一种消除电子束3D打印TiAl合金层状组织的方法技术

本发明专利技术公开了一种消除电子束3D打印TiAl合金层状组织的方法，将电子束3D打印TiAl合金加热至1200℃～1230℃保温1～3h后，立即于电子束3D打印TiAl合金的上下端面垫上低碳钢垫片，然后进行单向锻造获得TiAl合金锭坯，所述TiAl合金锭坯具有均匀的双态或近层片组织。本发明专利技术的方法可消除原始锭坯中层状异构不均匀组织，得到均匀的双态或近层片组织，本发明专利技术工艺简单，对设备要求低，适于工业化生产。适于工业化生产。适于工业化生产。

【技术实现步骤摘要】
一种消除电子束3D打印TiAl合金层状组织的方法


[0001]本专利技术属于钛铝金属间化合物加工
，具体涉及一种消除电子束3D打印TiAl合金层状组织的方法。

技术介绍

[0002]TiAl合金的比重仅为镍基高温合金的一半，同时具有优秀的高温比强度和比刚度、以及优异的高温抗氧化、抗蠕变性能及抗疲劳性能等突出优点，是一类可在600℃～900℃之间替代镍基高温合金的轻质高温结构材料。传统的TiAl基合金零件往往采用精密铸造或塑性成形的方法制备，近年来，随着增材制造技术的发展，TiAl合金零部件的增材制造也成为热点。目前，用于TiAl合金增材制造的方法主要为激光金属沉积(LMD)、选区激光熔化(SLM)和选区电子束熔化(SEBM)。其中，SEBM技术具有残余应力低、沉积效率和真空洁净度高等优点，被认为是最适合TiAl合金增材制造的技术之一。
[0003]然而，基于逐层堆积的制造理念和长时间本征退火，导致了凝固过程中Al元素的不均匀分布，SEBM成形后的TiAl合金通常表现出层状异构的微观组织特征，即沿着打印方向呈交替分布的单相γ粗晶+(γ+α2/γ)双态细晶层。这种层状组织会导致材料表现出明显的拉伸力学性能和疲劳性能的各向异性，这对于工程材料而言极其不利。为了避免不均匀组织对力学性能的影响，大多数研究人员通过热处理的手段对TiAl合金的组织进行调控。然而，根据Ti
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Al相图，Al含量较低的细晶区，T
α
温度也较低，这意味着粗晶和细晶区难以实现同步组织转变，因此这种层状组织对热处理制度的响应同样也是不均匀的。现有研究表明，要实现组织均质化，需要首先在α单相区热处理，随后通过油淬形成羽毛状γ组织，最后在1100℃下退火24h方可转变为均匀的近γ组织。这种处理方法不仅工艺冗长、复杂且可能导致微观组织结构粗化，更重要的是处理后所形成的近γ组织TiAl合金综合性能较差，不适合工业应用。
[0004]由于TiAl合金在双相区具有较好的组织稳定性，热处理过程不易发生晶粒长大和转变为近γ组织，因此双相区热处理为层状异构组织TiAl合金的理想工艺。然而，同样因其组织稳定性特点，简单的双相区热处理并不能消除这种层状异构不均匀组织。
[0005]当TiAl合金在双相区进行特定温度和应变速率变形时，在应力和温度的双重作用下，会促进合金相变，从而形成双态组织或近层片组织。这种均匀的双态组织和近层片组织因其良好的综合性能，可直接进行使用。因此实现层状异构不均匀组织TiAl合金的组织均匀化需要结合相变和塑性成形协同作用理论，然而要想实现锻造后材料的组织均匀性，还需克服变形过程固有的不均匀变形特性。现有技术往往采用多向锻造来实现，然而多向锻造是一种大塑性变形技术，如果用于3D打印材料，则失去了3D打印的技术特点。
[0006]因此，对于3D打印材料的锻造变形，需要同时满足较小的变形量(小于50％)和均匀的塑性变形，这也是目前该领域尚未解决的技术瓶颈。

技术实现思路

[0007]针对现有技术的不足，本专利技术的目的在于提供一种消除电子束3D打印TiAl合金层状组织的方法。本专利技术针对现有电子束3D打印TiAl合金中存在的由层状异构组织引起的组织不均匀性和力学性能各向异性差异大的问题，结合相变+均匀变形，促进合金相变，使得原始层状异构的不均匀组织转变为均匀的双态或近层片组织。
[0008]本专利技术一种消除电子束3D打印TiAl合金的层状组织的方法，将电子束3D打印TiAl合金加热至1200℃～1230℃保温1～3h后，立即于电子束3D打印TiAl合金的上下端面垫上低碳钢垫片，然后进行单向锻造获得TiAl合金锭坯，所述TiAl合金锭坯具有均匀的双态或近层片组织。
[0009]本专利技术提供的方法，先将电子束3D打印TiAl合金加热至略低于相变温度以下，保温完成后，于电子束3D打印TiAl合金坯料的上下端面垫上低碳钢垫片然后进行单向锻造，一方面，锻造前电子束3D打印TiAl合金坯料上下端面插入低碳钢垫片可以起到润滑作用，保证端部均匀变形；同时，低碳钢垫片作为软垫，能够使TiAl坯料整体处于锻造的易变形区，从而进一步避免合金的不均匀变形。另一方面，热/力作用下的变形能够促进电子束3D打印TiAl合金发生γ
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α相变，形成α2/γ层片结构。特别是，当变形速率越快，α2/γ层片结构的比例也随之增加。同时，在热变形过程中，高密度的位错和变形孪晶还促进了合金的动态再结晶，新形成的细小再结晶晶粒逐步取代了粗大晶粒。这些因素均有利于消除合金原始的“单相γ粗晶+(γ+α2/γ)双态细晶”层状异构不均匀组织，最终经本专利技术方法处理后获得均匀的双态或近层片组织。
[0010]在本专利技术中，电子束3D打印TiAl合金的T
ɑ
相变温度为1235℃，本专利技术将加热温度控制在略低于相变温度，且控制在一个较小的范围内，专利技术人发现，在此温度范围内，有利于热变形过程中发生再结晶，获得细小再结晶晶粒，若加热温度过高，导致坯料温度超过相变温度，合金的晶粒就会快速长大，无法实现锻造后细晶的目的，若温度过低，由于钛铝合金塑性变形能力差的特点，低温锻造极易发生开裂，并且也不利于发生再结晶，也就无法实现晶粒细化。
[0011]优选的方案，所述电子束3D打印TiAl合金为γ
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TiAl金属间化合物。
[0012]优选的方案，所述电子束3D打印TiAl合金的显微组织为单相γ粗晶与(γ+α2/γ)双态细晶交替分布的层状异构不均匀组织。
[0013]优选的方案，所述电子束3D打印TiAl合金的表面先涂覆防氧化涂层，然后用石棉整体包覆，再进行加热。
[0014]本专利技术中，所用的防氧化涂层为北京天力创玻璃科技开发有限公司生产的型号为TL1330
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3的耐高温防氧化涂层。
[0015]在本专利技术中，通过将电子束3D打印TiAl合金坯料用石棉整体包覆，可以确保电子束3D打印TiAl合金加热完成后，从加热炉中取出到锻造整个过程中降温小，若不进行石棉包裹，则可能引起温降较大，导致锻造开裂或者达不到实现组织均匀化的效果。
[0016]在实际操作过程中，要先将电子束3D打印TiAl合金的打印疏松层去除，然后再于其表面涂覆防氧化涂层。
[0017]优选的方案，所述低碳钢垫片的厚度为电子束3D打印TiAl合金高度的25％～35％。
[0018]本专利技术中，将低碳钢垫片的厚度控制在本专利技术的范围内，可以确保TiAl坯料整体处于锻造的易变形区，从而进一步避免合金的不均匀变形。若低碳钢垫片厚度过大，会导致整体的高径比增大，锻造过程容易失稳(比如倾向)，厚度过小，无法保证锻造过程中TiAl坯料整体处于易变形区，坯料整体如果未全部在易变形区，会导致不同区域组织不均匀。
[0019]优选的方案，所述低碳钢垫片的温度为890～910℃。在本专利技术中，将低碳钢垫片的温度控制在上述范围内，最终效果最优，若温度过低，会导致电子束3D打印TiAl合金的温降较多，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种消除电子束3D打印TiAl合金的层状组织的方法，其特征在于：将电子束3D打印TiAl合金加热至1200℃～1230℃保温1～3h后，立即于电子束3D打印TiAl合金的上下端面垫上低碳钢垫片，然后进行单向锻造获得TiAl合金锭坯，所述TiAl合金锭坯具有均匀的双态或近层片组织。2.根据权利要求1所述的一种消除电子束3D打印TiAl合金层状组织的方法，其特征在于：所述电子束3D打印TiAl合金组织为γ
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TiAl金属间化合物。3.根据权利要求1所述的一种消除电子束3D打印TiAl合金层状组织的方法，其特征在于：所述电子束3D打印TiAl合金的显微组织为单相γ粗晶与(γ+α2/γ)双态细晶交替分布的层状异构不均匀组织。4.根据权利要求1
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3任意一项所述的一种消除电子束3D打印TiAl合金层状组织的方法，其特征在于：所述电子束3D打印TiAl合金的表面先涂覆防氧化涂层，然后用石棉整体包覆，再进行加热。5.根据权利要求1
‑
3任意一项...

【专利技术属性】
技术研发人员：李慧中，陶慧，梁霄鹏，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：