一种基于等离子弧熔丝沉积TC4钛合金构件的制造方法与流程

一种基于等离子弧熔丝沉积tc4钛合金构件的制造方法
技术领域
1.本发明属于金属构件制造领域，尤其涉及一种基于等离子弧熔丝沉积tc4钛合金构件的制造方法。


背景技术：

2.钛及钛合金具有密度小、比强度高、耐高温、耐腐蚀等优异的物理及化学性能，已成为现代航空航天、船舶制造领域中最有前途的金属材料。但钛合金加工性能差、制造工艺复杂、生产效率低、加工成本高，属于典型的难加工材料。采用钛合金丝材熔化沉积成形技术制造大尺寸钛合金构件，具有制造成本低、周期短、致密度高、材料利用率高等显著优势，受到各研究机构及行业应用的高度关注。高能电子束、激光束受限于真空室、激光器等的设备成本较高，而等离子弧能量密度高，设备成本低，适用于低成本制造。
3.采用等离子弧熔丝沉积成形钛合金构件，在靠近基材位置为等轴晶，随着沉积高度增加，β晶粒长大，呈外延生长的粗大柱状晶粒。在热循环的影响下，显微组织呈现不均匀性，成形构件顶部为针状α
′
马氏体，中下部存在大量的魏氏组织、网篮组织、层片组织以及少量残余α
′
马氏体，无法通过后续的各种热处理工艺进行调控。在宏观上，成形构件表现为力学性能不均匀，即垂直于沉积方向的抗拉强度高、塑性低，而平行于沉积方向的抗拉强度低、塑性高。
4.因此，细化钛合金丝材熔化沉积成形构件的晶粒尺寸，改善显微组织结构，提高构件的综合力学性能，成为钛合金金属丝材熔化沉积成形技术在航空航天、船舶兵器领域应用所亟需解决的关键技术。


技术实现要素：

5.本发明的目的是提供一种基于等离子弧熔丝沉积tc4钛合金构件的制造方法，以解决成形构件力学性能不均匀，即垂直于沉积方向的抗拉强度高、塑性低，而平行于沉积方向的抗拉强度低、塑性高的问题。
6.本发明采用以下技术方案：一种基于等离子弧熔丝沉积tc4钛合金构件的制造方法，由以下步骤组成：
7.步骤1：根据实际构件的重量和比例系数计算得到毛坯件重量，
8.步骤2：根据毛坯件重量称取同等重量的丝材，并将丝材采用等离子弧作为热源在氩气整体保护氛围中熔化，
9.步骤3：根据cad模型的二维截面路径在基板上逐层沉积得到毛坯件，并将毛坯件与基板分离，其中，毛坯件的原始β晶粒尺寸为1～40mm，
10.步骤4：对毛坯件外表面进行铣削加工，去除毛坯件表面的氧化皮、凹坑，使得毛坯件表面光洁、平整、无裂纹，
11.步骤5：在毛坯件表面涂覆玻璃润滑剂，防止毛坯件在变形过程中产生粘结，并减小摩擦，
12.步骤6：将加热后的毛坯件置于模具内进行第一次热变形处理得到一次变形件，使得毛坯件的原始β晶粒变形、破碎，
13.步骤7：将一次变形件置于加热炉中进行保温处理，使变形和破碎后的晶粒长大，以得到一致尺寸晶粒的一次变形件，
14.步骤8：将一致尺寸晶粒的一次变形件置于模具内进行第二次热变形处理得到二次变形件，使得一致尺寸晶粒的一次变形件的晶粒再次均匀破碎，
15.步骤9：对二次变形件进行退火处理，然后机械加工，去除表面氧化层、缺陷和余量，获得最终的钛合金构件。
16.进一步地，步骤6中第一次热变形处理的方法由以下步骤组成：
17.步骤601：将毛坯件在加热炉中升温至(α+β)/β相变点以上50～100℃，保温0.5～3h，(α+β)/β相变点由差热分析法获得，
18.步骤602：将加热后的毛坯件置于模具内进行第一次热变形处理，变形量为40％～70％。
19.进一步地，步骤2中丝材由以下质量百分含量的成分组成：al：5.5～6.75％，v：3.5～4.5％，fe≤0.22％，c≤0.05％，n≤0.03％，h≤0.012％，y≤0.005％，o：0.1％～0.18％，余量为ti及其他杂质元素。
20.进一步地，步骤7中保温处理方法为：加热炉升温至(α+β)/β相变温度，保温3～40h。
21.进一步地，步骤1中毛坯件重量的计算公式为：g＝η
·
g0，其中g为毛坯件重量，g0为实际构件重量，η为比例系数1.5～3.0。
22.进一步地，步骤3中cad模型基于实际构件的三维逆向且单边增加1～3mm获得。
23.进一步地，步骤8中第二次热变形处理的变形量为30％～50％。
24.本发明的有益效果是：
25.1、本发明通过等离子弧熔丝沉积成形制备tc4钛合金毛坯件，并经过两次热变形处理，反复破碎和细化晶粒，改善组织不均匀性和力学性能各向异性，实现tc4钛合金构件的快速低成本、短周期、高性能制造；
26.2、本发明与传统钛合金构件制造相比，无需tc4铸锭的多次熔炼和开坯锻造，采用金属丝材熔化沉积成形技术实现tc4钛合金模锻毛坯件的近净成形，减少了制造工序，缩短了制造周期，降低了制造成本；
27.3、本发明相对于传统的钛合金熔炼工艺，采用tc4钛合金的等离子弧熔丝沉积成形制造过程中完成了对tc4钛合金的一次熔炼提纯，使得杂质元素得到进一步的减少；
28.4、本发明与现有的金属丝材熔化沉积成形相比，基于tc4等离子弧熔化沉积成形技术快速制备毛坯件，通过热变形处理和热处理技术相结合，粗大的晶粒得到了细化，显微组织得到了改善，使得tc4钛合金构件显微组织和力学性能均匀化。
附图说明
29.图1为本发明实施例1的tc4钛合金构件示意图；
30.图2为本发明实施例1制备的tc4钛合金毛坯件金相组织；
31.图3为本发明实施例1制备的tc4钛合金构件金相显微组织。
具体实施方式
32.下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
33.须知，本说明书附图所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容所能涵盖的范围内。
34.本发明公开了一种基于等离子弧熔丝沉积tc4钛合金构件的制造方法，由以下步骤组成：
35.步骤1：根据实际构件的重量和比例系数计算得到毛坯件重量。
36.步骤1中毛坯件重量的计算公式为：g＝η
·
g0，其中g为毛坯件重量，g0为实际构件重量，η为比例系数1.2～2.0。
37.步骤2：根据毛坯件重量称取同等重量的丝材，并将丝材采用等离子弧作为热源在氩气整体保护氛围中熔化。
38.步骤2中丝材由以下质量百分含量的成分组成：al：5.5～6.75％，v：3.5～4.5％，fe≤0.22％，c≤0.05％，n≤0.03％，h≤0.012％，y≤0.005％，o：0.1％～0.18％，余量为ti及其他杂质元素。
39.等离子弧在氩气整体保护氛围中熔丝沉积，等离子弧电流为150～220a，电压为9～15v，丝材直径为送丝速度为1.2～3.0m/min，进给速度为8～14mm/s，层厚1.0～3.0mm，氩气整体保护氛围中的氧含量≤50ppm。
40.步骤3：根据cad模型的二维截面路径在基板上逐层沉积得到毛坯件，并将毛坯件与基板分离，其中，毛坯件的原始β晶粒尺寸为1～40mm，毛坯件cad模型基于实际构件的三维逆向且单边增加1～3mm获得。
41.步骤4：对毛坯件外表面进行铣削加工，去除毛坯件表面的氧化皮、凹坑，使得毛坯件表面光洁、平整、无裂纹。
42.步骤5：在毛坯件表面涂覆玻璃润滑剂，防止毛坯件在变形过程中产生粘结，并减小摩擦。
43.步骤6：将加热后的毛坯件置于模具内进行第一次热变形处理得到一次变形件，使得毛坯件的原始β晶粒变形、破碎。
44.步骤7：将一次变形件置于加热炉中进行保温处理，使变形和破碎后的晶粒长大，以得到一致尺寸晶粒的一次变形件。
45.步骤8：将一致尺寸晶粒的一次变形件置于模具内进行第二次热变形处理得到二次变形件，使得一致尺寸晶粒的一次变形件的晶粒再次均匀破碎。
46.步骤9：对二次变形件进行退火处理，然后机械加工，去除表面氧化层、缺陷和余量，获得最终的钛合金构件。
47.实施例1
48.步骤1：依据tc4钛合金方形薄壁构件，壁厚δ＝3mm，单边长度l＝150mm，高度为h＝150mm，重量g0＝1.2kg设计金属熔丝沉积成形毛坯件的cad模型，取比例系数η＝2.5，毛坯件的重量g＝3.0kg。
49.步骤2：选取直径为的tc4钛合金丝材，化学成分为：al：6.15％，v：3.98％，fe：0.14％，c：0.008％，n：0.005％，h：0.0012％，y：0.002％，o：0.12％，采用高能束等离子弧，在氩气整体保护氛围下，氧含量为20ppm，对tc4钛合金丝材进行熔化。
50.步骤3：对毛坯件cad模型进行切片分层获得二维截面，并在二维截面上规划成形路径，依据规划的路径，采用高能束等离子弧，在氩气密闭舱内，对丝材进行熔化沉积，形成毛坯件的二维截面层，舱内氧含量为20ppm。重复的熔化tc4钛合金丝材进行逐层沉积，直至成形出三维的毛坯件，采用线切割将tc4钛合金毛坯件从基材上切割分离。
51.测量成形毛坯件的厚度为12mm，其构件底部、中部和顶部原始β晶粒平均尺寸分别为2mm、15mm、3mm。毛坯件金相组织如图2所示，原始β晶粒粗大，呈柱状，晶界清晰，晶粒内部混合网篮组织和魏氏组织。采用差热分析法获得(α+β)/β相变点为980℃～985℃。
52.步骤4：对毛坯件表面进行机加工，去除表面氧化层及凹坑等缺陷，表面平整，粗糙度为ra3.2。
53.步骤5：在毛坯件表面涂覆玻璃润滑剂。
54.步骤6：将加热的毛坯件锻坯件置于模具中进行第一次热变形，第一次变形后的一次变形件壁厚为6mm。
55.步骤601：将毛坯件在加热炉中升温至1050℃，保温30min。
56.步骤602：将加热后的毛坯件置于模具内进行第一次热变形处理，变形量为50％。
57.步骤7：将电加热炉内升温至980℃，然后将一次变形件置于炉内，保温300min。
58.步骤8：将一次变形件置于模具内进行第二次热变形，第二次热变形处理后的构件壁厚为4mm，变形量为33％。
59.步骤9：将二次变形后的构件置于780℃的加热炉内，进行再结晶退火，保温30min后空冷。
60.最后，机加工去除最终的钛合金构件表面氧化皮、凹坑等缺陷，获得最终tc4钛合金构件。
61.构件金相组织如图3所示，晶粒尺寸明显减小，呈等轴状，其横向和纵向力学性能如表1所示，抗拉强度和屈服强度分别降至2.4％和3.8％，延伸率均高于10％，构件的各项异形得到明显改善。
62.表1构件力学性能
63.[0064][0065]
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种基于等离子弧熔丝沉积tc4钛合金构件的制造方法，其特征在于，由以下步骤组成：步骤1：根据实际构件的重量和比例系数计算得到毛坯件重量，步骤2：根据毛坯件重量称取同等重量的丝材，并将丝材采用等离子弧作为热源在氩气整体保护氛围中熔化，步骤3：根据cad模型的二维截面路径在基板上逐层沉积得到毛坯件，并将毛坯件与基板分离，其中，所述毛坯件的原始β晶粒尺寸为1～40mm，步骤4：对毛坯件外表面进行铣削加工，去除毛坯件表面的氧化皮、凹坑，使得毛坯件表面光洁、平整、无裂纹，步骤5：在毛坯件表面涂覆玻璃润滑剂，防止毛坯件在变形过程中产生粘结，并减小摩擦，步骤6：将加热后的毛坯件置于模具内进行第一次热变形处理得到一次变形件，使得毛坯件的原始β晶粒变形、破碎，步骤7：将一次变形件置于加热炉中进行保温处理，使变形和破碎后的晶粒长大，以得到一致尺寸晶粒的一次变形件，步骤8：将一致尺寸晶粒的一次变形件置于模具内进行第二次热变形处理得到二次变形件，使得一致尺寸晶粒的一次变形件的晶粒再次均匀破碎，步骤9：对二次变形件进行退火处理，然后机械加工，去除表面氧化层、缺陷和余量，获得最终的钛合金构件。2.根据权利要求1所述的一种基于等离子弧熔丝沉积tc4钛合金构件的制造方法，其特征在于，步骤6中第一次热变形处理的方法由以下步骤组成：步骤601：将毛坯件在加热炉中升温至(α+β)/β相变点以上50～100℃，保温0.5～3h，所述(α+β)/β相变点由差热分析法获得，步骤602：将加热后的毛坯件置于模具内进行第一次热变形处理，变形量为40％～70％。3.根据权利要求1所述的一种基于等离子弧熔丝沉积tc4钛合金构件的制造方法，其特征在于，步骤2中丝材由以下质量百分含量的成分组成：al：5.5～6.75％，v：3.5～4.5％，fe≤0.22％，c≤0.05％，n≤0.03％，h≤0.012％，y≤0.005％，o：0.1％～0.18％，余量为ti及其他杂质元素。4.根据权利要求2所述的一种基于等离子弧熔丝沉积tc4钛合金构件的制造方法，其特征在于，步骤7中保温处理方法为：加热炉升温至(α+β)/β相变温度，保温3～40h。5.根据权利要求1所述的一种基于等离子弧熔丝沉积tc4钛合金构件的制造方法，其特征在于，步骤1中所述毛坯件重量的计算公式为：g＝η
·
g0，其中g为毛坯件重量，g0为实际构件重量，η为比例系数1.5～3.0。6.根据权利要求1-5任一所述的一种基于等离子弧熔丝沉积tc4钛合金构件的制造方法，其特征在于，步骤3中所述cad模型基于实际构件的三维逆向且单边增加1～3mm获得。7.根据权利要求1所述的一种基于等离子弧熔丝沉积tc4钛合金构件的制造方法，其特征在于，步骤8中第二次热变形处理的变形量为30％～50％。

技术总结
本发明公开了一种基于等离子弧熔丝沉积TC4钛合金构件的制造方法，由以下步骤组成：步骤1：计算得到毛坯件重量，步骤2：将丝材采用等离子弧作为热源在氩气整体保护氛围中熔化，步骤3：沉积得到毛坯件，步骤4：对毛坯件外表面进行铣削加工，步骤5：在毛坯件表面涂覆玻璃润滑剂，步骤6：进行第一次热变形处理得到一次变形件，步骤7：保温处理，步骤8：进行第二次热变形处理得到二次变形件，步骤9：对二次变形件进行退火处理；本发明通过等离子弧熔丝沉积成形制备TC4钛合金毛坯件，并经过两次热变形处理，反复破碎和细化晶粒，改善组织不均匀性和力学性能各向异性，实现TC4钛合金构件的快速低成本、短周期、高性能制造。高性能制造。高性能制造。


技术研发人员：贺智锋 赵婧 夏亚锋 罗艺琳 戴凯 陈肖 舒滢
受保护的技术使用者：西安秦钛思捷科技有限公司
技术研发日：2023.04.28
技术公布日：2023/8/1