一种TiAl合金叶片及其制造方法技术

本发明专利技术属于金属增材制造技术领域，公开了一种TiAl合金叶片及其制造方法，包括对叶片模型进行增材加工设计和增材加工过程仿真分析；对叶片模型进行反变形补偿设计，得到叶片的补偿优化模型；根据补偿优化模型对打印件的姿态优化数据、支撑生成数据和切片数据进行处理并导出处理后的数据；根据处理后的数据设定3D打印工艺参数；在3D打印件成形面包裹一个电磁场环境；在所述3D打印工艺参数和电磁场环境下进行TiAl合金叶片的3D打印加工，得到坯料；对所述坯料进行后处理得到成品TiAl合金叶片。本发明专利技术通过采用增材设计和电子束3D打印方法，配合电磁场原位辅助处理和后处理工艺，快速制备尺寸精度和表面光洁度在许可范围内的TiAl合金叶片零件。叶片零件。叶片零件。

【技术实现步骤摘要】
一种TiAl合金叶片及其制造方法


[0001]本专利技术属于金属增材制造
，尤其涉及一种TiAl合金叶片及其制造方法。

技术介绍

[0002]TiAl基合金因其熔点高、比强度高、高温蠕变性和抗氧化能力好等优点，成为最具应用潜力的高温结构材料之一。在700～850℃范围内，TiAl合金的比强度显著高于普通钛合金和镍基高温合金等材料，TiAl合金主要用于制造航空发动机压气机叶片和低压涡轮叶片等零件。目前，CJ1000A、CJ2000等国产长江系列商用航空发动机对TiAl合金低压涡轮叶片提出迫切需求。TiAl叶片重量比原来镍基高温合金叶片降低50％，降低15％的燃油消耗，显著提高发动机的性能。TiAl合金叶片目前主要有两种生产方式，一是精密铸造法，二是增材制造法。美国GE公司GEnx发动机和法美合资CFM国际公司的LEAP发动机均采用了精密铸造配合精加工或精锻铸造的TiAl合金叶片，其缺点在于铸造组织粗大、模具制造周期长、机加工难度大。这是由于TiAl合金具有本征脆性，室温塑性较差，成形困难造成的。
[0003]为了解决TiAl合金叶片传统加工方法存在的诸多问题，引入增材设计及增材制造技术。增材制造是一种新兴的制造技术，它通过“自下而上”堆积材料的方式来制备零部件，具有材料利用率高、加工效率高、能加工复杂零件等特点，3D打印件具有晶粒细小、组织均匀、力学性能优良的优势，在制造小批量、复杂结构、异形件、难熔难加工件、梯度或点阵结构零件时具有明显优势，尤其在发动机制造领域得到越来越多的应用。由于TiAl合金材料的本征脆性，激光3D打印技术无法对打印层进行高温预热，因此不适合TiAl合金材料的加工。而电子束选区熔化技术(Electron beam melting,EBM)可实现加工仓内高温预热处理，可抑制TiAl合金产生裂纹，且制备的TiAl合金零件具有晶粒细小，组织成分均匀等特点，可有效解决传统铸造TiAl材料结晶组织粗大，内部易形成疏松和成分偏析的弊端，具有生产流程短、生产效率高的优势，因此有必要提供一种利用电子束选区熔化技术制造TiAl合金叶片的方法。

技术实现思路

[0004]为了克服上述现有技术存在的缺陷，本专利技术的目的在于提供一种TiAl合金叶片及其增材制造方法,通过采用增材设计和电子束3D打印方法快速高效制备TiAl合金叶片，并通过电磁场原位辅助处理和后处理工艺，获得尺寸精度和表面光洁度在许可范围内的TiAl合金叶片零件。
[0005]为实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：
[0006]一种TiAl合金叶片的制造方法，包括如下步骤：
[0007]对叶片模型进行增材加工设计和增材加工过程仿真分析；
[0008]对叶片模型进行反变形补偿设计得到叶片补偿模型，对叶片补偿模型继续进行增材加工过程仿真，得到叶片的补偿优化模型；
[0009]根据补偿优化模型对打印件的姿态优化数据、支撑生成数据和切片数据进行处理
并导出处理后的数据；
[0010]根据处理后的数据设定3D打印工艺参数；
[0011]在3D打印件成形面包裹一个电磁场环境；
[0012]在所述3D打印工艺参数和电磁场环境下进行TiAl合金叶片的3D打印加工，得到坯料；
[0013]对坯料进行后处理得到成品TiAl合金叶片。
[0014]进一步地，对叶片模型进行增材加工设计和增材加工过程仿真分析包括：
[0015]通过设计叶片加工余量、选定3D打印机、设置打印参数、创建基板、优化打印件姿态、支撑生成、切片和打印加工制造、设计热处理工艺，计算和分析3D打印加工过程、热处理过程、TiAl合金叶片脱离基板过程、TiAl合金叶片去除支撑后，TiAl合金叶片的整体和局部的变形量以及应力云图。
[0016]进一步地，对叶片模型进行反变形补偿设计并继续进行增材加工过程仿真，得到叶片的补偿优化模型，包括：
[0017]对叶片模型进行反变形补偿设计，得到补偿模型；
[0018]对补偿模型继续进行增材加工过程仿真，计算并验证叶片整体和局部变形量、应力分布在预设范围内，经过两次以上迭代计算，获得叶片的补偿优化模型。
[0019]进一步地，在所述3D打印工艺参数和电磁场环境下进行TiAl合金叶片的3D打印加工，得到坯料，包括：
[0020]控制加工仓的真空度≤0.3Pa，设置切片厚度为30～300μm，将对基板的扫描尺寸设置为81～400cm2，设置预热温度为1000～1300℃，设置预热循环次数为3～9次，设置电子束聚焦电流为15～48mA。
[0021]进一步地，在所述3D打印工艺参数和电磁场环境下进行TiAl合金叶片的3D打印加工，得到坯料，还包括：
[0022]每当完成一层材料的打印进入铺粉阶段时，电子束暂时关闭，间歇性向电磁感应线圈加载电流；
[0023]加载电流电压的参数为：电压为0.1～60kV，电流为0.1～103A，电流作用的时间为0.01～1s，电流停顿时间为0～1s，当电流停顿时间为0s时，电流为恒稳电流，停顿不为0s时，电流为脉冲电流。
[0024]进一步地，在所述3D打印工艺参数和电磁场环境下进行TiAl合金叶片的3D打印加工，得到坯料，还包括：
[0025]3D打印加工的成形基板材质为马氏体不锈钢、钛合金或镍基高温合金。
[0026]进一步地，对坯料进行后处理得到成品TiAl合金叶片，包括：
[0027]将所述坯料脱离基板并回收坯料和基板表面的TiAl合金粉末；
[0028]去除所述坯料的零件支撑，对所述坯料进行热处理、机加工、表面光整处理得到成品TiAl合金叶片。
[0029]进一步地，热处理包括：
[0030]使用真空热处理炉或热等静压炉对坯料进行热处理，然后随炉冷却至室温，取出坯料；
[0031]所述热处理的工艺参数包括：真空度5～20
×
10
‑3Pa，升温速度15～25℃/min，保温
温度1150～1350℃，保温时间0.5～5h，循环热处理次数为0～5次。
[0032]进一步地，表面光整处理包括：
[0033]采用机加工、手工磨抛、磁力抛光机、振动光饰设备对热处理后的坯料进行抛光，将坯料粗糙度降低到≤Ra1.6μm；
[0034]使用等离子抛光或磨粒流工艺对抛光过的坯料进行精抛，将坯料粗糙度降低到≤Ra0.1μm。
[0035]另一方面，本专利技术还公开了一种TiAl合金叶片，采用上述方法制备而成。
[0036]本专利技术的技术效果和优点：
[0037]本专利技术通过在电子束3D打印过程中对成形区域实施电磁场辅助处理，可以活化打印件的成形面，有助于TiAl合金熔池获得电磁场辅助作用，促使熔池内液相流动以填充孔隙，形成致密结构，有利于破碎晶粒，降低各向异性，提升材料综合性能；本专利技术采用增材设计、叶片模型反变形补偿设计和电子束3D打印方法快速高效制备TiAl合金叶片，并通本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种TiAl合金叶片的制造方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：对叶片模型进行增材加工设计和增材加工过程仿真分析；对叶片模型进行反变形补偿设计得到叶片补偿模型，对所述叶片补偿模型继续进行增材加工过程仿真，得到叶片的补偿优化模型；根据所述补偿优化模型对打印件的姿态优化数据、支撑生成数据和切片数据进行处理并导出处理后的数据；根据处理后的数据设定3D打印工艺参数；在3D打印件成形面包裹一个电磁场环境；在所述3D打印工艺参数和电磁场环境下进行TiAl合金叶片的3D打印加工，得到坯料；对所述坯料进行后处理得到成品TiAl合金叶片。2.根据权利要求1所述的一种TiAl合金叶片的制造方法，其特征在于，所述的对叶片模型进行增材加工设计和增材加工过程仿真分析包括：通过设计叶片加工余量、选定3D打印机、设置打印参数、创建基板、优化打印件姿态、支撑生成、切片和打印加工制造、设计热处理工艺，计算和分析3D打印加工过程、热处理过程、TiAl合金叶片脱离基板过程、TiAl合金叶片去除支撑后，TiAl合金叶片的整体和局部的变形量以及应力云图。3.根据权利要求1所述的一种TiAl合金叶片的制造方法，其特征在于，所述的对叶片模型进行反变形补偿设计并继续进行增材加工过程仿真，得到叶片的补偿优化模型，包括：对所述叶片模型进行反变形补偿设计，得到补偿模型；对所述补偿模型继续进行增材加工过程仿真，计算并验证叶片整体和局部变形量、应力分布在预设范围内，经过两次以上迭代计算，获得叶片的补偿优化模型。4.根据权利要求1所述的一种TiAl合金叶片的制造方法，其特征在于，所述的在所述3D打印工艺参数和电磁场环境下进行TiAl合金叶片的3D打印加工，得到坯料，包括：控制加工仓的真空度≤0.3Pa，设置切片厚度为30～300μm，将对基板的扫描尺寸设置为81～400cm2，设置预热温度为1000～1300℃，设置预热循环次数为3～9次，设置电子束聚焦电流为15～48mA。5.根据权利要求4所述的一种TiAl合金叶片的制...

【专利技术属性】
技术研发人员：卢东，刘永胜，陈琛，
申请(专利权)人：成都先进金属材料产业技术研究院股份有限公司，
类型：发明
国别省市：