[发明专利]原位自热效应辅助3D打印成形TiAl复杂金属构件的装置及其方法

说明书

本发明公开了一种原位自热效应辅助3D打印成形TiAl复杂金属构件的装置及其方法。所述装置包括LDED成形设备及电弧感应加热设备；LDED成形设备包括LDED控制装置、打印平台以及激光打印沉积头，激光打印沉积头在LDED控制装置的控制下，能够按照LDED控制装置内预设的打印路径在打印平台上沉积而成沉积体；电弧感应加热设备包括升降机构、电弧感应线圈以及感应继电器，电弧感应线圈布置在沉积体的轮廓外。所述方法在采用LDED技术成形TiAl复杂金属构件时，辅以原位自热效应处理工艺，以改善整体构件的使用性能，实现高质量、高精度、无缺陷以及均质化成形具有复杂结构的TiAl合金构件。

技术领域

本发明属于金属构件3D打印成形技术领域，尤其涉及一种原位自热效应辅助3D打印成形TiAl复杂金属构件的装置及其方法。

背景技术

TiAl合金具有独特综合性能(高比刚度、弹性模量与密度比)，且TiAl、Ti₃Al等是新一代高性能结构材料。它们具有低密度、高温强度、高熔点和优良的抗蠕变、抗氧化性能和高比刚度特性，上述优异材料性能使其在航空结构领域得到广泛应用。TiAl合金与传统的镍基高温合金和钛合金相比，在密度方面：TiAl合金的密度(3.5g/cm³)大约只有镍基高温合金(8.3g/cm³)的一半；室温下的力学性能方面：TiAl合金的比刚度(150GPa)高于钛合金(110GPa)，但与镍基高温合金(206GPa)相比较低；高温力学性能：TiAl合金的蠕变极限(1000℃)和氧化极限(1000℃)高于钛合金(蠕变极限为600℃，氧化极限为600℃+)，但略低于镍基高温合金(蠕变极限为1093℃，氧化极限为1093℃)。由此可见，TiAl合金虽在某些方面不如镍基高温合金，但TiAl合金的密度显著低于镍基高温合金，且比刚度与镍基高温合金相当。因此，TiAl合金有望取代现有镍基高温合金体系并在航空工业和汽车工业中有着广阔的应用前景，TiAl合金被认为是新型航空航天发动机的静止件和转动件的首选材料，比如喷嘴调解鱼鳞片、高压压气机导向叶片和活塞盖等。

对于TiAl合金的传统成形方法主要有精密铸造和粉末冶金等。对于精密铸造主要包括两类：一类是熔模铸造，另一类则是金属模铸造。熔模铸造主要用于成形形状比较复杂的TiAl合金构件；而金属模铸造主要用于生产形状比较规则且产量比较大的构件。精密铸造法成形构件主要具备费用低和易成形等优点；但铸造过程会存在严重的铸造缺陷(气孔、疏松等)和冷却过程极易导致的构件开裂，极大降低了构件力学性能，尤其是构件在室温下的延展性。熔模铸造虽可以成形相对复杂结构的构件，但很难实现具有尖角或薄壁结构的一体成形。

粉末冶金是成形TiAl合金构件的另一常用方法。粉末冶金可避免铸造中出现的成分偏析、晶粒粗大和组织不均等问题，从而提高TiAl合金构件在室温下的延展性。但粉末冶金过程中加入的粘合剂导致间隙元素成分和显微组织与物相难以控制，进而限制了该方法的使用。

3D打印技术可高效地一体成形复杂金属构件。由于3D打印技术区别于传统的减材和等材成形方法，3D打印利用高能束流快速熔化和凝固金属粉末，将周期性熔凝构件的二维截面并沿成形方向通过冶金结合形成三维构件，基于三维-二维-三维成形原理可最大限度地满足复杂构件的一体化成形。因此3D打印基本上可以制备任何复杂结构的构件。

虽通过现有的3D打印技术(激光定向能量沉积，缩写为LDED)可对复杂结构TiAl合金构件进行成形，但由于LDED成形过程的快热快冷，一方面使得成形制造过程中，极易在TiAl合金3D打印成形构件的界面位置处萌生裂纹，另一方面，还容易导致TiAl合金3D打印成形构件的金属间化合物的分布不均匀，因此当TiAl合金3D打印成形构件承受载荷时，因为界面和TiAl间金属化合物的存在使得材料内部应力分布不均匀，从而导致裂纹的萌生与扩展，这大大降低了构件的服役周期。

发明内容