[发明专利]一种高性能高温梯度材料构件的制造方法

说明书

本发明公开了高性能高温梯度材料构件的制造方法，包括，1)第一混粉过程；2)激光熔化沉积第一过渡层；3)第二混粉过程；4)激光熔化沉积第二过渡层；5）激光熔化沉积TiAl层；6）对成型的构件进行去应力退火处理。本发明采用经验公式来精确控制混合粉末中TC17与TiAl的比例，从而精确控制过渡层组织成分，采用第一、第二过渡层的激光熔化沉积，获得了存在大量的α₂+γ片层组织的均匀致密的过渡层，能够有效解决TC17与TiAl的密度、热膨胀系数等物理参数不同所带来的热应力的问题。

技术领域

本发明涉及航空航天和先进钛合金材料技术领域，尤其是涉及一种高性能梯度钛合金材料构件的制造方法。

背景技术

TC17是一种富β稳定元素的双相钛合金，名义成分为Ti-5Al-4Mo-4Cr-2Zr，使用温度可达400℃。由于其综合力学性能优异，尤其是中温蠕变性能突出，目前在航空发动机压气机整体叶盘中广泛应用。TiAl合金是一种轻质耐高温材料，使用温度可达700-1000℃，具有优异的常温及高温力学性能，被当做是航空发动机高压压气机及低压涡轮叶片的潜在首选材料。目前TC17制备的低压压气机整体叶盘与TiAl合金为材料的高压压气机叶片的制造技术已获得广泛关注，随着航空发动机对性能的要求逐渐提高，压气机叶盘的制造也面临巨大挑战，例如叶片修复与双性能叶盘的制备。

激光增材制造技术是以激光为能量源，熔化金属粉末并按路径扫描，采用逐层累积的方式完成实体零件成型的技术。梯度材料是指材料内部的组成和结构连续且均匀变化，无明显界限，由此材料的组织、性能也呈现梯度变化的材料。由于增材制造技术在成分及结构上有很大的灵活性，可以在通过沉积过程中控制原材料送给，被视为梯度材料制备的最理想成型技术之一。但TC17与TiAl的密度、热膨胀系数等物理参数有很大不同，其单独沉积时采用的工艺参数也有很大区别，在同一沉积条件下，易于在凝固过程中产生较大热应力，导致应力集中从而试样开裂。为避免开裂，需要对传统的送粉方式进行改良，通过控制二者比例，完成成分的平缓过渡。

发明内容

本发明针对TC17/TiAl高温高性能梯度材料的制备和研究，主要分为混粉、激光熔化沉积过程和后处理几个部分，其中设计的TC17/TiAl高温高性能梯度材料构件的制造方法，具体包括：

1)第一混粉过程：在混粉空腔上部通入TC17、TiAl粉末，下部采用氩气进行第一控制混合，完成所述第一控制混合后，打开空腔下部粉管塞，混合好的粉末进入送粉系统；

2)激光熔化沉积第一过渡层：以送粉系统中混合好的TC17、TiAl粉末为原材料，基材选择激光增材制造TC17板材；在沉积TiAl之前用一束低功率激光快速扫描基板以保证基材温度在600℃左右，同时用一束高功率激光快速扫描沉积区以保证沉积区的预热温度在800℃左右；随后进行第一过渡层激光熔化沉积；

3)第二混粉过程：在混粉空腔上部通入TC17、TiAl粉末，下部采用氩气进行第二控制混合，完成所述第二控制混合后，打开空腔下部粉管塞，混合好的粉末进入送粉系统；

4)激光熔化沉积第二过渡层：以送粉系统中混合好的TC17、TiAl粉末为原材料，直接在第一过渡层上进行第二过渡层激光熔化沉积，在更换粉管进行沉积之前，对已沉积的第一过渡层的表面进行预热，参数与沉积第二过渡层的激光功率和扫描速度一致；

5）激光熔化沉积TiAl层：在混粉空腔上部通入TiAl进入送粉系统作为原材料，直接在第二过渡层上进行TiAl层的激光熔化沉积；在更换粉管进行沉积之前，对已沉积的第二过渡层的表面进行预热，参数与沉积第二过渡层的激光功率和扫描速度一致；

6）对成型的构件进行去应力退火处理。

进一步优选的，所述第一控制混合得到的混合粉末中TC17与TiAl的质量比为2-1.5:1，所述第二控制混合得到的混合粉末中TC17与TiAl的质量比为1-1.5:2。