激光熔丝增材制造钛合金构件组织细化和等轴晶转化方法与流程

本发明涉及一种钛合金构件组织细化和等轴晶转化方法，尤其涉及一种激光熔丝增材制造钛合金构件组织细化和等轴晶转化方法，属于钛合金构件快速成形与增材制造技术领域。

背景技术：

钛合金具有低密度、高强度、高屈强比、优异的耐蚀性及高温力学性能等优点，已经在航空航天、交通运输、生物医疗等领域获得了广泛的应用。然而，在钛合金的快速成形与增材制造过程中，存在极大的温度梯度和加热冷却速率，通常会导致金属或合金在成形中生成粗大的柱状晶，这种现象在ti-6al-4v合金丝材的直接熔化沉积增材制造中尤为突出。研究表明，ti-6al-4v合金在增材制造过程中易形成粗大柱状晶的原因是因为在凝固过程中形核率较低，后续沉积层凝固时其晶粒会沿着早期钛合金晶粒某一晶面继续长大，由于钛合金外延生长趋势明显，在构件的宏观组织上呈现贯穿多个沉积层的粗大β柱状晶，长度方向可达几个毫米，甚至可以通过控制凝固生长直接制备出大尺寸的单晶。这些粗大柱状晶的出现，会导致所制备的结构件产生明显的各向异性，导致增材制造钛合金构件的强度、韧性、损伤容限、疲劳性能远远低于钛合金锻件的水平，从而制约了所制备钛合金构件在工业中的应用。因此，如何采用简单易行的工艺方法改善钛合金丝材沉积成形组织，获得小尺寸的等轴晶钛合金构件是钛合金增材制造领域中亟待解决的瓶颈技术。

目前，为解决钛合金构件在金属增材制造过程中生成粗大柱状晶的问题，人们发展了多种方法和技术。例如，研究发现，可通过添加合金元素，提高钛合金的形核能力。皇家墨尔本理工学院增材制造中心研究了一种含cu元素的钛合金，结果表明，由于铜元素的添加，提高了钛合金凝固时的形核率，在无任何处理手段的前提条件下，增材制造所制备出来的ti-cu合金获得了细小的等轴晶。由于细晶强化的效果，该合金获得了比传统铸态和锻态ti-6al-4v合金更加优异的屈服强度和韧性。然而，在ti-6al-4v合金引入的合金元素，会在一定程度上改变原有材料的成分和其它方面的性能，并且引入的合金元素，在熔池凝固过程中产生一定程度的偏析也是很难避免的。对钛合金成分要求严格的应用领域，这种改变钛合金成分的技术是受到限制的。

在不改变钛合金成分的前提下，通过外力场和外能场辅助的技术来改善增材制造钛合金构件微观组织、获得等轴细晶的方法主要有：机械滚压和超声干扰两种方法。

(1)滚压轧制

英国克莱菲尔德大学的研究人员首次采用了滚动轧制的方式对增材制造的沉积层进行了大尺度的塑性变形处理，发现经过对电弧熔丝增材制造ti-6al-4v合金逐层滚压轧制作用，可有效细化β晶粒，降低材料中β相和α相的织构强度，减弱材料的各向异性，进而从整体上改善所制备钛合金件的性能。这种通过沉积层大的塑性变形来细化晶粒的的方法，是通过施加大的压力(达75kn)来实现的，如此大的载荷施加在薄壁件或内腔复杂零部件时，很容易发生塑性变形，甚至直接导致高强度钛合金薄壁件的破坏，无法完成钛合金薄壁件晶粒控制和增材制造过程。。

(2)熔池的超声干扰处理

在传统的焊接和铸造领域，高强度超声的作用能够在材料凝固结晶过程中对材料的组织和性能产生影响。超声在材料凝固过程中能够产生超声空化和声流效应，提高其形核率并减少成分偏析，进而获得细小的等轴晶组织。最近，国外把这种早期在铸造工艺中使用的高强度超声技术应用于增材制造中，对ti-6al-4v合金沉积层凝固过程进行控制。研究发现，高强度超声作用后增材制造ti-6al-4v合金的组织由粗大的柱状晶转变为细小的等轴晶。由此可见，超声能场对增材过程中沉积层熔池的干预，能够有效地解决增材制造过程中存在的外延生长和组织粗大的问题。但是，这类技术大都采用从构件底部施加超声能场的作用，超声波透过构件对顶端沉积层的熔池进行干扰，利用超声波的空化析出气体效果和声流搅拌均匀效果来实现对钛合金晶粒的控制。但是，随着沉积层的增加和构件尺寸的增大，超声能场对构件顶端熔池中合金凝固过程的作用效果越来越小，所以，这种技术难以应用于大尺寸钛合金构件的增材制造。另外，这种技术实施时超声能场必须从构件底端施加，同步跟踪并准确作用于构件上部的熔池，底部的超声波装置和上部的高能束沉积头也必须按照规划的路径同步协调运动。可见，这种技术不适用大尺寸、复杂结构钛合金构件的增材制造，所以至今也没有发现在工程中应用推广的报道。

分析发现，在高能束粉末沉积制备钛合金构件的组织控制技术方面，国内外发展了很多适用的工程技术。例如，国内采用先进的激光粉末熔覆成形工艺，通过增加液固两相区形核部位、增大液态熔池等轴晶区域，获得了全等轴晶钛合金组织，实现了钛合金构件组织的主动调控，制备出了大尺寸的钛合金构件。但是，在低成本高效率的高能束熔丝沉积增材制造技术领域，关于钛合金构件等轴晶转变方面的实用化技术迄今为止还没有取得进展。现有的细化增材制造钛合金组织的方法包括：改变钛合金成分，滚压轧制、熔池的超声干扰处理等均存在一定的局限性，这种状态严重阻碍了高效率、低成本熔丝成形增材制造技术在钛合金构件快速成形与增材制造中的推广应用。

技术实现要素：

本发明的目的是为了解决钛合金在大型复杂制件增材制造过程中组织粗大和疲劳性能差的问题而提供一种激光熔丝增材制造钛合金构件组织细化和等轴晶转化方法。

本发明的目的是这样实现的：

一种激光熔丝增材制造钛合金构件组织细化和等轴晶转化方法，是将超声冲击微锻造装置与激光熔丝增材制造系统进行耦合，在激光熔丝增材制造钛合金过程中，对其每一沉积层进行同步的超声微锻造处理，直至工件完成，具体包括如下步骤：

s1、将超声冲击微锻造装置与激光熔丝增材制造装置耦合，采用激光熔丝增材制造装置在前，超声冲击微锻造装置在后的复合方式进行同步复合制造；同样地，也可以采用超声冲击微锻造装置在前，激光熔丝增材制造装置在后的复合方式进行同步复合制造；

s2、根据工件形状合理规划其路径并设置相关超声冲击微锻造装置与激光熔丝增材制造系统参数，实现有效的兼容，对其复合制造过程进行控制；

s3、根据路径规划和系统参数，在激光熔丝过程中同步进行逐层的超声冲击微锻造处理，直至完成钛合金构件的增材制造过程。

本发明还包括这样一些特征：

所述超声冲击微锻造装置与激光熔丝增材制造沉积头二者之间的有效作用间距为l；所述超声冲击微锻造装置与沉积层之间的夹角为α；所述超声微锻造装置与沉积层之间的作用力为f；

所述步骤s1中超声冲击微锻造装置与激光熔丝增材制造系统连接在一起进行调节，也可分开独立的两个系统进行同步耦合工作；

所述步骤s2中超声冲击微锻造参数包括：超声波频率、超声波功率、超声波振幅以及对沉积层的作用力f；所述激光熔丝增材制造系统参数包括：激光功率、扫描速度、送丝速度、送丝角度、丝直径、离焦量、气氛保护气体流量；

所述超声冲击微锻造装置与增材制造沉积头二者之间的有效作用间距l调整范围为0～50mm；

所述超声冲击微锻造装置与沉积层之间的夹角α调整范围为30°～90°；

所述超声冲击微锻造装置与沉积层之间的下压力f控制范围为0～2000n。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)通过超声冲击微锻造装置对激光熔丝增材制造钛合金的沉积层同步进行超声处理，能够保证在较高的温度下对钛合金沉积层进行超声冲击微锻造处理，对沉积层表层进行一定的塑性变形，并且由于超声在整个工件中进行传播，超声振动能够有效的释放在激光熔丝增材制造过程中产生的残余应力；

(2)通过超声冲击微锻造装置对激光熔丝增材制造钛合金的沉积层同步进行超声处理，使得超声波能够以相对稳定地参数持续作用于熔池中，保证超声波对熔池干扰的效果，持续稳定的细化钛合金构件的组织和等轴晶转化；

(3)本发明的另一技术特点是可以根据钛合金构件服役性能的具体需求，通过调整超声冲击微锻造装置与激光熔丝增材制造沉积头二者之间的间距为l；超声冲击微锻造装置与沉积层之间的夹角为α，实现对沉积层冲击温度的调整，以及对熔池干扰效果的控制。

(4)本发明提供的一种激光熔丝增材制造钛合金构件组织细化和等轴晶转化的方法，相较于在底端施加超声干扰的方式，提出的二者同步工作的结构设计能够简化整个构件增材制造的路径规划，使得该方法能够适用于大型复杂钛合金结构件的制造；

(5)本发明提出的方法中超声冲击微锻造装置与激光熔丝装置结构紧凑，在集成装备设计时可占用较小的结构空间，适用于在增减材一体化复合制造技术与装备中推广应用。

(6)本发明提出的方法用于、但不限于激光熔丝沉积增材制造技术，可以应用推广在电弧熔丝、等离子电弧熔丝和电子束熔丝等增材制造工艺。

附图说明

图1是超声冲击微锻造装置与激光熔丝增材制造装置分布示意图；其中：1—激光系统；2—送丝系统；3—超声冲击微锻造装置；4—ti-6al-4v合金沉积层；5—ti-6al-4v基板；6—熔池；

图2是超声振动通过不同角度作用于沉积层时沿不同方向传递至熔池的示意图；其中a0为超声振幅；f为超声波频率；t为时间；α为超声微锻造与沉积层作用角度；a1、a2为不同方向分量；

图3a-b为传统激光熔丝增材制造ti-6al-4v合金组织；其中(a)为低倍组织形貌，(b)为高倍组织形貌

图4a-b为经过超声冲击微锻造处理后激光熔丝增材制造ti-6al-4v合金组织；其中(a)为低倍组织形貌，(b)为高倍组织形貌。

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。

本发明的目的在于提供一种激光熔丝增材制造钛合金构件组织细化和等轴晶转化的简单方法，该方法通过将超声冲击微锻造装置与激光熔丝增材制造装置进行耦合，将高强度超声能场引入激光熔丝增材制造过程中，同时发挥超声能场对熔池的干扰作用和对固体沉积成层的冲击强化作用，实现改善钛合金构件等轴晶转变、细化晶粒和提高力学性能，解决钛合金在大型复杂制件增材制造过程中组织粗大和疲劳性能差的问题。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

所述一种激光熔丝增材制造钛合金构件组织细化和等轴晶转化的简单方法，是将超声冲击微锻造装置与激光熔丝增材制造系统进行耦合，在激光熔丝增材制造钛合金过程中，对其每一沉积层进行同步的超声微锻造处理，直至工件完成。具体包括以下步骤：

s1、将超声冲击微锻造装置与激光熔丝增材制造装置耦合，采用激光熔丝增材制造装置在前，超声冲击微锻造装置在后的复合方式进行同步复合制造；同样地，也可以采用超声冲击微锻造装置在前，激光熔丝增材制造装置在后的复合方式进行同步复合制造；

s2、根据工件形状合理规划其路径并设置相关超声冲击微锻造装置与激光熔丝增材制造系统参数，实现有效的兼容，对其复合制造过程进行控制；

s3、根据路径规划和系统参数，在激光熔丝过程中同步进行逐层的超声冲击微锻造处理，直至完成钛合金构件的增材制造过程。

s4、所述超声冲击微锻造装置与激光熔丝增材制造沉积头二者之间的有效作用间距为l；所述超声冲击微锻造装置与沉积层之间的夹角为α；所述超声微锻造装置与沉积层之间的作用力为f；

进一步地，步骤s1中，所述超声冲击微锻造装置与激光熔丝增材制造系统连接在一起进行调节，也可分开独立的两个系统进行同步耦合工作。

进一步地，步骤s2中，所述超声冲击微锻造参数包括：超声波频率、超声波功率、超声波振幅以及对沉积层的作用力f等参数；

进一步地，步骤s2中，所述激光熔丝增材制造系统参数包括：激光功率、扫描速度、送丝速度、送丝角度、丝直径、离焦量、气氛保护气体流量等参数；

进一步地，步骤s4中，所述超声冲击微锻造装置与增材制造沉积头二者之间的有效作用间距l可调，其调整范围为0～50mm，以满足对沉积层的冲击强化和对熔池干扰的不同需求。

进一步地，步骤s4中，所述超声冲击微锻造装置与沉积层之间的夹角α可调，其调整范围为30°～90°。

进一步地，步骤s4中，所述超声冲击微锻造装置与沉积层之间的下压力f可控，其控制范围为0～2000n。

本发明的技术原理阐述如下：

本发明公开了一种激光熔丝增材制造钛合金构件组织细化和等轴晶转化的简单方法，在传统的激光熔丝增材制造的基础上，通过超声冲击微锻造装置对激光熔丝增材制造钛合金的沉积层同步进行超声处理，将高强度超声引入到沉积过程中，改善固体沉积层的应力状态，把增材制造产生的残余拉应力转变成压应力，大幅提高钛合金构件的疲劳性能。另一方面，超声波的切向分量可传递到冲击点的前端熔池，通过高强度超声在熔池中产生的超声空化效应和声流效应对熔池进行干扰，增加钛合金凝固过程中的形核率，细化钛合金的晶粒，改善凝固过程中的成分分布。相较于传统的激光熔丝增材制造钛合金过程，对增材制造过程进行逐层的超声冲击微锻造处理能够有效的细化每一沉积层的组织，弱化钛合金在增材制造过程中外延生长趋势，可从整体上细化整个增材制造钛合金工件的组织，减弱其各向异性，使得获得性能优异的钛合金构件，为增材制造钛合金构件的组织细化和等轴晶转化提供有效的方法。

一种激光熔丝增材制造钛合金构件组织细化和等轴晶转化的方法，将超声微锻造装置与激光熔丝增材制造系统进行耦合，对激光熔丝增材制造钛合金每一沉积层都经过超声微锻造处理，直至增材制造过程完成。既可以采用激光熔丝增材制造装置在前，超声冲击微锻造装置在后的复合方式进行复合制造；同样地，也可以采用超声冲击微锻造装置在前，增材制造装置在后的复合方式进行复合制造。超声微锻造与激光熔丝增材制造是同步进行的。超声冲击微锻造装置与激光熔丝增材制造装置之间的间距可调。超声冲击微锻造装置与沉积层之间的角度可调。超声冲击微锻造装置与沉积层之间的作用力可调。

本发明公开一种细化激光熔丝增材制造钛合金组织的方法，该方法基于图1所述装置，将现有激光熔丝增材制造装置与超声冲击微锻造装置进行耦合，把高强度超声引入激光熔丝增材制造钛合金的过程中。其中，超声冲击微锻造装置与激光熔丝增材制造装置存在方案a和方案b两种位置关系，见附图1。详细解释如下：

附图1中方案a所示为激光熔丝增材制造在前，超声冲击微锻造装置在其后间隔一段距离l进行同步工作。即，激光熔丝第n层时，在同步工作过程中，超声冲击微锻造装置跟在其后对当前层(第n层)进行超声微锻造处理，高强度超声通过第n层传递至熔池6中。

附图1中方案b所示为超声冲击微锻造装置在前，激光熔丝增材制造沉积头在其后间隔一段距离l进行同步工作。即，激光熔丝第n层时，在同步工作过程中，超声微锻造装置会首先对第n-1层进行超声微锻造处理，高强度超声通过第n-1层传递到紧随其后的熔池6中。

以方案a为例，将超声冲击微锻造装置与激光熔丝增材制造装置进行耦合制备ti-6al-4v合金制件。实验基板为ti-6al-4v合金，ti-6al-4v丝材直径1.2mm。激光熔丝实验参数为：激光功率为1200w，送丝速度为10mm/s，沉积速度为2mm/s，离焦量为20mm，氩气保护气体流量为15l/min；超声冲击微锻造参数为：超声振幅a0为16μm，频率f为20khz，压力f为400n。超声微锻造与激光熔丝增材制造之间的间距l为20mm，超声微锻造与沉积层之间的夹角α为45°。

有无超声微锻造处理的激光熔丝增材制造ti-6al-4v合金的组织见图2和图3。对比图2和图3可以明显的看出，用超声冲击微锻造装置与激光熔丝增材制造装置耦合同步作用后，粗大的钛合金柱状晶转变成为细小的等轴晶。所制备的ti-6al-4v合金的晶粒尺寸从几个毫米柱状晶细化至平均尺寸400μm左右的等轴晶，组织得到明显细化。可见，本发明所提出的简单可行方法能够有效的细化激光熔丝增材制造ti-6al-4v合金的晶粒和实现等轴晶的转变。

本发明的实施例是为了示例和描述起见而给出的，而并不是无遗漏的或者将本发明限于所公开的形式。很多修改和变化对于本领域的普通技术人员而言是显而易见的。选择和描述实施例是为了更好说明本发明的原理和实际应用，并且使本领域的普通技术人员能够理解本发明从而设计适于特定用途的带有各种修改的各种实施例。

综上所述：本发明提供了一种激光熔丝增材制造钛合金构件组织细化和等轴晶转化的简单方法，在传统激光熔丝增材制造的基础上，通过超声冲击微锻造装置对激光熔丝增材制造钛合金的沉积层同步进行超声处理，将高强度超声引入到沉积过程中。通过高强度超声在熔池中产生的超声空化效应和声流效应对熔池的凝固过程进行干扰，以及微锻造部分对沉积层的塑性变形，增加钛合金凝固过程中的形核率，细化钛合金的晶粒，改善凝固过程中的成分分布。相较于传统的激光熔丝增材制造钛合金过程，对增材制造过程进行逐层的超声微锻造处理能够有效的细化每一沉积层的组织，弱化了钛合金在增材制造过程中外延生长趋势，可从整体上细化整个增材制造钛合金工件的组织，减弱其各向异性，使得获得性能优异的钛合金制件，为钛合金增材制造组织的细化提供新的有效的方法。