[发明专利]一种细晶TC4合金增材制造方法

说明书

本发明公开了一种细晶TC4合金增材制造方法，首先设计出微桁架结构TC4合金零件，然后采用选区电子束熔覆技术制备TC4零件，直至整个三维零件制造完成，通过控制SEBM成形过程的能量密度，促进微桁架结构TC4合金组织中块体相的形成和分解，进而得到一种更为细小的α+β组织，最终提升了合金的力学性能。

技术领域

本发明属于合金微观组织细化技术领域，具体涉及一种细晶TC4合金增材制造方法。

背景技术

钛及钛合金因具有较高的比强度和比模量，良好的耐腐蚀性和生物相容性等特点，被广泛地应用在航空航天、生物医疗及石油化工等领域，特别是Ti-6Al-4V(TC4)合金。同时微桁架结构材料的开孔设计，既满足了比强度，又能促进生物细胞在植入物表面着陆、生长，减少过敏反应。选区电子束熔覆技术是近年来发展迅速的增材制造技术，制备精度高、速度快，能够制造具有复杂结构的金属零件，因此在医疗、航空航天、化工等领域有着广泛的应用。同时由于其在成形复杂零件上的优越性，采用选区电子熔覆(SEBM)技术在制备微桁架/多孔结构材料也有着广泛的应用。相对于传统的减材制造技术加工周期长、耗能大等缺点，采用SEBM技术成形微桁架结构材料工艺简单、周期短，可以达到近净成形的效果。

材料的显微组织决定材料的性能，通过改变合金的固态相变过程可以得到不同的微观组织，以改善钛合金的性能。不同形状、尺寸及成形角度样品的显微组织沿其成形方向均表现出明显的三阶段：样品底部与成形基板接触，冷却速度较大，出现大量细小的等轴晶，等轴晶内主要为针状马氏体相。由于SEBM技术层层堆积的特点，马氏体组织重新受热而重新进入β相区，其中处于优先取向的原始β晶粒生长较快，抑制了其它取向晶粒的生长，沿成形方向呈外延性生长，形成粗大的柱状晶形貌。而后可经长程扩散型相变转变为α+β组成的经典网篮组织、魏氏组织，或短程扩散相变转变为块状组织。成形至样品顶层部分，表面与成形仓的真空进行接触，冷却速率较快，主要为非常细小的交织结构针状晶。这种沿样品成形方向显微组织不均匀的现象一方面导致了同一成形件上的力学性能不均匀，另一方面，短程扩散型相变得到的块体相是及其不稳定的，容易分解转化为平衡态组织，原位分解后可以获得超细α+β组织，提升材料的拉伸力学性能和疲劳性能。

因此，需要研究电子束电流，扫描速度等工艺参数对SEBM技术成形微桁架结构TC4合金零件显微组织的影响，获得更为细小的组织，得到力学性能更为优异的TC4合金零件，更好的应用于医疗、航天等领域。

发明内容

本发明的目的是提供一种细晶TC4合金增材制造方法，通过控制SEBM成形过程的能量密度，促进微桁架结构TC4合金组织中块体相的形成和分解，进而得到一种更为细小的α+β组织，最终提升了合金的力学性能。

本发明所采用的技术方案是，一种细晶TC4合金增材制造方法，采用选区电子束熔覆技术制备TC4零件：首先，设计TC4合金零件三维结构，将设计的TC4合金零件结构输入计算机中建立三维实体模型，然后对三维立体模型进行分层切片，获取在不同高度上分层的信息；然后设定选区电子束熔覆技术工艺参数，成型设备开始运行直至整个三维零件制造完成。

本发明的特点还在于：

其中所述成型设备工作过程为：将TC4金属粉末添加到送粉系统中，然后铺粉辊均匀铺粉，当每一层粉铺好之后，扫描系统在计算机的控制下开始按前期得到的分层信息打印，经激光扫描，熔化以及成型过程，不断重复扫描至成型过程，直至三维零件制造完成；

其中TC4金属粉末为气雾化球形Ti-6Al-4V ELI(低间隙)粉末，直径为30μm-50μm；