[发明专利]一种梯度过渡钛合金多束电子束原位反应增材方法

说明书

本发明为一种梯度过渡钛合金多束电子束原位反应增材方法，该方法具体步骤如下：首先进行增材预处理，将气雾化球形Ti6‑Al4‑V钛合金粉末与一定量的Ti粉末、B₄C粉末充分混合，作为选区熔化增材的原料；其次，准备多束电子束增材设备，调节电子束功率、铺粉厚度、扫描速度等参数；最后，按照计算机分层截面信息逐层扫描增材，通过多束电子束进行同步预热增材并实现不同区域的不同热输入，最后形成整个零件。本发明利用增材过程中Ti粉末与B₄C粉在不同热输入、不同冷却速率下原位反应产生的增强相颗粒种类、形态大小不同的特点，结合多束电子束同步预热扫描的方法，实现了梯度过渡强化钛合金的增材。

技术领域

本发明涉及梯度过渡钛合金原位反应增材制造领域，为一种梯度过渡钛合金多束电子束原位反应增材方法，具体为Ti6-Al4-V与B₄C原位反应生成梯度过渡强化钛合金材料的多束电子束选区熔化增材制造方法。

背景技术

随着科技的发展和生产力水平的提高，一般的传统材料越来越难以满足一些特殊零件的使用要求。梯度材料是一种特殊的异构材料，它通过材料呈现梯度过渡来实现异种材料的连接，改善不同材料连接不良的现象，同时也能获得性能上的连续改变性，是一种具有极大发展潜力的材料，其在航空航天、生物医疗等方面有着广阔的科研和应用前景。目前，梯度材料的制作大多通过异种金属或合金按照成分梯度连续变化或近连续变化来实现，而通过同种金属、合金的微观组织梯度变化制造梯度材料的方法相对较少，关于这一方向也有着广阔的发展空间。

钛合金作为“未来金属”的一种，以其比强度高、密度小、抗腐蚀能力强的特点及其优越的耐高温性、生物兼容性而在航空航天、石油化工、机械制造和生物医疗等方面发挥着重要作用。传统的Ti6-Al4-V钛合金有着优良的塑韧性，但其强度与耐磨度略有逊色，故钛合金的强化成为了当下热门的研究课题之一。在钛合金的众多强化方法中，利用钛合金与陶瓷材料的原位反应进行的表面激光熔覆技术在最近几年得到了多方认可。该种方法可以很好的将陶瓷材料的高强度、高耐热性、高耐磨性、抗氧化性等优点与钛合金本身的特点相结合，使材料拥有极好的表面性能，有着良好的发展前景。但是，受限于激光的能量密度和加工方法的限制，以激光熔覆的方法产生的熔覆层厚度一般在几十微米到几毫米之间，仅为一种表面强化手段，对于钛合金内部还没办法做到全面强化。

增材制造技术，又称3D打印，近年来也成为材料成形越来越重要的手段之一。它改变了以往材料加工过程中“减材”的传统思想，提出了“从无到有”的增材理论模式。在增材制造过程中，先利用计算机程序模拟出所需零件的三维数据模型，再将该模型以适当的方向进行分层切片，并设定好每层切片的加工扫描路径。然后，通过送丝熔覆或粉末烧结的方式、按照计算机设定好的路径程序，配合可移动底座、送丝机或送粉铺粉系统逐层进行制造，最终形成完整的零件。该方法拥有材料利用率高、生产周期短、生产效率高、自动化程度高等诸多优点；更重要的是，该方法生产零件具有高度灵活性，可以加工内部结构复杂、异构结构多的产品，相较于传统加工方法有着极大优势。

与增材制造技术同时兴起的还有多束流技术，其中，以多束电子束为代表的多束流焊接、增材制造方法也逐渐走入人们的视野。多束电子束是高能受控束流技术的实际应用之一，其利用了电子几乎没有质量、惯性，可以实现微秒级别以下的偏转相应的特点实现了束流在不同位置的高频率切换。由于一般的金属材料都具有热惯性，故高频率位置切换的电子束流可以实现多束流加工过程。已有相关学者利用多束电子束进行同步预热焊接，实验结果表明，通过多束流技术进行同步预热的焊接方法可以大大降低加工件的内应力以减小焊接过程中产生的工件形变，具有重大研究意义。

综上所述，利用增材制造分层加工的方法实现构件整体的强化、用多束流技术实现同步预热扫描以最大程度减小内应力、并结合钛合金陶瓷强化过程中增强相的反应和生长特点，可为现阶段梯度材料的制造提供一种新的思路，改善目前梯度材料制造柔性化程度低等问题。

发明内容