一種大幅度提高鈦鋁合金表面硬度的激光熔凝工藝的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及到一種大幅度提高鈦鋁合金表面硬度的激光熔凝工藝，其特征在于包括下述步驟：在真空非自耗電弧爐中制備Al含量為46at％的Ti-Al合金，將配好的合金切割成20mm×7mm×2mm長方體試樣，樣品表面處理，設(shè)置激光束移動路徑及其實(shí)驗(yàn)參數(shù)，進(jìn)行激光熔凝。與現(xiàn)有技術(shù)相比本方法具有操作過程簡單快捷、加工效率高、處理方便，試樣變小形等的優(yōu)點(diǎn)，其同時又具有快速凝固的特點(diǎn)，能夠大幅度提高合金表面的硬度，從而增加合金表面的彈性變形抗力、塑性變形抗力等使其使用壽命增長。
【專利說明】一種大幅度提高鈦鋁合金表面硬度的激光熔凝工藝

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于金屬材料【技術(shù)領(lǐng)域】，具體是通過激光熔凝T1-Al合金，提高T1-Al合金的硬度。

【背景技術(shù)】
[0002]鈦鋁合金密度低、比強(qiáng)度高、比剛度高、耐熱性好，具有高的抗高溫蠕變性能和抗氧化能力，是綜合性能較好的輕質(zhì)高溫合金，因此成為輕質(zhì)合金中研究的重點(diǎn)。它在生產(chǎn)生活中的應(yīng)用主要在飛機(jī)發(fā)動機(jī)高壓壓氣機(jī)及低壓渦輪葉片等方面，同時也用于做大梁、起落架部件、隔征、壓縮機(jī)導(dǎo)風(fēng)葉輪、靜葉片等部件。
[0003]由于飛機(jī)的飛行高度和速度受到自身重量的影響，而高速的運(yùn)動又決定了飛機(jī)必須要同時具備質(zhì)量輕和堅(jiān)硬度高的特性，所以近年來該合金的研究主要集中在通過合金化以及快速凝固技術(shù)提高合金的硬度。T1-Al合金目前實(shí)際應(yīng)用的最大障礙一方面是該類合金的硬度不夠高，另一方面則是850°C以上的抗氧化性不足，制約了 T1-Al合金的應(yīng)用和推廣。因此，提高T1-Al合金的硬度具有很高的實(shí)用價值。
[0004]NASA報(bào)告指出，到2020年鈦鋁合金及其復(fù)合材料的用量在航空、航天發(fā)動機(jī)中將占有20%左右的份額。此外，鈦鋁合金在體育用品和日常消費(fèi)品領(lǐng)域(如高爾夫球棒、自行車或珠寶飾物等)中的需求量也越來越大，已經(jīng)成為人們?nèi)粘Ｉ钪械囊徊糠??？傊?，由于鈦鋁合金的優(yōu)良性能，其應(yīng)用和發(fā)展前景廣闊?，F(xiàn)在人們對影響T1-Al合金硬度的因素及如何影響了解的較少，在激光熔凝過程中，激光的功率和掃描速度會直接影響材料的微觀組織，從而改變材料的物理化學(xué)性能，因此本發(fā)明通過控制掃描速度制備出了表面硬度提高4-5倍的T1-Al合金。
[0005]發(fā)明目的
[0006]由于一般提高鈦鋁合金硬度的方法比較復(fù)雜、耗時，在應(yīng)用中受限制，本發(fā)明是針對其問題提出了更簡單有效地提高鈦鋁合金表面硬度的方法。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是針對現(xiàn)有技術(shù)的現(xiàn)狀提供一種操作簡單、效率高、工件變形小、表面無裂紋和氣孔、易于實(shí)現(xiàn)自動化控制并且能大幅度提高T1-Al合金表面硬度的激光熔凝工藝。
[0008]本發(fā)明是采用如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的:
[0009]①配置母合金:采用鈦(99.97% )和鋁(99.99% )在真空非自耗電弧爐中配為合金，控制其中的鋁為46at %，為了保證合金熔煉均勻，每個合金錠至少翻轉(zhuǎn)重熔4次。
[0010]②表面處理:把樣品用線切割方法切成20mmX7mmX2mm的長方體試樣，然后打磨至800#的金相砂紙，繼而在酒精中反復(fù)清洗，確保所有激光重熔表面都具有相同的狀況。
[0011]③激光熔凝前期準(zhǔn)備:把長方體的樣品放置加工平臺之上，并由兩端夾持裝置固定，然后移動工作臺使樣品加工的起點(diǎn)對準(zhǔn)激光器He-Ne準(zhǔn)直光斑。設(shè)定工作臺移動路徑，使激光按照所設(shè)定的路徑進(jìn)行掃描，移動只是單一方向。
[0012]④設(shè)置激光熔凝工藝參數(shù):室內(nèi)環(huán)境溫度為20°C，保護(hù)氣為高純氬氣，氣流為
5.0L/min，激光半徑為1mm、激光功率為300W，掃描速度分別為0.5mm/s和lmm/s。
[0013]以上所述的激光熔凝都是采用1000W Cff Nd =YAG大功率連續(xù)固體激光器。
[0014]有益效果
[0015]T1-Al合金因具有良好的低密度和耐熱性能在機(jī)動器械領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用，T1-Al合金的硬度成為限制其作為機(jī)械活動部位(如發(fā)動機(jī)葉片，壓氣機(jī)葉片，發(fā)動機(jī)排氣閥等)零部件材料的重要因素。在特定掃描速度下經(jīng)過激光熔凝后的T1-Al合金表面硬度顯著調(diào)高4-5倍，從而提高了試樣的強(qiáng)度和耐磨性等性能。此方法較之傳統(tǒng)方法可以提高生產(chǎn)效率，適合大規(guī)模生產(chǎn)。這為T1-Al合金在航天航空，汽車發(fā)動機(jī)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用提供了可倉泛。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0016]圖1為本發(fā)明實(shí)施例激光表面熔凝的加工示意圖
[0017]圖2為本發(fā)明實(shí)施例1、2和其合金未經(jīng)激光處理前的硬度測量值

【具體實(shí)施方式】
[0018]以下結(jié)合附圖施例對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述，但本發(fā)明絕非僅局限于實(shí)施例。激光掃描時工作狀態(tài)的的不意圖如圖1所不。圖1中，1:激光束，2:反光鏡，3:樣品，4:保護(hù)氣，5:加工臺，6:工作臺。T1-Al合金未處理前的硬度如圖2中的黑色空心點(diǎn)所示，大多集中在維氏硬度274.7Hv。
[0019]實(shí)施例1
[0020]①采用鈦(99.97% )和鋁(99.99% )在真空非自耗電弧爐中配為合金，控制其中的鋁為46at%，為了保證合金熔煉均勻，每個合金錠至少翻轉(zhuǎn)重熔4次。②把樣品用線切割方法切成20mmX 7mmX 2mm的長方體試樣，然后打磨至800#的金相砂紙，繼而在酒精中反復(fù)清洗，確保所有激光重熔表面都具有相同的狀況。③把長方體的樣品放置加工平臺之上，并由兩端夾持裝置固定，然后移動工作臺使樣品加工的起點(diǎn)對準(zhǔn)激光器He-Ne準(zhǔn)直光斑。設(shè)定工作臺移動路徑，使激光按照所設(shè)定的路徑進(jìn)行掃描，移動只是單一方向。④進(jìn)行激光熔凝實(shí)驗(yàn)，具體參數(shù):室內(nèi)環(huán)境溫度為20°C，保護(hù)氣為高純氬氣，氣流為5.0L/min，激光半徑為1mm、激光功率為300W，掃描速率為0.5mm/s。⑤采用維氏硬度計(jì)測量激光掃過的熔池的硬度如圖2中的實(shí)心菱形點(diǎn)所示。
[0021]實(shí)施例2
[0022]①采用鈦(99.97% )和鋁(99.99% )在真空非自耗電弧爐中配為合金，控制其中的鋁為46at%，為了保證合金熔煉均勻，每個合金錠至少翻轉(zhuǎn)重熔4次。②把樣品用線切割方法切成20mmX 7mmX 2mm的長方體試樣，然后打磨至800#的金相砂紙，繼而在酒精中反復(fù)清洗，確保所有激光重熔表面都具有相同的狀況。③把長方體的樣品放置加工平臺之上，并由兩端夾持裝置固定，然后移動工作臺使樣品加工的起點(diǎn)對準(zhǔn)激光器He-Ne準(zhǔn)直光斑。設(shè)定工作臺移動路徑，使激光按照所設(shè)定的路徑進(jìn)行掃描，移動只是單一方向。④進(jìn)行激光熔凝實(shí)驗(yàn)，具體參數(shù):室內(nèi)環(huán)境溫度為20°C，保護(hù)氣為高純氬氣，氣流為5.0L/min，激光半徑為1mm、激光功率為300W，掃描速率為lmm/s。⑤采用維氏硬度計(jì)測量激光掃過的熔池的硬度如圖2中的實(shí)心正方形點(diǎn)所示。
[0023]產(chǎn)業(yè)上應(yīng)用的可能性:
[0024]本發(fā)明具有過程簡單、處理方便、成形快捷的優(yōu)點(diǎn)，且大幅度的提高了合金表面的硬度，可以廣泛的應(yīng)用在高硬度的抵抗彈性變形、塑性變形的合金材料領(lǐng)域。
【權(quán)利要求】
1.一種大幅度提高鈦鋁合金表面硬度的激光熔凝工藝，其特征在于步驟如下: 步驟1:采用鈦(99.97% )和鋁(99.99% )在真空非自耗電弧爐中配為合金，控制其中的Al為46at%，翻轉(zhuǎn)重熔至少四次； 步驟2:把合金樣品表放置面打磨平整至800#的金相砂紙，繼而在酒精中反復(fù)清洗，確保所有激光重熔表面都具有相同的狀況； 步驟3:把合金樣品放置于加工平臺之上，兩端夾持固定，然后移動工作臺使樣品加工的起點(diǎn)對準(zhǔn)激光器He-Ne準(zhǔn)直光斑，設(shè)定工作臺移動路徑，使激光按照所設(shè)定的路徑進(jìn)行掃描，移動只是單一方向； 步驟4:設(shè)置室內(nèi)環(huán)境溫度為20°C，保護(hù)氣為高純氬氣，氣流為5.0L/min，激光半徑為1mm、激光功率為300W。進(jìn)行掃描，掃描速率分別為0.5mm/s和lmm/s。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的大幅度提高T1-Al合金表面硬度的激光熔凝工藝，其特征在于:合金成分為T1-46at%Al，所述激光熔凝是采用1000W Cff Nd:YAG大功率連續(xù)固體激光器，實(shí)驗(yàn)過程中功率為300W。
【文檔編號】C22F3/00GK104233144SQ201410333129
【公開日】2014年12月24日 申請日期:2014年7月10日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月10日
【發(fā)明者】姚文靜, 張鳳杰, 武小昭, 王楠 申請人:西北工業(yè)大學(xué)