[发明专利]钛铝金属间化合物原位增材定向凝固方法

说明书

本发明公开了一种钛铝金属间化合物定向凝固构件的制备方法，包括如下步骤：对基板打磨、清洗等前处理工作并装夹固定，根据钛铝金属间化合物成分计算相应送丝速度并进行设定；依照实际钛铝金属间化合物原位增材定向凝固构件尺寸进行基板预热；再根据设定好的参数将电子束打在基板上，待束流稳定后进行送丝，当丝材进入同一个熔池后，持续下束流，依照设定好程序进行沉积，直至原位增材构件尺寸达到要求后，停止送丝后，关闭电子束；将钛铝金属间化合物棒材置于真空环境下冷却，待完全冷却至室温后取出。本发明的钛铝金属间化合物的定向凝固工艺能够实现复杂形状构件制备，减少了杂质引入，生产效率高。

技术领域

本发明涉及钛铝金属间化合物制备技术领域，具体涉及钛铝金属间化合物原位增材定向凝固方法。

背景技术

随着科技发展，传统材料与加工技术已经无法满足日益复杂的服役环境，对于更高性能和特殊功能的材料的需求日益迫切。对于航空、航天工业和能源等领域，迫切需要耐高温、低密度、超高强和高弹性模量的新型材料来减轻发动机结构零件自重、提高发动机的燃烧温度，并达到提高效率的目的。金属间化合物作为高温结构材料在航空航天领域具有广阔的应用前景，其中TiAl金属间化合物以其低密度(3.3-4.2g/cm³)，高强度，优异的高温抗氧化性、抗蠕变性以及阻燃性能而受到广泛关注。

但TiAl金属间化合物的室温塑性低，热变形能力差，切削困难，限制了其实际应用。通常的采用两种方法来改善钛铝金属间化合物的微观组织，发挥其性能潜力：通过热机械处理减小片层晶粒尺寸和采用定向凝固消除横向晶界提高材料性能。其中，通过热机械处理方法需要耗费巨大能量，且效果一般，对于室温塑性提高不大，同时极易产生裂纹，使得零件失效。定向凝固技术是通过一定的控制，消除与受力主应力方向相垂直的横向晶界，使得最佳取向与承载方向一致，从而提高钛铝金属间化合物的断裂韧性、蠕变强度以及耐热性。

目前，对于钛铝金属间化合物定向凝固技术大多是采用在石墨或者Al₂O₃、ZrO₂等传统陶瓷制成的坩埚中进行。专利号为CN201710579069.8的发明专利提出了一种β单相凝固TiAl基合金及其组织控制方法，采用水冷铜坩埚感应熔炼法制备母合金铸锭，然后将母合金铸锭切取成圆柱棒，在3μm/s～100μm/s的抽拉速率和10℃/mm～30℃/mm的温度梯度下进行定向凝固，得到β单相凝固TiAl基合金。但是钛铝金属间化合物的化学性质活泼，在定向凝固过程中极易与坩埚材料发生物理化学反应，引入杂质严重损害钛铝金属间化合物的机械性能，反而有违改善力学性能的初衷。而且冷坩埚定向凝固技术始终存在侧向散热的问题，从而影响定向凝固的组织稳定性，生产效率较低。专利号为CN102935506A的发明专利提出了连续悬浮式冷坩埚定向凝固铸造装置，通过水冷铜坩埚内壁环向设置一梯形凸台，坩埚外部缠绕有上感应线圈，并使凸台置于线圈内，所激发的交变磁场通过坩埚开缝向内扩散产生热区，实现料棒悬浮给液。实现了金属液的悬浮熔化给液，顺序充填和定向凝固，不但避免了钛铝合金熔体与模壳的化学反应，而且提高了钛铝合金定向凝固加工效率。但是该方法对于复杂截面的试件，难以实现电磁场的合理分布，得到尺寸合乎要求的近终形试件。因此，钛铝金属间化合物的定向凝固工艺存在以下问题：复杂形状构件难以制备，极易引入杂质，生产效率低等问题。开发适合工业应用的钛铝金属间化合物定向凝固工艺方法成为了钛铝金属间化合物工业化应用的关键技术问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种钛铝金属间化合物定向凝固构件的制备方法，用于解决钛铝金属间化合物复杂结构定向凝固困难，生产效率较低且极易引入杂质的缺点。

本发明为解决其技术问题所采用的技术方案为：

钛铝金属间化合物原位增材定向凝固方法，该方法采用电子束双丝或者多丝增材制造系统，其包括如下步骤：

(1)对基板打磨、清洗等前处理工作并装夹固定，将送丝枪角度确定好，然后将工作平台置入真空室中并抽真空；