境下进行的一种增材工艺方法，其散热方式为接触传热和辐射传热，辐射传热占总体热量散失的5％，却可以通过一系列方法将辐射传热变为定值，因此有利于构件定向凝固温度场。为减少应力造成的开裂现象，将基板固定在增材工装上，采用基板预热方式，将基板温度升高，减少熔池和基本之间的温度差，从而减少了冷却速率，降低增材应力。同时，在增材结束后，置于真空室内进行两步法冷却，提高了冷却效率，避免了构件开裂的可能。