[发明专利]用于改善钛合金丝材增材制造冶金组织的工艺

说明书

本发明提供一种用于改善钛合金丝材增材制造冶金组织的工艺，包括以下步骤：将钛合金丝材进行置氢处理，即：在置氢热处理炉中通入与钛合金丝材的重量成一定百分比的氢气，保温一定时间后，冷却至室温，即得到置氢钛合金丝材；置氢后的钛合金丝材进行高温固溶处理；将高温固溶处理后的钛合金丝材用于增材制造，通过送丝增材制造工艺打印获得钛合金工件；以及将钛合金工件进行退火与除氢处理。本发明通过前置的钛合金丝材置氢处理后得到置氢钛合金丝材，对置氢钛合金丝材进行固溶处理，以提高增材制造专用置氢打印丝材塑形；再利用固溶后的钛合金丝材进行增材制造得到钛合金工件，最后将制造的钛合金工件进行除氢热处理和退火，以细化改善送丝增材制造钛合金工件的显微组织。

技术领域

本发明涉及增材制造技术领域，尤其是钛合金的增材制造技术，具体而言涉及一种用于改善钛合金丝材增材制造冶金组织的工艺。

背景技术

在增材制造过程中采用的热源种类包括激光、电弧、等离子、电子束等，且在增在制造过程中存在快速加热、快速冷却的超常冶金环境下，增材制造冶金质量差，组织粗大。涉及材料形式包括粉末和丝材，但不管光源和制品形式如何改变，其凝固过程的冶金特征基本相同，即金属微区在集中热源的作用下被快速加热，急冷快速凝固，随后逐层沉积过程中历经多周期、变循环、剧烈加热和冷却，相邻层或几层发生循环重熔冷却，其它沉积层晶粒则被循环微热处理。循环重熔和微热处理，导致增材制造金属构件的显微组织结构独特。

在钛合金为原料的增材制造过程中，激光选区熔化、激光沉积成形等晶粒垂直于基板界面生长成粗大的原始β晶粒、柱状晶，仅在底部和顶部出现少量等轴或细小晶粒，形成极不均匀的组织特征，这种粗大组织在能量密度更高的电子束、电弧增材工艺中，甚至发展成为贯穿柱状晶。尽管如此，极速的冷却也为粗大晶粒内部带来了细小片层或者针状马氏体组织这一超常特殊组织，这也是为何增材制造钛合金结构件沉积态力学性能普遍高于铸件甚至锻件的主要因素。

围绕这一问题，国内外学者已经开展了大量探索性研究，从增材制造工艺本身、添加强化颗粒细化晶粒及利用磁场、电场、超声、激光、微锻等方面进行微观组织的调控，试图解决增材制造冶金组织问题:

1、通过增材制造工艺参数的调控在一定程度上实现冶金组织改善。现有技术从控制成形过程工艺参数以及后续热处理工艺上试图通过工艺来降低柱状晶的尺寸。例如，P.A.Kobryn等人研究了Ti-6Al-4V合金激光熔覆的柱状晶产生规律，结果表明高温度梯度和大冷却速率有利于柱状晶的生长，高的扫描速度可降低柱状晶的大小。

但通过工艺进行控制是从过冷度的角度进行组织调控，增材制造激光，电子束等高能热源加热，凝固速率在0.1m/s到5m/s，温度梯度已经在一个很高级别上，通过工艺参数调整很难实现细晶强化。

2、添加形核剂或合金化元素是实现增材制造组织细化的潜在途径，美国Banerjee等利用激光立体成型技术成功制备Ti-TiB和Ti6Al4V-TiB复合材料，TiB增强体可以均匀分布在沉积态合金内，并可以在一定程度上细化组织。通过添加形核剂是从增加形核质点来实现组织改善，但添加形核剂会影响合金成分，对于合金成分要求严格的合金也不适合。

3、通过改善增材制造的原材料进微观组织的改善，例如中国专利CN201610032762.9提出的提高TC4钛合金室温塑性的循环热氢处理工艺，对TC4钛合金进行二次循环置氢处理，即对TC4钛合金进行一次置氢处理后，再除氢，然后再进行二次置氢处理，最后进行固溶淬火处理。通过二次置氢处理方法改善TC4钛合金中α相和β相的比例，增加了合金中塑性较好的β相的含量，减少了α′马氏体的含量，细化了晶粒，从而使其室温塑性进一步得到了改善；经二次循环热氢处理后，改善TC4钛合金的极限变形率提高22.1％，屈服强度降低11.1％，屈强比降低11.5％。但其缺陷在于仅利用氢在TC4合金后续热处理过程细化晶粒的作用，而不能利用氢在循环熔化沉积过程促进元素扩散和增加液/固界面成分过冷；氢化物形成与分解、置氢降低变形抗力并促进位错运动进而形成变形缺陷，从多维、多角度促进非自发形核，细化晶粒的作用。