基于电子束3D打印技术制备TiAl合金构件的方法技术

本发明专利技术提供了一种基于电子束3D打印技术制备TiAl合金构件的方法，包括以下步骤：一、测定TiAl合金的α相转变温度和共析转变温度；二、建立三维实体模型，切层后的数据导入电子束3D打印机中；三、将TiAl合金粉末加入电子束3D打印机中并对底板进行预热；四、采用电子束按照电子束扫描路径对TiAl合金粉末进行选区熔化扫描，得到单层实体片层；五、重复步骤三和四，得到TiAl合金构件。本发明专利技术在TiAl合金复杂构件的制造成本、制造周期等具有无可比拟的优势，并且由于其微区快速凝固，叠层累加成形的技术特点，无需任何的热处理即可获得与常规锻造技术相同致密、细晶和无宏观偏析且具有细小全层片组织的TiAl构件。

Method of preparing TiAl alloy components based on electron beam 3D printing technology

The present invention provides a method for electron beam 3D printing technology based on the preparation of TiAl alloy component, which comprises the following steps: first, the determination of TiAl alloy alpha phase transition temperature and eutectoid transformation temperature; two, to establish the 3D model, the shear layer after the electron beam 3D data into the printer; three, TiAl alloy powder join the 3D electron beam printer and preheating on the floor; four, using electron beam selective melting of TiAl alloy powder by scanning electron beam scanning path, single-layer entity sheet; five, repeat steps three and four, TiAl alloy component. The invention has the advantages of TiAl alloy in There is nothing comparable to this complex manufacturing cost, component manufacturing cycle, and because of the micro area of rapid solidification, the technical characteristics of laminated accumulation forming, without any heat treatment can be obtained with the conventional forging technology of the same dense, fine grain and no macro segregation and has fine fully lamellar TiAl component organization.

【技术实现步骤摘要】
基于电子束3D打印技术制备TiAl合金构件的方法
本专利技术属于金属构件的增材制造
，具体涉及一种基于电子束3D打印技术制备TiAl合金构件的方法。
技术介绍
TiAl金属化合物合金密度仅3.8g/cm3～4.0g/cm3，是镍基高温合金的1/2，比钛合金还低10％～15％；室温弹性模量高达160GPa～170GPa，比钛合金高33％，而且弹性模量在750℃高温下还能保持150GPa，与GH4169高温合金相当；TiAl合金还具有高比强度，室温至800℃强度保持率达80％；同时高蠕变抗力、优异的抗氧化和阻燃性能，可在温度为760℃～800℃的条件下长期工作，是非常有发展前途的轻质高温结构材料，可广泛应用于航空发动机或汽车的高温部件如叶片、涡轮盘以及气门阀等。众所周知，TiAl基合金存在着严重的室温脆性、低的断裂韧性以及难加工性的缺点，并且常规铸造方法得到的TiAl基合金易产生强烈的柱状晶和粗大的片层团组织特征，同时存在严重的成分偏析，极大影响了TiAl基合金的力学性能。近年来，随着装备及生产技术的改进，国外虽然采用传统铸造或锻造技术制备除了TiAl合金叶片，但高额的生产制造成本和极低的成品率极大限制了TiAl基合金的实际应用。电子束选区熔化成形技术是近年来发展起来的一类新型金属3D打印技术之一，其根据目标构件三维数据模型，采用高能电子束在真空条件下选区熔化金属粉末，通过逐层堆积的方式实现三维实体构件的直接制造，相比于铸造、锻造免的优势，并且由于其微区快速凝固，叠层累加成形的技术特点，可达到与常规锻造技术相同致密、细晶和无宏观偏析等功效，尤其适合于钛合金、金属间化合物以及难熔金属复杂构件的快速、洁净成形。因此，电子束3D打印在高性能复杂金属构件的制备方面已经展现出广阔的应用前景。然而，能否通过对电子束3D打印的工艺控制和调节，使TiAl材料的显微形貌实现可控变化，最终获得致密、细晶、无宏观偏析且具有细小全层片组织的理想的合金构件，是前人从未尝试过的。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供一种基于电子束3D打印技术制备TiAl合金构件的方法。该方法是采用逐层堆积的电子束3D打印技术，通过调控电子束的扫描电流和扫描速率，使选区内的TiAl合金粉末快速熔化形成微小熔池，微小熔池的凝固过程中提供发生块状相变所需的温度梯度，以块状γ相作为前驱体，直接获得具有细小层片组织的复杂TiAl合金构件。该方法在TiAl基复杂构件的制造成本、制造周期等方面具有无可比拟的优势，并且由于其微区快速凝固，叠层累加成形的技术特点，无需任何的热处理即可获得与常规锻造技术相同致密、细晶和无宏观偏析且具有细小全层片组织的TiAl构件。为解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案是：一种基于电子束3D打印技术制备TiAl合金构件的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：步骤一、对TiAl合金进行相变点测试，得到TiAl合金的α相转变温度Tα和共析转变温度Teu；所述Tα和Teu的单位均为℃；步骤二、利用三维建模软件建立需制TiAl合金构件的三维实体模型，然后利用切层软件对所建立的三维实体模型进行切层离散化处理，得到各层切片的截面数据，接着将各层切片的截面数据作为电子束扫描路径全部导入电子束3D打印机中，之后在电子束3D打印机上设定加工参数，所述加工参数包括电子束扫描速率和扫描电流；步骤三、将TiAl合金粉末加入到步骤二中设定加工参数后的电子束3D打印机中，然后采用电子束对电子束3D打印机中的底板进行预热，直至底板的温度为(Teu-400)℃～(Teu-100)℃；步骤四、采用电子束按照步骤二中所设定的电子束扫描路径对步骤三中所述TiAl合金粉末进行选区熔化扫描，具体过程为：首先在电子束扫描速率为1.0×104mm/s～6.0×105mm/s且扫描电流为2mA～20mA的条件下进行电子束选区熔化扫描，使选区内的TiAl合金粉末在温度为(Tα+200)℃～(Tα+400)的条件下快速熔化，从而获得TiAl合金的块状γ组织；待TiAl合金粉末熔化完成后，调整电子束扫描速率为1.0×104mm/s～1.0×105mm/s，扫描电流为1mA～8mA，使TiAl合金的块状γ组织在温度为(Teu+50)℃～(Tα-100)℃的条件下分解为(α2+γ)层片组织，得到单层实体片层；步骤五、重复步骤三中所述的将TiAl合金粉末加入到电子束3D打印机中并对底板进行预热的加工工艺以及步骤四中所述的对TiAl合金粉末进行选区熔化扫描形成单层实体片层的加工工艺，直至各层实体片层均制备完成，最终得到平均晶团尺寸为20μm～60μm、抗拉强度为320MPa～580MPa且延伸率为0.8％～3％的TiAl合金构件。上述的基于电子束3D打印技术制备TiAl合金构件的方法，其特征在于，步骤一中所述TiAl合金的α相转变温度Tα和共析转变温度Teu均通过DSC法测定得到。上述的基于电子束3D打印技术制备TiAl合金构件的方法，其特征在于，步骤二中经切层离散化处理后的各层切片的厚度均为30μm～150μm，各层切片的截面数据的存储格式均为stl格式或AMF格式。上述的基于电子束3D打印技术制备TiAl合金构件的方法，其特征在于，步骤三中采用电子束对底板进行预热的过程中，控制电子束扫描速率为1.0×103～8.0×104mm/s，扫描电流为20mA～40mA。本专利技术与现有技术相比具有以下优点：1、本专利技术适用于在凝固过程中可发生α相到块状γ相转变的所有TiAl合金。与TiAl基合金传统的铸造、锻造及粉末冶金方法相比，本专利技术是基于金属3D打印技术的逐层叠加沉积思想，成形构件的尺寸精确、外形轮廓等参数均可按照用户要求进行定制加工，并且成形精度和效率可满足航空、航天及其他行业对复杂TiAl构件的需要，极大降低了叶片、涡轮盘，气门阀等典型TiAl复杂构件的生产成本和加工周期。2、由于电子束3D打印过程中微区快速凝固、叠层累加成形的技术特点，可有效的控制Al元素在真空条件下的挥发，并且无需任何的热处理即可获得与常规锻造+复杂热处理技术相同致密、细晶和无宏观偏析且具有的细小全层片TiAl构件。3、本专利技术不仅适用于在凝固过程中可以发生块状相变的TiAl合金，同样对于其他类型的TiAl合金，通过调控电子束扫描可有效控制TiAl合金在微熔池的凝固以及相变过程冷却速率，有效的细化晶粒尺寸，同样可以获得均匀细小的全层片组织。下面结合附图和实施例对本专利技术作进一步详细说明。附图说明图1为本专利技术实施例1建立的TiAl合金构件的三维模型图。图2为本专利技术实施例1经电子束选区熔化扫描形成的微熔池的温度-时间变化曲线。图3为本专利技术实施例1基于电子束3D打印技术制备的TiAl合金构件的实物图。图4为本专利技术实施例1基于电子束3D打印技术制备的TiAl合金构件的显微形貌图。图5为本专利技术实施例2基于电子束3D打印技术制备的TiAl合金构件的显微形貌图。具体实施方式实施例1本实施例提供了一种基于电子束3D打印技术制备TiAl合金构件的方法，本实施例所需制备的TiAl合金构件具体为Ti-48Al-2Cr-2Nb合金叶片。本实施例基于电子束3D打印技术制备TiAl合金构件的方法包括以下步骤：步骤本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于电子束3D打印技术制备TiAl合金构件的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：步骤一、对TiAl合金进行相变点测试，得到TiAl合金的α相转变温度Tα和共析转变温度Teu；所述Tα和Teu的单位均为℃；步骤二、利用三维建模软件建立需制TiAl合金构件的三维实体模型，然后利用切层软件对所建立的三维实体模型进行切层离散化处理，得到各层切片的截面数据，接着将各层切片的截面数据作为电子束扫描路径全部导入电子束3D打印机中，之后在电子束3D打印机上设定加工参数，所述加工参数包括电子束扫描速率和扫描电流；步骤三、将TiAl合金粉末加入到步骤二中设定加工参数后的电子束3D打印机中，然后采用电子束对电子束3D打印机中的底板进行预热，直至底板的温度为(Teu‑400)℃～(Teu‑100)℃；步骤四、采用电子束按照步骤二中所设定的电子束扫描路径对步骤三中所述TiAl合金粉末进行选区熔化扫描，具体过程为：首先在电子束扫描速率为1.0×10

【技术特征摘要】
1.一种基于电子束3D打印技术制备TiAl合金构件的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：步骤一、对TiAl合金进行相变点测试，得到TiAl合金的α相转变温度Tα和共析转变温度Teu；所述Tα和Teu的单位均为℃；步骤二、利用三维建模软件建立需制TiAl合金构件的三维实体模型，然后利用切层软件对所建立的三维实体模型进行切层离散化处理，得到各层切片的截面数据，接着将各层切片的截面数据作为电子束扫描路径全部导入电子束3D打印机中，之后在电子束3D打印机上设定加工参数，所述加工参数包括电子束扫描速率和扫描电流；步骤三、将TiAl合金粉末加入到步骤二中设定加工参数后的电子束3D打印机中，然后采用电子束对电子束3D打印机中的底板进行预热，直至底板的温度为(Teu-400)℃～(Teu-100)℃；步骤四、采用电子束按照步骤二中所设定的电子束扫描路径对步骤三中所述TiAl合金粉末进行选区熔化扫描，具体过程为：首先在电子束扫描速率为1.0×104mm/s～6.0×105mm/s且扫描电流为2mA～20mA的条件下进行电子束选区熔化扫描，使选区内的TiAl合金粉末在温度为(Tα+200)℃～(Tα+400)℃的条件下快速熔化，从而得到TiAl合金的块状γ组织；待TiAl合金粉末熔化完成后，调整电子束扫描速率为1.0...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨坤，王建，杨广宇，刘楠，贾亮，
申请(专利权)人：西北有色金属研究院，
类型：发明
国别省市：陕西,61