一种TiAl合金涡轮叶片的制备方法与流程

本发明属于涡轮叶片制备技术领域，具体涉及一种tial合金涡轮叶片的制备方法。

背景技术：

tial合金的密度仅为3.8g/cm³～4.0g/cm³，是镍基高温合金的1/2，比钛合金还低10％～15％。室温下tial合金的弹性模量为160gpa～170gpa，比钛合金高33％，并且在750℃时其弹性模量仍能保持为150gpa，与gh4169高温合金相当。tial合金还具有高比强度，在750℃时其比强度仍能保持为室温下比强度的80％。此外，tial合金还具有高蠕变抗力、优异的抗氧化性和阻燃性能，可在760℃～800℃的条件下长期工作，是一种很有发展潜力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。

目前，tial合金成形主要采用传统铸造或锻造工艺，但tial合金高温难变形，在热加工轧制过程中容易产生裂纹、组织不均匀等缺陷。tial合金室温脆性大，锻造后的热处理会导致其层片组织粗大以及组织不稳定，从而进一步降低了tial合金的综合性能，制约了tial合金的应用。另外，tial合金在实现复杂构型尤其是薄壁、内流道等构型方面存在加工难度大、废品率高的问题。

电子束选区快速熔化成形技术是一种电子3d打印技术，可以实现金属材料的近净成形，成形过程中无需锻造、铸造工艺和模具，不受产品尺寸的制约，污染较少，生产周期较短，制造成本较低，在生产复杂构型的产品上具有独特的优势。

技术实现要素：

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，提供了一种tial合金涡轮叶片的制备方法。该方法采用电子束选区快速成形法制备tial合金涡轮叶片，通过对成形基板和tial合金粉末的预热，控制tial合金涡轮叶片的成形温度，减少了tial合金涡轮叶片的内部热应力，避免了tial合金涡轮叶片变形和断裂现象，增强了tial合金涡轮叶片强度和塑性的匹配性。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种tial合金涡轮叶片的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤一、首先建立涡轮叶片的三维模型，然后沿高度方向对涡轮叶片的三维模型进行切片处理，得到切层数据，再将所述切层数据导入电子束选区快速成形设备中；

步骤二、将tial合金粉末装入到电子束选区快速成形设备的粉仓中，然后对电子束选区快速成形设备的成形腔进行抽真空，采用电子束对成形腔中的成形基板进行预热；所述成形基板的预热的温度为1000℃～1100℃；

步骤三、将步骤二中所述粉仓中的tial合金粉末均匀铺设在预热后的成形基板上，然后采用电子束对tial合金粉末进行预热；所述tial合金粉末预热的温度为1000℃～1100℃；

步骤四、根据步骤一中导入到电子束选区快速成形设备中的切层数据，采用电子束对步骤三中预热后的tial合金粉末进行选区熔化扫描，形成单层实体片层；

步骤五、重复步骤三和步骤四，直至各单层实体片层逐层堆积，形成电子束选区熔化成形件；

步骤六、将步骤五中所述电子束选区熔化成形件冷却至60℃，然后取出冷却至室温，得到tial合金涡轮叶片。

上述的一种tial合金涡轮叶片的制备方法，其特征在于，步骤一中所述切片处理的每层切片的厚度为50μm～150μm。

上述的一种tial合金涡轮叶片的制备方法，其特征在于，步骤二中所述tial合金粉末通过气雾化法制备而得，所述气雾化法制备得到的tial合金粉末为球形或近球形，粒径小于150μm。

上述的一种tial合金涡轮叶片的制备方法，其特征在于，步骤二中所述tial合金粉末为ti-48al-2cr-2nb合金粉末。

上述的一种tial合金涡轮叶片的制备方法，其特征在于，步骤二中所述抽真空的真空度不大于5×10^-2pa。

上述的一种tial合金涡轮叶片的制备方法，其特征在于，步骤二中所述成形基板预热时的电子束扫描速度为11000mm/s～13000mm/s，电子束扫描电流为35ma～40ma。

上述的一种tial合金涡轮叶片的制备方法，其特征在于，步骤三中所述tial合金粉末预热时的电子束扫描速度为11000mm/s～14000mm/s，电子束扫描电流为30ma～35ma，预热次数为5～10次。

上述的一种tial合金涡轮叶片的制备方法，其特征在于，步骤四中所述选区熔化扫描时电子束扫描速度为1500mm/s～2500mm/s，电子束扫描电流为20ma～25ma。

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快速成形法制备tial合金涡轮叶片，通过对成形基板和tial合金粉末的预热，控制tial合金涡轮叶片的成形温度在稳定范围内，减少了tial合金涡轮叶片的内部热应力，使组织性能趋于均一，避免了内部组织不均匀导致的tial合金涡轮叶片变形和断裂现象，增强了tial合金涡轮叶片强度和塑性的匹配性。

2、本发明采用高能量的电子束对tial合金粉末进行选区熔化，tial合金粉末的熔化速度较快，熔池尺寸较小，凝固时间较短，tial合金涡轮叶片内部的温差较小，有效减少了tial合金涡轮叶片的微观偏析，有利于形成了细小、均匀的片层组织，提高了tial合金涡轮叶片的致密度。

3、本发明的电子束选区快速成形过程中保持高真空环境，避免了氧含量对合金性能的影响，减少了tial合金涡轮叶片的氧化，进一步提高了tial合金涡轮叶片的性能。

4、本发明中tial合金粉末熔化烧结充分，层间结合良好，制备得到的tial合金涡轮叶片表面无明显气孔和未溶粉末，成形精度和致密度均较高；tial合金涡轮叶片组织由片层状(α+γ)相构成，两相尺寸细小，且两相分布均匀，提高了叶片的综合性能。

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

附图说明

图1是本发明实施例1建立的涡轮叶片三维模型。

图2是本发明实施例1制备的ti-48al-2cr-2nb合金涡轮叶片的照片。

图3是本发明实施例1制备的ti-48al-2cr-2nb合金涡轮叶片的显微组织图。

图4是本发明实施例2制备的tial合金涡轮叶片的照片。

图5是本发明实施例3制备的tial合金涡轮叶片的照片。

具体实施方式

实施例1

本实施例包括以下步骤：

步骤一、首先利用cad三维制图软件建立涡轮叶片的三维模型，如图1所示，然后利用buildassembler分层软件沿高度方向对涡轮叶片的三维模型进行切片处理，得到切层数据，再将所述切层数据导入电子束选区快速成形设备中；所述切片处理的每层切片的厚度为150μm；

步骤二、将ti-48al-2cr-2nb合金粉末装入到电子束选区快速成形设备的粉仓中，然后对电子束选区快速成形设备的成形腔抽真空至其真空度为5×10^-2pa，采用电子束将成形腔中的成形基板预热至1000℃；所述ti-48al-2cr-2nb合金粉末通过气雾化法制备而得，所述气雾化法制备得到的ti-48al-2cr-2nb合金粉末为球形，粒径小于150μm；所述成形基板预热时的电子束扫描速度为13000mm/s，电子束扫描电流为40ma；

步骤三、将步骤二中所述粉仓中的ti-48al-2cr-2nb合金粉末均匀铺设在预热后的成形基板上，然后采用电子束将ti-48al-2cr-2nb合金粉末预热至1000℃；所述ti-48al-2cr-2nb合金粉末预热时的电子束扫描速度为11000mm/s，电子束扫描电流为35ma，预热次数为5次；

步骤四、根据步骤一中导入到电子束选区快速成形设备中的切层数据，采用电子束对步骤三中预热后的ti-48al-2cr-2nb合金粉末进行选区熔化扫描，形成单层实体片层；所述选区熔化扫描时电子束扫描速度为2500mm/s，电子束扫描电流为25ma；

步骤五、重复步骤三和步骤四，直至各单层实体片层逐层堆积，形成电子束选区熔化成形件；

步骤六、将步骤五中所述电子束选区熔化成形件冷却至60℃，然后取出冷却至室温，得到ti-48al-2cr-2nb合金涡轮叶片。

图2为本实施例制备的ti-48al-2cr-2nb合金涡轮叶片的照片，从图2可以看出，ti-48al-2cr-2nb合金涡轮叶片表面没有气孔和未溶粉末，且整体形貌完整，未出现变形和断裂现象。

将图1和图2比较可以看出，本发明制备的ti-48al-2cr-2nb合金涡轮叶片与建立的三维模型高度相似，说明通过电子束选区熔化法可以根据实际需要，生产成形精度较高的ti-48al-2cr-2nb合金涡轮叶片。

图3为本实施例制备的ti-48al-2cr-2nb合金金涡轮叶片的显微组织图，从图3可以看出，本实施例制备的ti-48al-2cr-2nb合金涡轮叶片组织致密，存在少量尺寸极小的规则圆形气孔(尺寸<1μm)，层间结合良好，没有未溶的合金粉末，组织中片层状(α+γ)相十分细小，且两相分布均匀。

实施例2

步骤一、首先利用pro/engineer软件建立涡轮叶片的三维模型，然后利用buildassembler分层软件沿高度方向对涡轮叶片的三维模型进行切片处理，得到切层数据，再将所述切层数据导入电子束选区快速成形设备中；所述切片处理的每层切片的厚度为100μm；

步骤二、将ti-48al-2cr-2nb合金粉末装入到电子束选区快速成形设备的粉仓中，然后对电子束选区快速成形设备的成形腔抽真空至其真空度为4.8×10^-2pa，采用电子束将成形腔中的成形基板预热至1100℃；所述tial合金粉末通过气雾化法制备而得，所述气雾化法制备得到的tial合金粉末为球形，粒径小于120μm；所述成形基板预热时的电子束扫描速度为11000mm/s，电子束扫描电流为35ma；

步骤三、将步骤二中所述粉仓中的ti-48al-2cr-2nb合金粉末均匀铺设在预热后的成形基板上，然后采用电子束将ti-48al-2cr-2nb合金粉末预热至1100℃；所述ti-48al-2cr-2nb合金粉末预热时的电子束扫描速度为14000mm/s，电子束扫描电流为30ma，预热次数为10次；

步骤四、根据步骤一中导入到电子束选区快速成形设备中的切层数据，采用电子束对步骤三中预热后的ti-48al-2cr-2nb合金粉末进行选区熔化扫描，形成单层实体片层；所述选区熔化扫描时电子束扫描速度为1500mm/s，电子束扫描电流为20ma；

步骤五、重复步骤三和步骤四，直至各单层实体片层逐层堆积，形成电子束选区熔化成形件；

步骤六、将步骤五中所述电子束选区熔化成形件冷却至60℃，然后取出冷却至室温，得到ti-48al-2cr-2nb合金涡轮叶片。

图4为本实施例制备的ti-48al-2cr-2nb合金涡轮叶片的照片，从图4可以看出，ti-48al-2cr-2nb合金涡轮叶片表面没有气孔和未溶粉末，且整体形貌完整，未出现变形和断裂现象。

实施例3

步骤一、首先利用cad三维制图软件建立涡轮叶片的三维模型，然后利用buildassembler分层软件沿高度方向对涡轮叶片的三维模型进行切片处理，得到切层数据，再将所述切层数据导入电子束选区快速成形设备中；所述切片处理的每层切片的厚度为50μm；

步骤二、将ti-48al-2cr-2nb合金粉末装入到电子束选区快速成形设备的粉仓中，然后对电子束选区快速成形设备的成形腔抽真空至其真空度为4.5×10^-2pa，采用电子束将成形腔中的成形基板预热至1050℃；所述tial合金粉末通过气雾化法制备而得，所述气雾化法制备得到的tial合金粉末为近球形，粒径小于80μm；所述成形基板预热时的电子束扫描速度为12000mm/s，电子束扫描电流为38ma；

步骤三、将步骤二中所述粉仓中的ti-48al-2cr-2nb合金粉末均匀铺设在预热后的成形基板上，然后采用电子束将ti-48al-2cr-2nb合金粉末预热至1050℃；所述ti-48al-2cr-2nb合金粉末预热时的电子束扫描速度为12000mm/s，电子束扫描电流为33ma，预热次数为6次；

步骤四、根据步骤一中导入到电子束选区快速成形设备中的切层数据，采用电子束对步骤三中预热后的ti-48al-2cr-2nb合金粉末进行选区熔化扫描，形成单层实体片层；所述选区熔化扫描时电子束扫描速度为1600mm/s，电子束扫描电流为23ma；

步骤五、重复步骤三和步骤四，直至各单层实体片层逐层堆积，形成电子束选区熔化成形件；

步骤六、将步骤五中所述电子束选区熔化成形件冷却至60℃，然后取出冷却至室温，得到ti-48al-2cr-2nb合金涡轮叶片。

图5为本实施例制备的ti-48al-2cr-2nb合金涡轮叶片的照片，从图5可以看出，ti-48al-2cr-2nb合金涡轮叶片表面没有气孔和未溶粉末，且整体形貌完整，未出现变形和断裂现象。

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。