[发明专利]一种钛/镍双合金过渡区成分设计与优化方法

说明书

本发明一种钛/镍双合金过渡区成分设计与优化方法，属于金属构件制造成形领域；方法步骤分别为，过渡区成分预设，根据实际构件服役最高温度和最高性能分布，选取满足需求的钛合金和镍基高温合金粉末材料，同时依据钛镍二元相图进行钛/镍双合金混合粉末过渡区成分计算；激光沉积制备；过渡区质量表征；过渡区尺寸确定；过渡区成分优化；本发明方法以钛镍合金相图作为钛/镍双合金构件过渡区成分设计的理论基础，以增材制造工艺作为主要试验手段，目的在于防止钛/镍双合金结合界面缺陷，解决钛/镍双合金构件结合界面易开裂难题，实现结合过渡区性能梯度过渡。

技术领域

本发明属于金属构件制造成形领域，具体涉及一种钛/镍双合金过渡区成分设计与优化方法。

背景技术

航空航天高端装备正向大型化、高参数设计、高服役需求的方向快速发展，致使金属构件形状日益复杂、性能要求越来越高，构件需要满足高温度梯度和高应力梯度的使用条件，传统单一均质材料性能单一、仅能在特定温度和应力范围内使用，难以实现关键构件高温度梯度和高应力梯度的服役目标。钛合金和镍基高温合金是制备航空航天构件的主要材料，钛合金密度小，比强度高，但是600℃以上高温性能较差。镍基高温合金具有良好的高温性能，能够在600℃以上高温条件下长期稳定服役，但是密度较大，不利于航空航天构件的减重。近年来随着各种先进制造技术的发展，通过增材制造、焊接等工艺可以制备出不同合金结合的双合金构件，在一定程度上满足了高端装备关键部件面临的轻质、高强、承力和承热一体化热结构发展需求。但是钛合金与镍基高温合金热物理性能差异大，钛和镍元素易生成脆性金属间化合物，造成钛/镍双合金结合界面过渡效果较差，制备的双合金构件易于开裂(如下图1Ti60与GH4169合金直接激光沉积开裂图所示)。

减少钛/镍双合金结合界面的缺陷，解决钛/镍双合金构件易开裂的问题，优化结合界面的成分和性能过渡，是制备钛/镍双合金构件面临的难题，也是目前关键装备面临的急需。通过增加钛/镍双合金过渡区可以防止脆性金属间化合物生成，避免构件开裂，但如何进行过渡区成分设计与优化却至关重要。

为了实现钛/镍双合金结合界面合理过渡，本发明提出了一种钛/镍双合金过渡区成分设计与优化方法，根据双合金构件需求，以钛镍相图计算为理论依据，通过增材制造试验来进行钛/镍双合金过渡区成分设计与优化，以满足钛/镍双合金构件梯度使用性能需求。

发明内容

要解决的技术问题：

为了防止生成钛/镍双合金结合界面缺陷，解决钛/镍双合金结合界面易开裂的问题，使结合界面成分和性能梯度过渡，本发明提出一种钛/镍双合金过渡区成分设计与优化方法。该方法根据高端装备关键构件服役性能需求，以钛镍合金相图为理论依据，进行钛/镍双合金成分设计，结合增材制造工艺进行混合粉末过渡区制备和质量表征，优化出合理的过渡区成分与尺寸范围，为钛/镍双合金构件制备提供必需。

本发明的技术方案是：一种钛/镍双合金过渡区成分设计与优化方法，具体步骤如下：

步骤1：过渡区成分预设：根据实际构件服役最高温度和最高性能分布，选取满足需求的钛合金和镍基高温合金粉末材料，同时依据钛镍二元相图进行钛/镍双合金混合粉末过渡区成分计算；

步骤2：激光沉积制备：将步骤1选取的钛合金和镍基高温合金粉末真空干燥，设定激光立体成形装备的工艺参数，将镍基高温合金粉末、钛/镍双合金混合粉末、钛合金粉末依次进行沉积，制备得到钛/镍双合金试样；

步骤3：过渡区质量表征：对步骤2制备的钛/镍双合金试样采取XYZ三方向的剖分，磨平抛光后观察是否存在结合缺陷；同时进行成分和硬度测试，获得主要元素含量、硬度沿过渡区位置的变化数据；

步骤4：过渡区尺寸确定：若步骤3过渡区观察结果为无结合缺陷，依据步骤3测试数据建立主要元素含量和硬度随过渡区位置的变化关系，对比实际构件服役温度和性能分布确定钛/镍双合金过渡区尺寸范围；