一种高效打印的激光粉末床熔融专用钛合金的制造方法
本发明涉及增材制造，尤其涉及一种高效打印的激光粉末床熔融专用钛合金的制造方法。
背景技术：
1、以ti6al4v为代表的tialv系合金具有优异的抗拉强度、延伸率、比强度高、耐蚀性等性能，广泛的应用于航空航天、医疗器械、化工等领域。但是，使用传统方法制造加工钛合金较为困难，尤其是制造结构复杂的精密零部件，生产周期长，材料利用率低。激光粉末床熔融(laser powder bed fusion，l-pbf)技术是应用较广泛的增材制造技术的一种。它是以中等功率但紧密聚焦的激光以高速扫描连续的金属粉末层，选择性地熔化粉末以构建完全致密的部分。具有成型可塑性强、无模具、定制化制造的特点，能有效解决传统工艺中加工困难的问题，并同时减少诸如模具开发制造的工艺工序。
2、激光粉末床熔融为微型熔池的非平衡凝固过程，涉及质量、热量、动量等一系列复杂的物理冶金过程。激光粉末床熔融成形中，每个最终的零件都是由一层层熔融而成，激光将一定能量密度的能量使粉体熔融，每熔融一层，平台下降，新的粉末铺满此层，然后重复上述过程，最终制备所需的零件。因此成形质量和很多设置参数密切相关。其中，扫描层厚对成形件的质量以及打印效率有着重要的影响。扫描层厚越薄，固定高度就会被切成更多层，成型件的质量更好，力学性能更优异，但是导致打印时间过长，降低生产效率，同时提高生产成本。使用大层厚工艺参数会导致粉末不完全溶解、飞溅、产生气体等问题，使打印出来的样品内部出现气孔，孔洞等缺陷，会降低材料的致密度，使样品力学性能下降。
3、在各种金属增材制造技术中，激光粉末床熔融技术具有打印精度高的优势，为了控制打印的精度和质量，把ti合金粉末的扫描层厚工艺参数l主要控制在20μm～60μm。但是，扫描层厚越薄，固定高度就会被切成更多层，导致打印时间更长，从成本角度看，打印效率低往往导致设备使用费用占到生产成本的50％以上，所以激光粉末床熔融技术具有打印效率低的问题。中国专利cn 115889812b公布了一种增材制造高强塑钛合金及其制备方法和应用，在该专利中应用最大层厚为50μm。中国专利cn 117535546 a公布了一种使用预渗氧球形钛粉的钛合金低成本化激光增材制造方法，在该专利中应用最大层厚为60μm。中国专利cncn 115537600 b公布了一种增材制造高强韧β钛合金材料及其制备方法，在该专利中应用最大层厚范围为20～50μm。
4、如果使用80-150μm的大层厚工艺参数虽然可以提高打印效率，缩短打印的时间。但是，会导致产品质量降低，致密度下降，力学性能降低。南丹麦大学在国际杂志materialstoday communications上发表文章on the effect of small laser spot size on themechanical behaviour of 316l stainless steel fabricated by l-pbf additivemanufacturing中明确说明了增加层厚会降低致密度，对机械性能有负面影响，使样品力学性能下降。所以发明具有更高打印效率(l值更大)的一种高效打印的激光粉末床熔融专用钛合金及其制造方法。
技术实现思路
1、为了解决上述存在的问题，本发明公开了一种高效打印的激光粉末床熔融专用钛合金的制造方法。
2、本发明的技术方案如下：
3、一种高效打印的激光粉末床熔融专用钛合金的制造方法，将激光粉末床熔融tialvcu合金粉末通过激光粉末床熔融，得到tialvcu合金构件。
4、所述激光粉末床熔融tialvcu合金粉末为球形合金粉末，粒径为15～53μm，通过气雾法制备。
5、所述气雾法制备具体为：以tialvcu棒材为原料；棒材旋转到水冷铜感应线圈中，以0.5～2.0mm/s的速度加热，当电源功率为35～50kw时，熔融金属液滴在压力为4.5～6.0mpa的氩气下连续滴落雾化并凝固成球形颗粒。
6、所述tialvcu合金组分质量百分比为：al：4.5～7.1wt.％，v：1.0～3.1wt.％，cu：1.0～5.0wt.％余量为ti以及不可避免的杂质。
7、所述扫描层厚为80～150μm。
8、所述激光粉末床熔融的参数还包括：激光功率为320～400w，扫描速度为800～1200mm/s，扫描间距为80～120μm，基板预热到100-300℃。
9、本发明的有益效果：
10、(1)缩短打印时间
11、激光粉末床熔融成形过程存在热量积累与固态金属重熔现象，影响试样成形质量的因素众多，制备钛合金的工艺难以调控。优化激光粉末床熔融(l-pbf)工艺参数(激光功率、扫描速度、层厚等)可以避免或改善孔隙、裂纹等问题，是提高成形件的性能和打印效率主要方法之一。其中，扫描层厚可以有效提高构建速率和制造速率，构建速率随着扫描层厚的增加而增加。因此，在粉末床融合过程中，增加层厚，打印速度将会直线式上升，节省时间和成本，提高生产效率或降低成本。当使用激光粉末床熔融(l-pbf)打印零件时我们选用大的层厚。本发明将层厚从20～60μm增大到80～150μm，使打印效率大大提高。
12、(2)提高致密度
13、在激光粉末床熔融过程中，随层厚的增加而呈现出不同的问题，其中主要的是粉末不能全部的熔融和大层厚下激光的热穿透深度不够，会产生孔隙、裂纹等缺陷。由公式可知：
14、
15、p是激光功率；v是加工速度；d是光斑尺寸；s是填充间距；l是层厚；室温(t0)和材料熔点(tm)；β是吸收因子，cp是热容。所以加入cu后，合金熔点降低会提高致密度。由热穿透深度公式可知：
16、
17、v是加工速度；d是光斑尺寸；l是层厚；α为导热效率，从公式得α导热效率与热穿透成正比，cu元素的导热系数在各种金属中名列前茅。加入cu元素后，合金导热性上升，热穿透深度增加。所以综上所述，加入cu元素可以解决大层厚带来的缺陷问题，提高致密度。
18、(3)优化力学性能
19、过冷(δtcs)溶质产生δtcs的速率由生长限制因子q决定，其中具有大q值的溶质快速产生δtcs并且被认为是可以提供有效晶粒细化的生长限制溶质。cu的生长限制因子较高，约为6.5，是一种潜在的钛合金晶粒细化剂。在钛合金中添加cu生长限制因子较高的合金元素，能够改善凝固过程中固液前沿的成分过冷，促进成分过冷区的晶粒形核，从而抑制柱状晶的产生。对于钛合金而言，打印态的力学性能受初生等轴β晶粒尺寸和显微组织的影响。随着cu的加入，沉积层中原有的β晶粒经历了由粗大柱状晶向细小等轴晶的转变。此外，随着cu的加入，沉积层中α相的尺寸明显细化。此外，由于cu原子半径小于ti原子半径，且cu固溶于α相和β相后晶格参数减小。融入固溶体中的cu原子造成晶格畸变，晶格畸变增大了位错运动的阻力，使滑移难以进行，从而使合金固溶体的强度增加。因此，可以认为cu元素起到了固溶强化的作用。合金沉积层中弥散分布着纳米级的球状ti2cu，阻碍位错的运动，可以提高合金的强度。因此，力学性能的优化得益于细晶强化、固溶强化和弥散强化。
20、本发明将层厚从20～60μm增大到80～150μm，使打印效率大大提高，同时在tialv合金中加入cu元素，使得保证在大层厚的前提下，合金的致密度达到98.5％以上，抗拉性能达到1030mpa以上，延伸率达到8％以上。
技术特征：
1.一种高效打印的激光粉末床熔融专用钛合金的制造方法，其特征在于，将激光粉末床熔融tialvcu合金粉末通过激光粉末床熔融，得到tialvcu合金构件。
2.根据权利要求1所述的高效打印的激光粉末床熔融专用钛合金的制造方法，其特征在于，所述激光粉末床熔融tialvcu合金粉末为球形合金粉末，粒径为15～53μm，通过气雾法制备。
3.根据权利要求2所述的高效打印的激光粉末床熔融专用钛合金的制造方法，其特征在于，所述气雾法制备具体为：以tialvcu棒材为原料；棒材旋转到水冷铜感应线圈中，以0.5～2.0mm/s的速度加热，当电源功率为35～50kw时，熔融金属液滴在压力为4.5～6.0mpa的氩气下连续滴落雾化并凝固成球形颗粒。
4.根据权利要求1、2或3所述的高效打印的激光粉末床熔融专用钛合金的制造方法，其特征在于，所述tialvcu合金组分质量百分比为：al：4.5～7.1wt.％，v：1.0～3.1wt.％，cu：1.0～5.0wt.％余量为ti以及不可避免的杂质。
5.根据权利要求4所述的高效打印的激光粉末床熔融专用钛合金的制造方法，其特征在于，所述扫描层厚为80～150μm。
6.根据权利要求5所述的高效打印的激光粉末床熔融专用钛合金的制造方法，其特征在于，所述激光粉末床熔融参数还包括：激光功率为320～400w，扫描速度为800～1200mm/s，扫描间距为80～120μm，基板预热到100-300℃。
技术总结
本发明属于增材制造技术领域，公开了一种高效打印的激光粉末床熔融专用钛合金的制造方法。本发明提出了一种TiAlVCu合金，Cu的质量占所述激光粉末床熔融TiAlVCu合金材料的1wt.％～5wt.％。与目前工业生产广泛使用的Ti6Al4V合金相比，当工艺参数扫描层厚l的取值范围是80‑150μm时，打印的合金部件致密度可达到99.6％的高致密度水平。此外，打印出的TiAlVCu合金材料还具有较高的强度和延伸率，抗拉强度达到1030MPa以上，延伸率达到8％以上，具有广泛的应用前景。
技术研发人员：柳金龙,任恩烨,于晓曼
受保护的技术使用者：东北大学
技术研发日：
技术公布日：2024/9/23