[发明专利]一种获得激光3D打印双相钛合金超细针状α相的方法

说明书

一种获得激光3D打印双相钛合金超细针状α相的方法，在脉冲激光输出模式下对激光3D打印工艺窗口初步优化；利用有限元传热模型对初步优化参数下熔池三维温度场进行计算，获得熔池瞬时温度变化曲线与熔池定点温度变化曲线，得到熔池瞬时温度曲线峰值温度的平均值Tmax及单个脉冲周期温度曲线与液相线截距t，计算定点温度曲线β相向α相转变区间的平均冷却速率ξ；根据1.3Tm≤Tmax≤1.6Tm，30ms≤t≤80ms，ξ≥3.3×10³℃/s原则对工艺参数优化，获得优化工艺窗口，在优化工艺参数进行激光3D打印，获得细小针状α相形貌的双相钛合金成形件。本发明能有效获得超细针状α相，进而提高钛合金成形件的力学性能。

技术领域

本发明涉及激光金属材料加工领域，尤其涉及一种获得激光3D打印双相钛合金超细针状α相的方法。

背景技术

激光3D打印，是目前主流的增材制造技术之一，该技术基于“离散-堆积”原理，可直接实现复杂零件的快速成形，同时，送粉式激光3D打印技术还能实现磨损零件的快速修复，在航空航天及生物医疗领域具有广阔的应用前景。

钛合金具有比强度高、抗腐蚀及生物相容性好等特点，被广泛应用于航空航天及生物医疗等领域。激光3D打印具有高温度梯度、高冷却速率及快速凝固等特点，因此，激光3D打印双相钛合金通常具有粗大外延生长的原β晶、晶内为较细小的片状α相。文献报道，原β晶的形成主要与凝固过程有关，而α相的形成主要发生在β相→α相转变区间。目前，大量的研究集中于调控原β晶粒的形貌及尺寸，如Martina等人发现后续冷轧处理可以细化原β晶粒；Ravi等人报道，与连续激光相比，脉冲激光加工模式更有利于获得等轴晶；Zhang等人报道3D打印过程中未熔粉末可以提高异质形核点，促进等轴β晶的形成。上述研究均是针对宏观原β晶粒形貌的调控，而对二级相变过程中α相的调控缺少关注。事实上，α相的形貌及尺寸对钛合金的力学性能非常关键，因此，需要对钛合金激光3D打印过程中α相进行有效控制。

本发明提出方法可对α相形貌及尺寸进行有效控制，进而提高材料性能。

发明内容

本发明的目的是提供一种获得激光3D打印双相钛合金超细针状α相的方法。

一种获得激光3D打印双相钛合金超细针状α相的方法，包括以下步骤：

步骤一：将激光器设置为脉冲激光输出模式，对激光增材制造工艺窗口进行初步优化，获得初步优化的工艺窗口：激光波形为方波，激光光斑直径0.5~2.5mm，激光峰值功率为600～1100W，重复频率为5～50Hz，占空比为0.6-0.9，离焦量-1.5mm，扫描速度为6～12mm/s，送粉量为8-16g/min；

步骤二：任意选取一组初步优化的工艺参数，利用有限元传热模型对该参数下熔池三维温度场进行计算，提取激光加载1.5s后熔池中心瞬时温度变化曲线与沉积层中部位置点所经历的定点温度变化曲线，从熔池瞬时温度变化曲线得到波峰温度的平均值Tmax，由定点温度变化曲线获取单个脉冲周期内温度变化曲线与钛合金液相线(纵坐标为熔点的水平直线)的截距t，并对定点温度变化曲线右侧温度下降部分进行求导，再计算出导数的平均值ξ，即获得熔池平均冷却速率ξ，其中Tmax、t及ξ的单位分别为℃、s及℃/s；

步骤三：根据1.3Tm≤Tmax≤1.6Tm，30ms≤t≤80ms，ξ≥3.3×10³℃/s原则对激光光斑直径、激光峰值功率、重复频率、占空比、离焦量、扫描速度及送粉量等工艺参数进行优化，其中Tm为钛合金的熔点；

步骤四：按上述各个参数的由小至大顺序重复步骤二至步骤三，直到完成所有工艺参数匹配，获得的优化工艺窗口：激光波形为方波，激光光斑直径1~2mm，激光峰值功率为750～1000W，重复频率为10～25Hz，占空比为0.7-0.9，离焦量-1.5mm，扫描速度为7～12mm/s，送粉量为10-15g/min；

步骤五：按上述工艺参数进行激光3D打印，获得细小针状α相形貌的双相钛合金成形件。