[发明专利]用感应加热微锻造调控增材制造钛合金等轴晶组织的方法

说明书

用感应加热微锻造调控增材制造钛合金等轴晶组织的方法，通过在激光增材制造钛合金零件过程中，对钛合金零件进行感应加热并施加超声冲击，减小钛合金变形抗力以提高塑性变形程度和应力，促进再结晶过程向等轴晶转变；由于感应加热集肤效应及钛合金导热性差，形成边缘高中间低的温度分布，使得钛合金零件的表面一定厚度范围内达到锻造温度从而获得等轴晶组织，中间部分则为短棒状柱状晶形貌；本发明减小激光增材制造钛合金零件的各向异性，综合提高其塑性、疲劳强度和断裂韧性，加速钛合金在航空航天领域的推广应用。

技术领域

本发明属于金属增材制造组织控制技术领域，具体涉及用感应加热微锻造调控增材制造钛合金等轴晶组织的方法。

背景技术

钛合金由于导热性差及激光增材制造具有快冷凝固的特点，其在激光熔覆沉积的过程中易形成垂直于激光扫描方向，贯穿整个熔覆沉积层的粗大柱状晶，相比于等轴晶组织，其导致了钛合金构件各向异性问题突出，塑性、疲劳强度和断裂韧性较差，严重制约了其在航空航天领域的实际推广应用。

当前调控钛合金宏观组织(晶粒)的方法主要分为化学处理(添加晶粒细化剂)和物理处理(外加电磁场、超声冲击等)。如西安交通大学梁朝阳和李丽君等分别向钛合金粉末中添加变质剂B和Si，阻碍了柱状晶的定向生长，大大细化了晶粒尺寸，减小了各向异性。但是变质剂的引入在一定程度上会带入杂质元素，添加过多的话还会引起成分偏析，并且要投入使用还需对合金的其他性能进行重新测试评估。钛合金热变形锻造加工可形成等轴晶组织，但未在激光熔覆沉积技术中推广。山东大学的Nan Li等人(N.Li,J.Sun,G.Zhang,J.Lu,and Y.Li,“Effect of ultrasonic impact peening on TI-6AL-4V laserdeposition shaping,”J.Laser Appl.,vol.29,no.2,p.022505,2017)在激光熔覆沉积TC4工艺中加入超声冲击，发现常温常规的超声冲击引入的塑性变形程度和作用深度小，硬度影响厚度最大为200m，而晶粒细化深度为仅7m，无法满足晶粒细化，调控等轴晶生成的目的，并且钛合金冷塑性变形抗力大容易导致开裂。西安交通大学张安峰等在中国专利(公开号CN107649682A)中提出在超声冲击过程中通过感应加热提高变形温度提高了塑性变形深度，但是感应加热的集肤效应会导致温度分布不均，影响等轴晶区范围和组织各向异性程度，缺乏对此的调控措施。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的是提供一种用感应加热微锻造调控增材制造钛合金等轴晶组织的方法，减小激光增材制造钛合金零件的各向异性，综合提高其塑性、疲劳强度和断裂韧性，加速钛合金在航空航天领域的推广应用。

为了实现上述目的，本发明采取的技术方案为：

用感应加热微锻造调控增材制造钛合金等轴晶组织的方法，通过在激光增材制造钛合金零件过程中，对钛合金零件进行感应加热并施加超声冲击，减小钛合金变形抗力以提高塑性变形程度和应力，促进再结晶过程向等轴晶转变；由于感应加热集肤效应及钛合金导热性差，形成边缘高中间低的温度分布，使得钛合金零件的表面一定厚度范围内达到锻造温度从而获得等轴晶组织，中间部分则为短棒状柱状晶形貌。

所述的感应加热采用10-35KW，5-15kHz的中频感应加热器，加热温度为600-900℃，感应加热线圈与钛合金零件表面间距≤10mm，能够在距钛合金零件外表面2～10mm的厚度范围内得到等轴晶组织，通过改变感应加热的频率、功率大小，能够改变集肤效应的作用深度，从而改变等轴晶区的大小。

所述的激光增材制造钛合金过程中的成形环境氧含量≤20ppm，水含量小于50ppm，氩气作为保护气。

所述的超声冲击采用1000W以下，20～40kHz的超声冲击枪，其冲击头直径为5mm。

所述的钛合金零件进行感应加热并施加超声冲击后的组织为以网篮组织为主并伴随有魏氏组织和等轴组织的混合组织。