[发明专利]一种利用超声冲击调控激光增材制造钛材料组织与性能的方法

说明书

本发明提供一种利用超声冲击调控激光增材制造钛材料组织与性能的方法：(一)利用激光增材制造技术制备微观组织为等轴晶的钛材料，激光功率为800～3000W，扫描速度100～500mm/min，送粉率7～28g/min。(二)根据零件设计需要，在送粉器关闭后，利用超声冲击设备对零件进行处理，超声冲击头功率300～1000W，冲击头速度100～500mm/min，工作频率不低于20KHz；(三)在处理后的零件上继续利用激光增材制造技术沉积钛材料；(四)根据零件设计需要，重复步骤(二)和(三)；(五)待零件冷却至室温后取出。本发明具有工艺简单、实施快速、可应用于大型工件处理，适用范围广等优点。

技术领域

本发明属于激光增材制造材料成形加工领域，具体涉及一种利用超声冲击调控激光增材制造钛材料微观组织和性能的方法。

背景技术

钛合金与钛基复合材料具有比强度高、耐腐蚀性和耐热性能优异等特点，通常用于制备工程应用中的重要承力构件和生物医用中的植入器械。复杂的应用需求对钛材料的力学性能提出了个性化的要求。

激光增材制造技术在加工复杂形状零件和减少材料浪费方面具有独特的优势，尤其适合于难加工的钛材料零件的成形。由于成形过程中加热和冷凝速度快的特点，激光增材制造钛材料的微观组织通常由外延生长的β柱状晶组成。通过调控激光增材制造工艺，也可以在钛材料中获得等轴晶的微观组织。目前主要通过调控钛材料的激光增材制造工艺参数或者引入后处理调控其微观组织，进而实现个性化的力学性能。同时，零件设计的高性能化和复杂化对零件不同位置的微观组织和力学性能也提出了不同差异化的要求，这对增材制造工艺提出了更高的要求。

申请号为201811318378.0专利通过感应加热微锻造调控增材制造钛合金等轴晶组织，获得了外层为等轴晶、中间部分为柱状晶的微观组织。但是该工艺需要感应加热、设备和工艺均比较复杂，很难满足形状复杂、外形尺寸大的零件的加工。申请号为202010282733.4的专利利用超声冲击将激光熔丝增材制造制备的钛合金中柱状晶转变为等轴晶，无法实现等轴晶到柱状晶的转变。申请号为202011368033.3专利通过调控激光增材制造工艺参数与后续热处理工艺参数获得了等轴晶与柱状晶交替分布的微观组织，但是其热处理步骤多，工艺复杂。

综合上述，虽然有较多工艺能够获得等轴晶与柱状晶的混合组织，但是工艺均比较复杂，或者无法实现等轴晶到柱状晶的转变，或无法满足微观组织位置差异化的使用要求。

发明内容

本发明针对在获得具有等轴晶与柱状晶混合组织的激光增材制造钛材料工艺复杂的不足，提供了一种利用超声冲击与激光增材制造的耦合工艺获得等轴晶与柱状晶的方法。采用本发明所述技术方案，在适当的工艺参数下，可实现等轴晶组织与柱状晶组织的自由设计，实现零件力学性能的个性化和差异化。

本发明技术方案如下：

(1)采用等离子旋转电极法制备粉末，保证成品一定的粒径和球形率；

(2)粉末填装前用热风循环烘箱烘干，烘干温度为80～120℃，时间为1-5h；再将粉末置于粉箱内，在工作过程中利用氩气加压送粉；

(3)在充氩舱内固定的基板上逐层沉积，残余氧气含量低于300ppm。根据单层的增材制造沉积高度，定义激光器的抬高距离，保证激光的聚焦点与每一层的相对位置不变。当激光器移动到开始位置并抬高一定距离后，在激光未开启的情况下，首先打开送粉器运转5～10s，保证送粉均匀。每一层都在相同的起始位置上以相同的激光扫描速度开始，并重复相同的路径，沉积完成后送粉器关闭。根据不同的材料激光功率选择在800～3000w，扫描速度100～500mm/min，送粉率7～28g/min范围内变化，获得等轴晶组织。

(4)送粉器停止工作后。根据零件设计需要，超声冲击头移动到激光头开始的位置上，进行冲击。超声冲击头移动路径与激光扫描路径一致。超声冲击头功率300～1000W，冲击头速度100～500mm/min，工作频率不低于20KHz。