專利名稱：定向生長(zhǎng)柱晶及單晶鈦合金的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種鈦合金材料的制備方法，具體地是指一種采用對(duì)鈦合金粉末流連續(xù)熔化沉積或逐層熔化沉積、在非接觸、無(wú)模、惰性氣氛條件下可直接自由成形具有定向生長(zhǎng)柱晶及單晶組織的鈦合金錠材及零件的制備方法。
背景技術(shù)：
鈦合金具有密度低、強(qiáng)度高、屈強(qiáng)比高、耐蝕性及高溫力學(xué)性能優(yōu)異等突出性能優(yōu)點(diǎn)，在石化、海洋、航空、航天、艦艇、冶金、兵器等工業(yè)機(jī)械裝備中廣泛用作關(guān)鍵高溫結(jié)構(gòu)件。隨著工業(yè)技術(shù)水平的不斷提高，對(duì)高溫鈦合金材料性能及其制備技術(shù)的要求愈來(lái)愈苛刻。
目前提高高溫鈦合金高溫力學(xué)性能的主要方法是對(duì)近α鈦合金進(jìn)行固溶強(qiáng)化、控制β轉(zhuǎn)變組織及利用少量金屬硅化物沉淀強(qiáng)化。但由于受鈦合金本性的決定性影響，采用上述傳統(tǒng)金屬材料強(qiáng)化方法及改進(jìn)合金化學(xué)成分方法來(lái)提高高溫鈦合金的長(zhǎng)期高溫力學(xué)性能，近20年來(lái)國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展極其緩慢、長(zhǎng)期未取得實(shí)質(zhì)性進(jìn)展。
晶界是鈦合金等金屬結(jié)構(gòu)材料在長(zhǎng)期高溫服役條件下變形、裂紋萌生與擴(kuò)展的薄弱環(huán)節(jié)，更是高溫條件下氧原子向鈦合金內(nèi)部快速滲透擴(kuò)散并進(jìn)而引發(fā)嚴(yán)重晶界脆性、氧擴(kuò)散層脆性和零件早期斷裂失效的快速通道，因此，若能消除高溫鈦合金關(guān)鍵熱端零部件中垂直于受力方向的晶界(即橫向晶界)、制備出具有定向生長(zhǎng)挺直柱晶的鈦合金材料，鈦合金零件的高溫力學(xué)性能尤其是高溫持久壽命、蠕變強(qiáng)度等高溫力學(xué)性能無(wú)疑將大幅度提高。若能完全消除晶界這一薄弱環(huán)節(jié)，制備出單晶鈦合金，鈦合金零件的性能則會(huì)有更為顯著的提高。然而，由于高溫下鈦的高度化學(xué)活潑性，定向凝固過(guò)程中高溫鈦合金熔體幾乎會(huì)與所有高溫耐火材料模殼發(fā)生嚴(yán)重的化學(xué)反應(yīng)；由于鈦合金的導(dǎo)熱系數(shù)很低，凝固冷卻速度慢，難以穩(wěn)定地在液－固界面前沿建立并維持定向凝固所需的冷卻速度與沿生長(zhǎng)方向的高的溫度梯度，鈦合金熔體將主要由型壁散熱而在其附近區(qū)域大量形核最終長(zhǎng)大為等軸晶，所以當(dāng)今所有金屬材料定向凝固技術(shù)均無(wú)法實(shí)現(xiàn)鈦合金的定向生長(zhǎng)，國(guó)內(nèi)外也無(wú)任何有關(guān)鈦合金定向凝固技術(shù)及定向生長(zhǎng)柱晶或單晶鈦合金材料的研究及文獻(xiàn)報(bào)道。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是，提供了定向生長(zhǎng)柱晶與單晶鈦合金及其錠材與零件的高能束流連續(xù)熔化沉積或逐層熔化沉積的鈦合金無(wú)模自由成形制備新方法。該方法可制備出具有定向生長(zhǎng)挺直柱晶及單晶組織特征的各種形狀鈦合金錠材與各種復(fù)雜近凈成形零件，其高溫力學(xué)性能尤其是高溫蠕變性能、高溫持久壽命等高溫力學(xué)性能較工業(yè)鍛造及鑄造等軸晶鈦合金大幅度提高，可廣泛適用于石化、海洋、航空、航天、艦艇、冶金、兵器等工業(yè)中。
本發(fā)明的鈦合金的制備方法是這樣實(shí)現(xiàn)的在動(dòng)態(tài)密封氣氛可控加工保護(hù)室或密閉氣氛可控加工保護(hù)室(先抽真空后充惰性保護(hù)氣體)中，以高能束流作為熱源，將氣流或重力同步輸送的鈦合金粉末流在普通鈦合金基板上連續(xù)熔化沉積或逐層熔化沉積，無(wú)模自由成形直接制備具有定向生長(zhǎng)挺直柱晶組織、不同截面形狀的鈦合金錠材或任意復(fù)雜的鈦合金零件；采用選晶或者使用單晶籽晶的手段，連續(xù)熔化沉積可以制備出單晶鈦合金錠材，在單晶鈦合金基板上逐層熔化沉積還可制備出單晶鈦合金零件。
所述的鈦合金的制備方法，其設(shè)備包括，(A)一鈦合金基板；(B)一動(dòng)態(tài)密封氣氛可控加工保護(hù)室或密閉氣氛可控加工室；(C)一高能束流作為熱源；(D)一輸送鈦合金粉末的粉末輸送系統(tǒng)，該方法包括下列步驟，第一步將粒度為-60～+300目的鈦合金粉末放入送粉器中；第二步將鈦合金基板放入動(dòng)態(tài)密封氣氛可控加工保護(hù)室或密閉氣氛可控加工保護(hù)室中并固緊；第三步將純度為99.99～99.999％的高純氬氣或氦氣惰性保護(hù)氣體充入動(dòng)態(tài)密封氣氛可控加工保護(hù)室中或?qū)⒚荛]氣氛可控加工保護(hù)室先抽真空度至10-1～10-3Pa再充入純度為99.99～99.999％的高純氬氣或氦氣惰性保護(hù)氣體至常壓；第四步導(dǎo)入高能束流熱源，同步開啟送粉器輸送鈦合金粉末，要求鈦合金基板表面與成形零件或錠材的結(jié)合區(qū)域表面局部被熔化，其中熱源根據(jù)所需制備鈦合金零件或錠材的形狀大小調(diào)節(jié)其功率、束斑形狀及束斑尺寸等參數(shù)，粉末輸送速率根據(jù)制備零件及錠材的形狀大小等要求，與高能束功率、束斑尺寸、掃描速度、單層沉積高度、連續(xù)提升速度(即連續(xù)熔化沉積增高速度)等相適配；第五步成形錠材或零件過(guò)程，通過(guò)高能束流熱源加工頭的連續(xù)提升(基板不動(dòng))或基板的連續(xù)下拉(熱源加工頭不動(dòng))，高能束流熱源將同步輸送的鈦合金粉末連續(xù)熔化沉積在普通鈦合金基板上，制備具有定向凝固柱狀晶組織的鈦合金錠材；或利用高能束流熱源將同步輸送的鈦合金粉末連續(xù)或逐層沉積在鈦合金單晶籽晶或單晶基板上，制備具有單晶組織的鈦合金錠材或復(fù)雜零件；或高能束流光源沿零件CAD模型斷面切片軌跡掃描，將同步輸送的鈦合金粉末逐層熔化沉積在普通鈦合金基板上，制備具有定向凝固柱狀晶組織的不同形狀及尺寸的鈦合金零件；第六步制備的定向凝固柱狀晶或單晶鈦合金零件或錠材冷卻至100℃以下后，打開動(dòng)態(tài)密封氣氛可控加工保護(hù)室或密閉氣氛可控加工保護(hù)室，將其取出；第七步根據(jù)需要，對(duì)制備的定向凝固柱狀晶或單晶鈦合金零件或錠材進(jìn)行成分、組織及性能測(cè)試。
本發(fā)明的鈦合金制備方法的優(yōu)點(diǎn)是所制備的鈦合金錠材及零件具有定向生長(zhǎng)挺直柱狀晶及單晶組織，從而具有優(yōu)異的高溫力學(xué)性能，尤其是高溫持久壽命、蠕變強(qiáng)度等高溫力學(xué)性能及高溫長(zhǎng)期組織穩(wěn)定性相比鍛造及鑄造等軸晶鈦合金材料大幅度提高，同時(shí)還具有優(yōu)異的室溫力學(xué)性能，其強(qiáng)度達(dá)到鍛造鈦合金水平，塑性顯著高于鍛造鈦合金。
制備過(guò)程中不需要模具，使用高能量密度的高能束流將鈦合金粉末快速熔化、快速凝固，能夠在液－固界面前沿建立并維持高的沿生長(zhǎng)方向的溫度梯度，實(shí)現(xiàn)鈦合金晶體的定向生長(zhǎng)，從而可制備出具有挺直定向生長(zhǎng)柱狀晶及單晶的鈦合金錠材及復(fù)雜零件；該制備方法能夠有效保護(hù)鈦合金、有效防止鈦合金氧化、吸氣；該制備方法還可大幅度縮短鈦合金零件生產(chǎn)制造周期、降低生產(chǎn)制造成本、提高材料利用率。


圖1是連續(xù)熔化沉積方式制備定向生長(zhǎng)鈦合金柱晶棒材的示意圖。
圖2是逐層熔化沉積方式制備定向生長(zhǎng)柱晶鈦合金板材的示意圖。
圖3是在單晶籽晶上采用連續(xù)熔化沉積方式制備定向生長(zhǎng)單晶鈦合金錠材的示意圖。
圖4是采用激光束連續(xù)熔化沉積制備定向生長(zhǎng)柱晶鈦合金圓柱棒材實(shí)物照片。
圖5是在光學(xué)金相顯微鏡分析圖4棒材的顯微組織照片。
圖6是采用激光束逐層熔化沉積制備定向生長(zhǎng)柱晶鈦合金薄壁板狀錠材實(shí)物照片。
圖7是在光學(xué)金相顯微鏡分析圖6板材的顯微組織照片。
圖8是采用激光束逐層熔化沉積制備定向生長(zhǎng)柱晶鈦合金零件實(shí)物照片。
圖中1.高能束流熱源 2.送粉器噴嘴 3.動(dòng)態(tài)密封或密閉氣氛可控加工保護(hù)室 4.基板 5.鈦合金粉末流 6.棒材 7.板材 8.單晶籽晶基板9.單晶鈦合金錠材具體實(shí)施方式
下面將通過(guò)列舉的實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說(shuō)明。
本發(fā)明是一種定向生長(zhǎng)柱晶及單晶鈦合金的制備方法，所述設(shè)備包括，(A)一鈦合金基板；(B)一動(dòng)態(tài)密封氣氛可控加工保護(hù)室或密閉氣氛可控加工室；(C)一高能束流作為熱源；(D)一輸送鈦合金粉末的粉末輸送系統(tǒng)，該方法包括下列步驟，第一步將粒度為-60～+300目的鈦合金粉末放入送粉器中；第二步將鈦合金基板放入動(dòng)態(tài)密封氣氛可控加工保護(hù)室或密閉氣氛可控加工保護(hù)室中并固緊；第三步將純度為99.99～99.999％的高純氬氣或氦氣惰性保護(hù)氣體充入動(dòng)態(tài)密封氣氛可控加工保護(hù)室中或?qū)⒚荛]氣氛可控加工保護(hù)室先抽真空度至10-1～10-3Pa再充入純度為99.99～99.999％的高純氬氣或氦氣惰性保護(hù)氣體至常壓；第四步導(dǎo)入高能束流熱源，同步開啟送粉器輸送鈦合金粉末，要求鈦合金基板表面與成形零件或錠材的結(jié)合區(qū)域表面局部被熔化，其中熱源根據(jù)所需制備鈦合金零件或錠材的形狀大小調(diào)節(jié)其功率、束斑形狀及束斑尺寸等參數(shù)，粉末輸送速率根據(jù)制備零件及錠材的形狀大小等要求，與高能束功率、束斑尺寸、掃描速度、單層沉積高度、連續(xù)提升速度(即連續(xù)熔化沉積增高速度)等相適配；第五步成形錠材或零件過(guò)程，通過(guò)高能束加工頭的連續(xù)提升(基板不動(dòng))或基板的連續(xù)下拉(熱源加工頭不動(dòng))，高能束流熱源將同步輸送的鈦合金粉末連續(xù)熔化沉積在普通鈦合金基板上，制備具有定向凝固柱狀晶組織的鈦合金錠材；或利用高能束流熱源將同步輸送的鈦合金粉末連續(xù)或逐層沉積在鈦合金單晶籽晶或單晶基板上，制備具有單晶組織的鈦合金錠材或復(fù)雜零件；或高能束流光源沿零件CAD模型斷面切片軌跡掃描，將同步輸送的鈦合金粉末逐層熔化沉積在普通鈦合金基板上，制備具有定向凝固柱狀晶組織的不同形狀及尺寸的鈦合金零件；第六步制備的定向凝固柱狀晶或單晶鈦合金零件或錠材冷卻至100℃以下后，打開動(dòng)態(tài)密封氣氛可控加工保護(hù)室或密閉氣氛可控加工保護(hù)室，將其取出；第七步根據(jù)需要，對(duì)制備的定向凝固柱狀晶或單晶鈦合金零件或錠材進(jìn)行成分、組織及性能測(cè)試。
實(shí)施例1(一)采用激光束連續(xù)熔化沉積制備定向生長(zhǎng)柱晶鈦合金圓柱棒材在配有三軸聯(lián)動(dòng)四坐標(biāo)數(shù)控激光加工機(jī)床的5kW橫流連續(xù)CO2激光材料加工成套設(shè)備上進(jìn)行棒材制備研究，選用熱軋α+β兩相鈦合金B(yǎng)T9作為基板，其名義化學(xué)成分以重量百分比計(jì)為Ti-6.4％Al-3.3％Mo-1.6％Zr-0.27％Si，選用氬氣霧化粒度為-100～+200目的Ti-6Al-4V球形粉末作為激光快速成形的原材料，選用純度為99.999％的高純氬氣作為保護(hù)氣體及粉末輸送氣體，激光快速成形工藝參數(shù)為激光束斑直徑約5mm、激光功率2.4～2.5kW、激光束連續(xù)提升速度(即連續(xù)熔化沉積增高速度)約為7～8mm/min、送粉率約為6g/min，在動(dòng)態(tài)密封氣氛可控加工保護(hù)室中，連續(xù)熔化沉積制備出直徑約13～15mm細(xì)長(zhǎng)圓柱棒材，請(qǐng)參見實(shí)物照片圖4所示。
采用化學(xué)分析方法精確分析激光成形前后鈦合金的化學(xué)成分變化，結(jié)果如表1所示，表明激光沉積成形過(guò)程中鈦合金主要合金元素幾乎沒(méi)有任何變化，合金元素?zé)o燒損，合金含氧量及含氮量均較低。
表1激光束連續(xù)熔化沉積Ti-6Al-4V鈦合金棒材化學(xué)成分分析結(jié)果

采用光學(xué)金相顯微鏡分析此鈦合金棒材的顯微組織，如圖5所示，可以明顯觀察到定向生長(zhǎng)挺直柱狀晶的組織特征，且組織致密、無(wú)氣孔、無(wú)夾雜、無(wú)裂紋。
采用5倍標(biāo)準(zhǔn)棒狀拉伸試樣(標(biāo)距直徑5mm)在MTS-880多功能材料力學(xué)性能測(cè)試系統(tǒng)上，評(píng)價(jià)該種棒狀Ti-6Al-4V鈦合金的室溫力學(xué)性能，表2所示的力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果表明同工業(yè)鍛造Ti-6Al-4V鈦合金相比，激光束連續(xù)沉積Ti-6Al-4V鈦合金具有優(yōu)異的力學(xué)性能，其強(qiáng)度達(dá)到鍛造鈦合金水平，其塑性顯著高于鍛造鈦合金。
表2激光束連續(xù)熔化沉積Ti-6Al-4V鈦合金棒材室溫拉伸力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果

(二)采用激光束逐層熔化沉積制備定向生長(zhǎng)柱晶鈦合金板材在配有三軸聯(lián)動(dòng)四坐標(biāo)數(shù)控激光加工機(jī)床的5kW橫流連續(xù)CO2激光材料加工成套設(shè)備上進(jìn)行板材制備研究，選用熱軋α+β兩相鈦合金B(yǎng)T9作為基板，其名義化學(xué)成分以重量百分比計(jì)為Ti-6.4％Al-3.3％Mo-1.6％Zr-0.27％Si，選用氬氣霧化粒度為-100～+200目的Ti-6Al-4V球形粉末作為激光快速成形的原材料，選用純度為99.999％的高純氬氣作為保護(hù)氣體及粉末輸送氣體，激光快速成形工藝參數(shù)為激光束斑直徑約4mm、激光功率2.6～2.7kW、掃描速度約300～390mm/min、單層沉積增高速度約0.5～0.7mm、送粉率約為7g/min，在動(dòng)態(tài)密封氣氛可控加工保護(hù)室中，逐層熔化沉積制備出厚度為5～7mm的薄壁板狀錠材，請(qǐng)參見實(shí)物照片圖6所示。
采用化學(xué)分析方法精確分析激光成形前后鈦合金的化學(xué)成分變化，結(jié)果如表3所示，表明激光沉積成形過(guò)程中鈦合金主要合金元素幾乎沒(méi)有任何變化，合金元素?zé)o燒損，合金含氧量及含氮量均較低。
表3激光束逐層熔化沉積Ti-6Al-4V鈦合金板材化學(xué)成分分析結(jié)果

用光學(xué)金相顯微鏡分析此鈦合金板材的顯微組織，如圖7所示，可以明顯的觀察到具有挺直定向生長(zhǎng)柱晶的組織特征，且組織致密、無(wú)氣孔、無(wú)夾雜、無(wú)裂紋。
采用5倍標(biāo)準(zhǔn)棒狀拉伸試樣(標(biāo)距直徑5mm)在MTS-880多功能材料力學(xué)性能測(cè)試系統(tǒng)上，評(píng)價(jià)該種棒狀Ti-6Al-4V鈦合金的室溫力學(xué)性能，表4所示的力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果表明同工業(yè)鍛造Ti-6Al-4V鈦合金相比，激光束連續(xù)沉積Ti-6Al-4V鈦合金具有優(yōu)異的力學(xué)性能，其強(qiáng)度達(dá)到鍛造鈦合金水平，其塑性顯著高于鍛造鈦合金。
表4激光束連續(xù)沉積Ti-6Al-4V鈦合金板材室溫拉伸力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果

(三)采用激光束CAD切片軌跡掃描逐層熔化沉積制備定向生長(zhǎng)柱晶鈦合金零件在配有三軸聯(lián)動(dòng)四坐標(biāo)數(shù)控激光加工機(jī)床的5kW橫流連續(xù)CO2激光材料加工成套系統(tǒng)上進(jìn)行零件制備研究，選用熱軋α+β兩相鈦合金B(yǎng)T9作為基板，其名義化學(xué)成分以重量百分比計(jì)為Ti-6.4％Al-3.3％Mo-1.6％Zr-0.27％Si，選用氬氣霧化粒度為-100～+200目的Ti-6Al-4V球形粉末作為激光快速成形的原材料，選用純度為99.999％的高純氬氣作為保護(hù)氣體及粉末輸送氣體，激光快速成形工藝參數(shù)為激光束斑直徑約3～4mm、激光功率2.7～2.8kW、掃描速度約350mm/min、送粉率約為8g/min，在動(dòng)態(tài)密封氣氛可控加工保護(hù)室中，沿零件CAD切片軌跡掃描，逐層熔化沉積制備鈦合金零件毛坯。請(qǐng)參見實(shí)物如圖8所示。
實(shí)施例2
采用等離子束連續(xù)熔化沉積制備定向生長(zhǎng)柱晶鈦合金圓柱棒材在配備數(shù)控加工系統(tǒng)的30kW等離子成套設(shè)備上進(jìn)行棒材制備研究，選用熱軋α+β兩相鈦合金B(yǎng)T9作為基板，其名義化學(xué)成分以重量百分比計(jì)為Ti-6.4％Al-3.3％Mo-1.6％Zr-0.27％Si，選用氬氣霧化粒度為-100～+200目的Ti-6Al-4V球形粉末作為原材料，選用純度為99.999％的高純氬氣作為保護(hù)氣體及粉末輸送氣體，工藝參數(shù)為噴嘴孔徑約15mm、基板連續(xù)下拉速度(即連續(xù)熔化沉積增高速度)為12mm/min、送粉率約為20g/min，在密閉保護(hù)室中，連續(xù)熔化沉積制備出直徑約20mm的圓柱棒材。
實(shí)施例3采用電子束連續(xù)熔化沉積制備定向生長(zhǎng)柱晶鈦合金圓柱形棒材在40kW電子束成套設(shè)備上進(jìn)行棒材制備研究，選用熱軋α+β兩相鈦合金B(yǎng)T9作為基板，其名義化學(xué)成分以重量百分比計(jì)為Ti-6.4％Al-3.3％Mo-1.6％Zr-0.27％Si，選用氬氣霧化粒度為-100～+200目的Ti-6Al-4V球形粉末作為原材料，選用純度為99.999％的高純氬氣作為保護(hù)氣體及粉末輸送氣體，工藝參數(shù)為電源電壓18kV、電子束斑直徑約20mm、基板連續(xù)下拉速度(即連續(xù)熔化沉積增高速度)約15mm/min，送粉率約50g/min，在密閉保護(hù)室中，連續(xù)熔化沉積制備得直徑約30mm的圓柱棒材。
實(shí)施例4采用鎢極氬弧連續(xù)熔化沉積制備定向生長(zhǎng)柱晶鈦合金圓柱棒材鎢極直徑φ3.2mm、噴嘴孔徑φ3mm的15kW鎢極氬弧焊槍作為熱源設(shè)備，選用熱軋α+β兩相鈦合金B(yǎng)T9作為基板，其名義化學(xué)成分以重量百分比計(jì)為Ti-6.4％Al-3.3％Mo-1.6％Zr-0.27％Si，選用氬氣霧化粒度為-100～+200目的Ti-6Al-4V球形粉末作為原材料，選用純度為99.999％的高純氬氣作為保護(hù)氣體及粉末輸送氣體，工藝參數(shù)為工作電流180A、工作電壓26V、連續(xù)沉積增高速度為10mm/min、送粉率約15g/min，在動(dòng)態(tài)密封氣氛可控加工保護(hù)室中，連續(xù)熔化沉積制備得直徑約18～20mm圓柱棒材。
權(quán)利要求
1.一種定向生長(zhǎng)柱晶及單晶鈦合金的制備方法，其特征在于所述方法是在動(dòng)態(tài)密封氣氛可控加工保護(hù)室或密閉保護(hù)室(先抽真空后充惰性保護(hù)氣體)中，以高能束流作為熱源，將氣流或重力同步輸送的鈦合金粉末流在普通鈦合金基板上連續(xù)熔化沉積或逐層熔化沉積，無(wú)模自由成形直接制備具有定向生長(zhǎng)挺直柱晶組織、不同截面形狀的鈦合金錠材或任意復(fù)雜的鈦合金零件；采用選晶或者使用籽晶的手段，連續(xù)熔化沉積可以制備出單晶鈦合金錠材，在單晶鈦合金基板上逐層熔化沉積還可制備出單晶鈦合金零件。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鈦合金的制備方法，其特征在于所述設(shè)備包括，(A)一鈦合金基板；(B)一動(dòng)態(tài)密封氣氛可控加工保護(hù)室或密閉氣氛可控加工室；(C)一高能束流作為熱源；(D)一輸送鈦合金粉末的粉末輸送系統(tǒng)，該方法包括下列步驟，第一步將粒度為-60～+300目的鈦合金粉末放入送粉器中；第二步將鈦合金基板放入動(dòng)態(tài)密封氣氛可控加工保護(hù)室或密閉氣氛可控加工保護(hù)室中并固緊；第三步將純度為99.99～99.999％的高純氬氣或氦氣惰性保護(hù)氣體充入動(dòng)態(tài)密封氣氛可控加工保護(hù)室中或?qū)⒚荛]氣氛可控加工保護(hù)室先抽真空度至10-1～10-3Pa再充入純度為99.99～99.999％的高純氬氣或氦氣惰性保護(hù)氣體至常壓；第四步導(dǎo)入高能束流熱源，同步開啟送粉器輸送鈦合金粉末，要求鈦合金基板表面與成形零件或錠材的結(jié)合區(qū)域表面局部被熔化，其中熱源根據(jù)所需制備鈦合金零件或錠材的形狀大小調(diào)節(jié)其功率、束斑形狀及束斑尺寸等參數(shù)，粉末輸送速率根據(jù)制備零件及錠材的形狀大小等要求，與高能束功率、束斑尺寸、掃描速度、單層沉積高度、連續(xù)提升速度(即連續(xù)熔化沉積增高速度)等相適配；第五步成形錠材或零件過(guò)程，通過(guò)高能束流熱源加工頭的連續(xù)提升(基板不動(dòng))或基板的連續(xù)下拉(熱源加工頭不動(dòng))，高能束流熱源將同步輸送的鈦合金粉末連續(xù)熔化沉積在普通鈦合金基板上，制備具有定向生長(zhǎng)柱狀晶組織的鈦合金錠材；或利用高能束流熱源將同步輸送的鈦合金粉末連續(xù)或逐層沉積在鈦合金單晶籽晶或單晶基板上，制備具有單晶組織的鈦合金錠材或復(fù)雜零件；或高能束流光源沿零件CAD模型斷面切片軌跡掃描，將同步輸送的鈦合金粉末逐層熔化沉積在普通鈦合金基板上，制備具有定向生長(zhǎng)柱狀晶組織的不同形狀及尺寸的鈦合金零件；第六步制備的定向生長(zhǎng)柱狀晶或單晶鈦合金零件或錠材冷卻至100℃以下后，打開動(dòng)態(tài)密封氣氛可控加工保護(hù)室或密閉氣氛可控加工保護(hù)室，將其取出；第七步根據(jù)需要，對(duì)制備的定向生長(zhǎng)柱狀晶或單晶鈦合金零件或錠材進(jìn)行成分、組織及性能測(cè)試。
3.根據(jù)權(quán)利要求1、2所述的定向生長(zhǎng)柱狀晶或單晶鈦合金的制備方法，其特征在于高能束流熱源可以是高能量密度的激光束、電子束、等離子束、電弧、鎢極氬弧。
4.根據(jù)權(quán)利要求1、2所述的定向生長(zhǎng)柱狀晶或單晶鈦合金的制備方法，其特征在于通過(guò)高能束流熱源加工頭連續(xù)提升(基板不動(dòng))或基板連續(xù)下拉(高能束流熱源加工頭不動(dòng))，高能束流熱源將同步輸送的鈦合金粉末連續(xù)熔化沉積在普通鈦合金基板上，可制備任意長(zhǎng)度的定向生長(zhǎng)柱晶鈦合金錠材。
5.根據(jù)權(quán)利要求1、2所述的定向生長(zhǎng)柱狀晶或單晶鈦合金的制備方法，其特征在于高能束流熱源沿零件CAD模型斷面切片軌跡掃描，將同步輸送的鈦合金粉末逐層熔化沉積在普通鈦合金基板上，可制備具有定向生長(zhǎng)柱晶組織的任意形狀尺寸的鈦合金零件。
6.根據(jù)權(quán)利要求1、2所述的定向生長(zhǎng)柱狀晶或單晶鈦合金的制備方法，其特征在于選用單晶鈦合金籽晶，將同步輸送的鈦合金粉末在其上連續(xù)熔化沉積，可制備單晶鈦合金錠材。
7.根據(jù)權(quán)利要求1、2所述的定向生長(zhǎng)柱狀晶或單晶鈦合金的制備方法，其特征在于選用單晶鈦合金作為基板，將同步輸送的鈦合金粉末在其上逐層熔化沉積，可制備具有單晶組織的鈦合金零件。
8.根據(jù)權(quán)利要求1、2所述的定向生長(zhǎng)柱狀晶或單晶鈦合金的制備方法，其特征在于該方法制備得到的定向生長(zhǎng)柱晶及單晶鈦合金錠材的截面形狀可以是圓形、橢圓形、矩形、環(huán)形。
9.根據(jù)權(quán)利要求1、2所述的定向生長(zhǎng)柱狀晶或單晶鈦合金的制備方法，其特征在于熱源參數(shù)中的高能束流功率為2～500kW，高能束流束斑形狀為圓形、橢圓形、線斑及矩形斑，束斑尺寸為1～100mm。
10.根據(jù)權(quán)利要求1、2所述的定向生長(zhǎng)柱狀晶或單晶鈦合金的制備方法，其特征在于送粉器輸送鈦合金粉末流的送粉率可以是2～800g/min。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種定向生長(zhǎng)柱晶及單晶鈦合金的制備方法，所述方法是在動(dòng)態(tài)密封氣氛可控加工保護(hù)室或密閉氣氛可控加工室(先抽真空后充惰性保護(hù)氣體)中，以高能束流作為熱源，將氣流或重力同步輸送的鈦合金粉末流在普通鈦合金基板上連續(xù)熔化沉積或逐層熔化沉積，無(wú)模自由成形直接制備具有定向生長(zhǎng)挺直柱晶組織、不同截面形狀的鈦合金錠材或任意復(fù)雜的鈦合金零件；采用選晶或者使用籽晶的手段，連續(xù)熔化沉積可以制備出單晶鈦合金錠材，在單晶鈦合金基板上逐層熔化沉積還可制備出單晶鈦合金零件。經(jīng)其方法制備的鈦合金材料可在石化、海洋、航空、航天、艦艇、冶金、兵器等工業(yè)機(jī)械裝備中廣泛用作關(guān)鍵高溫結(jié)構(gòu)件。
文檔編號(hào)C30B21/00GK1542173SQ200310113420
公開日2004年11月3日 申請(qǐng)日期2003年11月10日 優(yōu)先權(quán)日2003年11月10日
發(fā)明者王華明, 張凌云, 李安, 于榮莉, 湯海波, 蔡良續(xù), 張述泉, 張立強(qiáng) 申請(qǐng)人:北京航空航天大學(xué)