[发明专利]一种高稳定性粒子弥散强化钛合金的激光增材制造方法

说明书

本发明公开了一种高稳定性粒子弥散强化钛合金的激光增材制造方法，包括以下步骤：1）制备由钛合金、Y、Ca、Al、Th混合而成的纳米晶粉末；2）将所述纳米晶粉末通过送粉管直接送入激光束形成的熔池中；3）通过侧吹管吹送氩气和氧气的混合气体对激光熔池进行搅动；4）激光束、送粉管和侧吹管同步摆动进行激光增材成形。本发明为解决钛合金作为高温合金而添加弥散强化粒子的高稳定性和均匀性，提出了以高能球磨工艺制备纳米晶粉末，并通过送粉速率和送气速率的合理控制，配合合适的激光熔化沉积工艺参数，从而实现了以激光增材技术制得优异高稳定性粒子弥散强化钛合金。

技术领域

本发明涉及钛合金材料的技术领域，尤其是涉及一种高稳定性粒子弥散强化钛合金的激光增材制造方法。

背景技术

随着科学技术进步和航空航天事业的飞速发展，钛合金因其密度低、比强度高、抗腐蚀性能优异等一系列优点，成为航空航天领域广泛应用的轻质结构材料之一。TC11钛合金（名义成分为Ti-6.5Al-3.5Mo-1.5Zr-0.3Si），是一种α-β型钛合金耐热钛合金，该合金还具有良好的热加工工艺性(包括常规工艺性能和超塑性)，可以进行焊接和各种方式的机加工，其β热处理及等温锻获得了广泛的研究和迅速的发展。通过α-β区的热变形和热处理，TC11钛合金的最高长期工作温度为500℃，生产的半成品可以为棒材、锻件和模锻件等，是目前我囯航空领域中应用较广的高温钛合金，主要应用在航空发动机压气机的零部件，如叶片、盘件、鼓筒和轴类等。

高温合金，一般是指能够在 600°C 以上的高温环境下，承受较大的复杂应力，并具有表面稳定性的高合金化的铁基、镍基或者钴基奥氏体金属材料。20 世纪 20年代以来，随着航空发动机、核反应堆等新技术的兴起，高温合金材料得以快速发展。新型高温合金的主要发展方向可以概括为，使之具有更高的强度和更高的使用温度，而其强化机理通常是向基体中加入高稳定性粒子（Y2O3），使其分布在晶界及晶粒内，起到钉扎晶界阻碍位错运动的作用。而目前以钛为基体的高温合金并不常见。

激光增材制造技术即快速成型技术，利用“离散+堆积+叠层”的原理，在零件CAD三维实体模型切片数据的基础上，通过计算机编程控制高功率激光熔化同步输送的金属粉末，并且在基材表面熔化部分材料，两者混合形成熔池，激光束扫过后熔池发生快速凝固，从而沉积在已凝固基材上，逐层堆积，最终得到三维零件。该技术能实现大型复杂结构致密金属零件的快速、无模具近净成形。

发明内容

本发明目的在于提供一种采用激光增材技术制备氧化物弥散强化（OxideDispersion-Strengthened，ODS）钛合金的方法，ODS 高温合金主要用于制备高温、低应力承载条件的零部件，因此通常制成大长径比的柱状晶组织，而激光增材技术中，激光照射在基体上会形成熔池，而钛合金极容易在熔池中外延生长，从而形成柱状晶组织，所以激光增材技术很适于用来制备具有高温拉伸、蠕变和持久性能的钛合金。

然而激光增材制备过程中，由于激光形成的熔池缺乏搅动而导致熔池内流动性不佳，从而容易造成用于稳定性强化的粒子在晶界处偏聚而部分均匀分布在整个组织内。

因此，本发明关键在于如何形成高稳定性粒子及如何增强熔池内的流动性，以至于形成的高稳定性粒子不会在晶界偏聚而是均匀分布于晶界及晶内，起到弥散强化的作用。

本发明的技术方案具体为，一种高稳定性粒子弥散强化钛合金的激光增材制造方法，包括以下步骤：

1）制备由钛合金、Y、CaAl、Th混合而成的纳米晶粉末；

2）将所述纳米晶粉末通过送粉管直接送入激光束形成的熔池中；

3）通过侧吹管吹送氩气和氧气的混合气体对激光熔池进行搅动；

所述吹送氩气和氧气的混合气体的送气速率Ф按照以下公式加以控制，