一种TiAl基合金及其激光增材制造方法

本发明属于激光增材制造，具体涉及一种tial基合金及其激光增材制造方法。

背景技术：

1、tial合金具有低密度、高比强度、高比刚度、良好抗蠕变性能、良好抗氧化性能、良好抗烧蚀性能等特点，作为一种轻质的高温材料，在航空航天、车辆工程领域具有重要的发展潜力。然而，由于tial合金具有较低的室温塑性和断裂韧性，tial合金的可加工性差，其工业应用受到限制。增材制造技术作为先进制造技术和智能制造的重要组成部分，拓宽了tial合金材料研发与制造应用的前景。激光粉末床熔融技术是主流金属增材制造技术之一，该技术以高能激光束为热源加工金属粉末床，通过逐层制造、累积成形的方式完成整个部件的制造，在小尺寸复杂结构部件的精密成形方面具有显著优势，可有效解决传统技术难以成形tial复杂部件的问题。

2、由于加工过程的冷却速率高(可达106k/s)和tial合金的本征脆性，激光增材制造tial基合金存在开裂问题。激光增材制造过程中生成tial基金属间化合物，一般认为晶体结构对称度低、滑移系少、共价键电子数量在总价电子数中占比较高等为脆性的主要因素。降低冷却速率是减少激光增材制造tial基合金开裂的一种途径，主要方法包括预热基板和优化工艺参数。其中，基板预热温度需达到tial合金韧脆转变温度以上(约800℃)，高预热温度对设备提出较高要求，且高温下al容易烧损，粉末易被烧结无法回收使用，生产成本较高。而工艺参数优化对成形质量的提升效果有限。因此，为了实现激光增材制造tial基合金的无裂纹部件，亟需设计一种新型tial基合金及其制备方法，相应的制备方法一方面适用于脆性的tial基合金，另一方面符合低碳环保。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种新型tial基合金及其制备方法。该方法通过激光粉末床熔融技术，原材料的配比与机械混合，扫描策略的选择和工艺参数的优化，可制备出近全致密的高硬度tial基合金。

2、为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

3、tial基合金是由tial基复合粉末通过激光粉末床熔融制备。tial基复合粉末包括纳米陶瓷颗粒和tial合金基体粉末，其中纳米陶瓷颗粒含量在1wt.％范围内；激光成形工艺参数为：激光功率在125-175w之间，扫描速度在400-550mm/s之间，扫描间距为85μm以及分层厚度为50μm；体能量密度控制在65-79j/mm3；其中，体能量密度η＝p/(vdh)，其中p为激光功率，v为扫描速度，d为铺粉层厚，h为扫描间距。

4、进一步的，tial基复合粉末中纳米陶瓷颗粒含量为0.3-1wt.％，其余为tial合金基体粉末。

5、进一步的，纳米陶瓷颗粒为lab6，粒径范围为100-500nm，纯度99.9％以上。

6、进一步的，tial合金基体粉末为近等原子比的tial合金，其中al的含量为42-48at.％，cr和nb的含量为0-10at.％，其余为ti，杂质元素含量低于0.1wt.％，粉末为通过等离子旋转电极法或者气雾化法制备的球形粉末，粒径范围为20-60μm。

7、本发明的另一个目的是提供一种激光增材制造tial基合金的制备方法，包括以下步骤：

8、(1)tial基复合粉末的制备：将纳米陶瓷颗粒和tial合金基体粉末按配比混合，并置于球磨罐中，将球磨罐抽真空，球磨罐内气压控制在0-0.05mpa。然后进行间歇式球磨，获得tial复合粉末，然后通过激光粉末床熔融技术制备块体部件。

9、(2)tial基合金的成形：建立目标部件的三维数字模型，制定扫描策略，对三维数字模型进行切片。然后通过激光粉末床熔融技术制备部件：主要包括铺展tial复合粉末，根据扫描策略采用聚集的高能激光束扫描粉末床表面，使其完全熔化后凝固，然后成形基板下降一个分层厚度的距离，重复上述步骤。通过逐层铺粉和激光扫描制备tial基合金，直至三维块体部件加工完成。

10、进一步的，步骤(1)中，tial基复合粉末的球墨采用行星式球磨机，球磨介质为直径5-6mm的玛瑙球，球磨罐采用316l不锈钢罐，球料比为2-2.5:1，球磨转速为250-300rpm，有效球磨时间为2-3h，单次连续球磨不超过20min。

11、进一步的，步骤(2)中，扫描策略为往返式扫描路径与层间扫描方向旋转相结合的策略，层间旋转角度为45-90°。

12、进一步的，步骤(2)中，激光粉末床熔融技术包括在激光扫描之前在成形仓通入氩气保护，其中氩气纯度99.9％以上，合金制备过程中成形仓内氧含量不超过50ppm，然后对成形基板和粉末仓的预热，预热温度为200℃。

13、进一步的，步骤(2)中，的主要激光扫描工艺参数包括激光功率在125-175w之间，扫描速度在400-550mm/s之间，扫描间距为85μm，分层厚度为50μm，体能量密度控制在65-79j/mm3。

14、本发明的有益效果：

15、1、通过粉末成分设计，优化的tial基复合粉末制备方法，优化的激光粉末床熔融技术工艺，本发明得到的tial基合金具有高硬度和近全致密的特点。

16、2、tial基复合粉末中包含少量纳米lab6颗粒，本发明利用lab6在高温下(约2300℃)与基体反应的特点，使得添加的lab6在激光增材制造过程中起到了细化晶粒和净化熔体的作用。一方面，lab6作为一种孕育剂，提高了过冷度，促进了形核，实现了晶粒的细化。另一方面，lab6在高温下原位生成的la2o3使得基体的含氧量降低，基体的塑性提高，且纳米la2o3颗粒主要沿晶界分布，通过钉扎效应抑制了晶粒的生长，tial基合金的强度提升。

17、3、纳米陶瓷颗粒的添加量控制在1wt.％以内，一方面避免粉末团聚使得粉末床质量下降，降低成形致密度，另一方面避免过多添加的纳米陶瓷颗粒成为新的裂纹源，增加部件的开裂倾向。

18、4、本发明采用的tial基合金粉末制备方法在保证粉末混合均匀性的基础上，具有粉末制备效率高和节能环保的特点。本发明采用优化的激光能量密度以及激光扫描策略，有效减少了热量累积，降低了温度梯度，降低了激光增材制造过程中的残余应力，抑制了冷裂纹的形成。此外，本发明通过可实现熔体净化的粉末成分设计、真空球磨工艺和激光增材制造过程中的氩气保护方法，采用了多角度的较为全面的方法降低成形部件中的氧含量，保证tial基合金的塑性。

技术特征：

1.一种tial基合金，其特征在于：所述tial基合金由tial基复合粉末通过激光粉末床熔融制备，其中tial基复合粉末包括纳米陶瓷颗粒和tial合金基体粉末。

2.如权利要求1所述的tial基复合金，其特征在于：所述纳米陶瓷颗粒含量为0.3-1wt.％，其余为tial合金基体粉末。

3.如权利要求1所述的tial基复合金，其特征在于：所述纳米陶瓷颗粒为lab6，粒径范围为100-500nm，纯度99.9％以上。

4.如权利要求1所述的tial基复合金，其特征在于：所述tial合金基体粉末为近等原子比的tial合金，其中al的含量为42-48at.％，cr和nb的含量为0-10at.％，其余为ti，杂质元素含量低于0.1wt.％，粉末为通过等离子旋转电极法或者气雾化法制备的球形粉末，粒径范围为20-60μm。

5.一种如权利要求1-4所述的tial基合金的激光增材制备方法，其特征在于：该制备方法包括以下步骤：

6.如权利要求5所述的制备方法，其特征在于：步骤(1)中，tial基复合粉末的球墨采用行星式球磨机，球磨介质为直径5-6mm的玛瑙球，球磨罐采用316l不锈钢罐，球料比为2-2.5:1，球磨转速为250-300rpm，有效球磨时间为2-3h，单次连续球磨不超过20min。

7.如权利要求5所述的制备方法，其特征在于：步骤(2)中，所述的扫描策略为往返式扫描路径与层间扫描方向旋转相结合的策略，层间旋转角度为45-90°。

8.如权利要求5所述的制备方法，其特征在于：步骤(2)中，所述的激光粉末床熔融技术包括在激光扫描之前在成形仓通入氩气保护，其中氩气纯度99.9％以上，合金制备过程中成形仓内氧含量不超过50ppm，然后对成形基板和粉末仓的预热，预热温度为200℃。

9.如权利要求5所述的制备方法，其特征在于：步骤(2)中，所述的激光扫描工艺参数包括激光功率在125-175w之间，扫描速度在400-550mm/s之间，扫描间距为85μm，分层厚度为50μm，体能量密度控制在65-79j/mm3。

技术总结本发明公开了一种TiAl基合金及其激光增材制备方法，TiAl基合金中包括纳米陶瓷颗粒和TiAl合金基体粉末，其中纳米陶瓷颗粒为LaB<subgt;6</subgt;。所选的纳米陶瓷颗粒在激光粉末床熔融过程中可具有细化晶粒和净化熔体的作用，一方面作为孕育剂提高过冷度，促进形核，实现晶粒的细化，另一方面原位生成的纳米颗粒降低基体含氧量，提高合金塑性，且纳米颗粒可通过钉扎效应抑制晶粒的生长，提升基体强度。本发明采用高效且节能环保的球磨混粉制备TiAl基复合粉末，通过优化激光增材制造工艺参数，可实现近全致密的高硬度TiAl基合金。技术研发人员：杨森,方梓宇,秦渊,王可凡,周宇受保护的技术使用者：南京理工大学技术研发日：技术公布日：2024/6/13