[发明专利]一种复合制造钛合金零件

说明书

本发明公开了一种复合制造钛合金零件，包括：母材区、增材区，以及介于增材区和母材区的具有较小厚度的组织过渡区，通过热处理，组织过渡区厚度不大于0.5mm，过渡区组织稳定呈梯度过渡特征，过渡区力学性能介于增材和母材水平，不是力学性能薄弱位置，从而实现了零件整体性能达到增材或锻造结构件水平。本发明提供的钛合金零件，不同区域采用不同方法制造，通过增材制造与其他制造方法的有效结合，以及后续热处理工艺控制，实现过渡区强度、塑性等力学性能介于增材区和母材区之间，使得整体零件的力学性能达到母材或增材制造水平，可在重要承力结构上使用，与单一制造方法获得的大型钛合金零件相比，具有低成本、高效率、高性能等优点。

技术领域

本发明涉及一种钛合金零件的领域，尤其是涉及一种复合制造钛合金零件。

背景技术

通过结构整体化替代组合件，可减少连接件，降低结构重量，提升结构品质，是航空、航天、船舶等高端装备结构发展方向。例如，飞机采用翼身融合整体框替代原机身框与机翼框的组合件，可实现结构减重20%以上、零件数量减少80%以上，结构的安全性和可靠性大幅提升。

受限于金属坯料制造能力和锻造能力，单一方法制造整体钛合金大尺寸零件难度大、成本高、周期长。利用增材制造的原理优势，可以通过分体制造+增材连接的方案，实现钛合金大尺寸零件的整体制造。同时，通过控制热处理工艺使得不同区域获得强韧匹配良好的宏微观组织，获得的钛合金零件综合性能良好，具有较低的制造难度和成本，较焊接件和组合件在承载能力和可靠性方面具有显著的优势。较单一增材制造具有明显的成本优势。

然而，基于母材的增材制造过程中，逐层熔化沉积将造成非平衡快速加热冷却的热循环，将在母材和增材区形成过渡区，过渡区内组织不均匀、不稳定。同时，基于母材增材过程中，过渡区容易形成气孔、未熔合等冶金缺陷。上述原因将导致结合区性能一致性差，可能成为零件承载的薄弱环节，也是该技术应用需要解决的重要问题之一。

发明内容

本发明公开了一种复合制造钛合金零件，所述钛合金零件包括：母材区、增材区，以及介于增材区和母材区的具有一定厚度的过渡区，经热处理后，过渡区厚度减小至1mm以下，优选地，过渡区厚度不大于0.5mm，过渡区组织稳定，更优选的，过渡区强度不低于母材区和增材区二者中较低者，单向拉伸的断裂起裂位置不在过渡区，即过渡区不是力学性能薄弱位置，从而实现了零件整体性能达到增材或锻造结构件水平。其中，母材区、增材区和过渡区均可为一个或多个不相连接的部分。

本发明还公开了该复合制造钛合金零件的复合制造方法，其中增材制造可采用激光、电弧、等离子、电子束等为热源。其中，优选激光作为增材制造热源，激光增材制造工艺为：激光功率密度P_A为0.8~2.4×10²W/mm²，激光扫描速度V_s为10~40mm/s，单个沉积层厚δ为0.3~1.5mm，沉积效率m_d为0.5~5×10⁵mm³/h。增材区与母材区之间的组织过渡区尺寸范围为0.5~5mm，组织过渡区尺寸与增材区所用的工艺相关，过渡区尺寸随着增材制造线能量密度E_L提高而升高，其中E_L= P_A / V_s。P_A过低，如P_A0.8×10²W/mm²时，增材过程中母材熔化不充分，在过渡区易形成未熔合冶金缺陷；P_A过高，P_A2.4×10²W/mm²时，将导致组织过渡区β晶粒粗化、过渡区厚度增大。冶金缺陷和组织粗化都将导致过渡区性能低于母材或增材区，使得过渡区成为薄弱位置，进而使整个零件的性能低于母材区或增材区，可能导致无法满足设计要求。