一种利用超声冲击调控激光增材制造钛材料组织与性能的方法
阅读说明：本技术 一种利用超声冲击调控激光增材制造钛材料组织与性能的方法 (Method for manufacturing titanium material structure and performance by using ultrasonic impact to regulate and control laser material increase ) 是由 佟运祥 王福斌 王建东 刘宇珂 许德 姜风春 于 2021-07-07 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种利用超声冲击调控激光增材制造钛材料组织与性能的方法：(一)利用激光增材制造技术制备微观组织为等轴晶的钛材料,激光功率为800～3000W,扫描速度100～500mm/min,送粉率7～28g/min。(二)根据零件设计需要,在送粉器关闭后,利用超声冲击设备对零件进行处理,超声冲击头功率300～1000W,冲击头速度100～500mm/min,工作频率不低于20KHz；(三)在处理后的零件上继续利用激光增材制造技术沉积钛材料；(四)根据零件设计需要,重复步骤(二)和(三)；(五)待零件冷却至室温后取出。本发明具有工艺简单、实施快速、可应用于大型工件处理,适用范围广等优点。(The invention provides a method for manufacturing titanium material tissue and performance by using ultrasonic impact to regulate and control laser material increase, which comprises the following steps: firstly, a titanium material with an isometric crystal microstructure is prepared by using a laser additive manufacturing technology, wherein the laser power is 800-3000W, the scanning speed is 100-500 mm/min, and the powder feeding rate is 7-28 g/min. Secondly, processing the parts by using ultrasonic impact equipment after the powder feeder is closed according to the design requirements of the parts, wherein the power of an ultrasonic impact head is 300-1000W, the speed of the impact head is 100-500 mm/min, and the working frequency is not lower than 20 KHz; thirdly, continuously depositing a titanium material on the processed part by using a laser additive manufacturing technology; fourthly, repeating the second step and the third step according to the design requirement of the part; and (V) taking out the part after the part is cooled to room temperature. The invention has the advantages of simple process, quick implementation, wide application range and the like, and can be applied to the treatment of large-scale workpieces.)
技术领域
本发明属于激光增材制造材料成形加工领域，具体涉及一种利用超声冲击调控激光增材制造钛材料微观组织和性能的方法。
背景技术
钛合金与钛基复合材料具有比强度高、耐腐蚀性和耐热性能优异等特点，通常用于制备工程应用中的重要承力构件和生物医用中的植入器械。复杂的应用需求对钛材料的力学性能提出了个性化的要求。
激光增材制造技术在加工复杂形状零件和减少材料浪费方面具有独特的优势，尤其适合于难加工的钛材料零件的成形。由于成形过程中加热和冷凝速度快的特点，激光增材制造钛材料的微观组织通常由外延生长的β柱状晶组成。通过调控激光增材制造工艺，也可以在钛材料中获得等轴晶的微观组织。目前主要通过调控钛材料的激光增材制造工艺参数或者引入后处理调控其微观组织，进而实现个性化的力学性能。同时，零件设计的高性能化和复杂化对零件不同位置的微观组织和力学性能也提出了不同差异化的要求，这对增材制造工艺提出了更高的要求。
申请号为201811318378.0专利通过感应加热微锻造调控增材制造钛合金等轴晶组织，获得了外层为等轴晶、中间部分为柱状晶的微观组织。但是该工艺需要感应加热、设备和工艺均比较复杂，很难满足形状复杂、外形尺寸大的零件的加工。申请号为202010282733.4的专利利用超声冲击将激光熔丝增材制造制备的钛合金中柱状晶转变为等轴晶，无法实现等轴晶到柱状晶的转变。申请号为202011368033.3专利通过调控激光增材制造工艺参数与后续热处理工艺参数获得了等轴晶与柱状晶交替分布的微观组织，但是其热处理步骤多，工艺复杂。
综合上述，虽然有较多工艺能够获得等轴晶与柱状晶的混合组织，但是工艺均比较复杂，或者无法实现等轴晶到柱状晶的转变，或无法满足微观组织位置差异化的使用要求。
发明内容
本发明针对在获得具有等轴晶与柱状晶混合组织的激光增材制造钛材料工艺复杂的不足，提供了一种利用超声冲击与激光增材制造的耦合工艺获得等轴晶与柱状晶的方法。采用本发明所述技术方案，在适当的工艺参数下，可实现等轴晶组织与柱状晶组织的自由设计，实现零件力学性能的个性化和差异化。
本发明技术方案如下：
(1)采用等离子旋转电极法制备粉末，保证成品一定的粒径和球形率；
(2)粉末填装前用热风循环烘箱烘干，烘干温度为80～120℃，时间为1-5h；再将粉末置于粉箱内，在工作过程中利用氩气加压送粉；
(3)在充氩舱内固定的基板上逐层沉积，残余氧气含量低于300ppm。根据单层的增材制造沉积高度，定义激光器的抬高距离，保证激光的聚焦点与每一层的相对位置不变。当激光器移动到开始位置并抬高一定距离后，在激光未开启的情况下，首先打开送粉器运转5～10s，保证送粉均匀。每一层都在相同的起始位置上以相同的激光扫描速度开始，并重复相同的路径，沉积完成后送粉器关闭。根据不同的材料激光功率选择在800～3000w，扫描速度100～500mm/min，送粉率7～28g/min范围内变化，获得等轴晶组织。
(4)送粉器停止工作后。根据零件设计需要，超声冲击头移动到激光头开始的位置上，进行冲击。超声冲击头移动路径与激光扫描路径一致。超声冲击头功率300～1000W，冲击头速度100～500mm/min，工作频率不低于20KHz。
(5)在超声冲击处理后的零件表面，继续使用步骤(3)中参数沉积钛材料，此时新沉积的钛材料的微观组织为柱状晶。
(6)重复步骤4-5；
(7)待零件冷却至室温后取出，即可具有等轴晶与柱状晶混合微观组织的零件。
进一步地，所述合金的增材制造技术包括激光熔化沉积技术、激光熔丝技术以及上述增材制造技术的组合。
进一步地，所述超声冲击设备为高频震动冲击设备，通过调整冲击头扫描速度、震动功率即可获得不同的处理效果。
进一步地，超声冲击作用方向与零件热梯度方向一致。
进一步地，上述工艺不仅适用于钛合金、而且适用于钛基复合材料。
进一步地，上述工艺适用于激光增材制造铝合金及其复合材料、不锈钢、Ni基高温合金及其复合材料等。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
超声冲击对于调控激光增材制造钛材料的微观组织具有显著的调控作用。超声冲击作用与钛材料表面，可以改变材料表面的应力状态、细化表层晶粒尺寸，从而调控在表面继续沉积的钛材料晶粒的形核和长大行为，导致晶粒沿着热梯度方向再次呈柱状晶形态生长，最终获得等轴晶和柱状晶的混合组织。同时，本发明通过调整施加超声冲击的工艺参数(如时间)，可以方便地调控柱状晶与等轴晶的比例，调控柱状晶在零件中的形成位置和优化材料的强度和延伸率等力学性能，可以满足复杂工况对零件性能的个性化使用要求。与其他处理方式相比较，本发明的激光增材制造工艺与超声冲击冲击工艺耦合的方法，不需要后续的热处理等工序，工艺简单灵活，更容易推广使用。
附图说明
图1为激光熔化沉积Ti6Al4V合金的显微组织；
图2为超声冲击与激光熔化沉积耦合Ti6Al4V合金的显微组织；
图3为超声冲击与激光熔化沉积耦合处理Ti6Al4V合金沿沉积方向的显微硬度分布。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。
激光增材制造钛材料微观组织的调控方法，涉及一种利用超声冲击调控材料微观组织的方法，步骤如下：(一)利用激光增材制造技术制备微观组织为等轴晶的钛材料，激光功率为800～3000W，扫描速度100～500mm/min，送粉率7～28g/min。(二)根据零件设计需要，在送粉器关闭后，利用超声冲击设备对零件进行处理，超声冲击头功率300～1000W，冲击头速度100～500mm/min，工作频率不低于20KHz；(三)在处理后的零件上继续利用激光增材制造技术沉积钛材料；(四)根据零件设计需要，重复步骤(二)和(三)；(五)待零件冷却至室温后取出。其特征在于步骤一中所述激光增材制造技术包括激光熔化沉积，激光熔丝沉积等技术，步骤一中所获得的材料微观组织为等轴晶，步骤二中对零件进行超声冲击处理，在处理后的零件表面继续沉积的材料微观组织为柱状晶，步骤一中本发明还适用于钛基复合材料、不锈钢、铝合金及其复合材料与Ni基高温合金及其复合材料及相应零件。
具体实施方式一：
(1)采用等离子旋转电极法制备Ti6Al4V合金，粉末粒径45～100μm和球形率99.6％；
(2)粉末填装前用烘箱在80℃下烘干2小时，再将粉末置于粉箱内，在工作过程中提供15MPa氩气送粉；
(3)在充氩舱内固定的Ti6Al4V基板上逐层沉积。根据增材制造沉积高度，定义激光器的抬高距离12～15mm，保证激光的聚焦点与每一层的相对位置不变。当激光器移动到开始位置并抬高一定距离后，在激光未开启的情况下，首先打开送粉器运转5～10s，保证送粉均匀。每一层都在相同的起始位置上以相同的激光扫描速度开始，并重复相同的路径，沉积完成后送粉器关闭。根据不同的材料激光功率选择在1500w，扫描速度400mm/min，送分率15g/min范围内变化，获得沉积态的等轴晶组织。
(4)在完成单道沉积，送粉器停止工作后。超声冲击头移动到激光头开始的位置上，移动路径同激光扫描路径。冲击头功率600w，冲击头移动速率为500mm/min。
(5)根据设计需要，增材制造沉积每一层时重复步骤3-4，共沉积20层；
(6)待增材制造沉积件冷却至室温后取出。
图1为未用超声冲击的激光熔化沉积Ti6Al4V合金的光学显微组织，可见合金的显微组织为晶粒尺寸约为200～300μm的等轴晶。图2为超声冲击与激光熔化沉积耦合制备Ti6Al4V合金的光学显微组织，图2(a)为等轴晶组织，图2(b)为柱状晶组织，可见合金的显微组织由晶粒尺寸约为250～350μm的等轴晶和晶粒宽度约为300～400μm的柱状晶组成。图3为超声冲击与激光熔化沉积耦合制备Ti6Al4V合金沿沉积方向的显微硬度分布，可见于未加超声冲击的合金的硬度相比，超声冲击进一步提高了合金的硬度；同时，显微硬度分布与晶粒形貌和尺寸分布相吻合。与其他处理方式相比较，超声冲击可以方便地调整柱状晶与等轴晶的比例，消除激光沉积过程中可能形成的气孔、熔合不良等缺陷，将表面应力状态调整为对力学性能有益的压应力。
具体实施方式二：
本实施方式与实施方式一的不同之处在于步骤(1)中合金为采用激光熔丝技术制备。
具体实施方式三：
本实施方式与实施方式一的不同之处在于步骤(1)中材料为钛基复合材料。
具体实施方式四：
本实施方式与实施方式一的不同之处在于步骤(1)中材料为铝合金及其复合材料。
具体实施方式五：
本实施方式与实施方式一的不同之处在于步骤(1)中材料为不锈钢。
具体实施方式六：
本实施方式与实施方式一的不同之处在于步骤(1)中材料为Ni基高温合金及其复合材料。
综上所述：一种利用超声冲击与激光增材制造工艺结合调控激光增材制造钛材料组织与性能的方法，解决了现有技术中工艺复杂的问题，可根据零件使用要求实现微观组织的定制。方法如下：(一)利用激光增材制造技术制备微观组织为等轴晶的钛材料，激光功率为800～3000W，扫描速度100～500mm/min，送粉率7～28g/min。(二)根据零件设计需要，在送粉器关闭后，利用超声冲击设备对零件进行处理，超声冲击头功率300～1000W，冲击头速度100～500mm/min，工作频率不低于20KHz；(三)在处理后的零件上继续利用激光增材制造技术沉积钛材料；(四)根据零件设计需要，重复步骤(二)和(三)；(五)待零件冷却至室温后取出。本发明具有工艺简单、实施快速、可应用于大型工件处理，适用范围广等优点，可应用于增材制造钛合金、不锈钢、铝合金与高温合金及其复合材料制备的零件。
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