钛/铝异质金属构件及其激光增材制造方法

技术领域

本发明涉及激光增材制造技术领域，具体涉及一种钛/铝异质金属构件及其激光增材制造方法。

背景技术

在航空航天产品领域，结构轻量化、结构功能一体化和低成本设计的需求越来越迫切，综合利用不同材料的性能优势，将具有不同特性的材料组合在一起使用越来越受到重视。钛合金比强度高，耐磨性好，具有良好的综合力学性能，但价格相对较贵，而铝合金密度小、抗蚀性好，价格相对较低廉，将这两种材料连接起来构成复合构件可以最大限度发挥两种材料的优势，达到材料使用性能和经济效益的平衡。

但是，由于钛、铝合金的物理化学性质具有较大差异，导致钛合金与铝合金的连接比较困难。目前Ti/Al异种金属的连接方法主要有焊接、铆接、压铸等方面，但由于工艺特性的约束，现有连接方法的应用受到极大的限制。在钛合金和铝合金异种金属焊接的过程中，两者结合界面极易形成Ti

选区激光熔化成形(Selective Laser Melting，SLM)技术是一种高精度的金属增材制造方法，该技术基于增材制造的基本思想，即分层制造、逐层叠加的制造方式，打印出的样品表面光滑、结构精细。然而，传统的SLM技术普遍仅能制造单一金属材料组成的零件，难以打印由多种材料组成的零件。尤其是目前尚难以采用SLM方法制备性能优良的钛/铝异质金属构件。

发明内容

为了克服现有技术中的不足，本发明的主要目的在于提供一种钛/铝异质金属构件及其激光增材制造方法，采用该钛/铝异质金属构件激光增材制造方法可以减少Ti

为了实现上述目的，根据本发明的第一方面，提供了一种钛/铝异质金属构件激光增材制造方法。

该钛/铝异质金属构件激光增材制造方法包括以下步骤：

采用选区激光熔化成形法制备钛合金工件；

对所述钛合金工件进行渗铌处理，以在所述钛合金工件的表面形成铌过渡层；

采用选区激光熔化成形法在所述铌过渡层上沉积铝合金，制得钛/铝异质金属构件。

进一步的，所述渗铌处理采用铌粉浆渗铌法、硼砂盐浴渗铌法或双辉等离子渗铌法；其中，

所述铌粉浆渗铌法包括：

在所述钛合金工件的表面形成铌粉浆层；

对带有所述铌粉浆层的所述钛合金工件进行加热处理，以在所述钛合金工件的表面形成铌过渡层；

优选的，在所述钛合金工件的表面喷涂或刷涂铌粉浆，以形成所述铌粉浆层；

优选的，所述铌粉浆层的厚度为0.1～1mm。

进一步的，所述硼砂盐浴渗铌法包括：

将所述钛合金工件浸没在盐浴渗铌剂中，加热至900～1100℃，保温4～8h后随炉冷却至室温，以在所述钛合金工件的表面形成铌过渡层；

优选的，所述盐浴渗铌剂采用80～95％无水硼砂、4～10％铌粉和1～5％铝粉形成。

进一步的，所述双辉等离子渗铌法的工艺参数为：源极电压600V、阴极电压300V、气压50Pa、极间距16mm，加热温度1000℃，保温3h后通入氩气冷却1h，然后抽到极限真空，随炉冷却至室温，以在所述钛合金工件的表面形成铌过渡层。

进一步的，所述渗铌处理还包括：

在进行渗铌操作前对所述钛合金工件的表面进行打磨处理；以及

形成铌过渡层后对所述铌过渡层进行打磨处理；

优选的，对所述钛合金工件的表面进行打磨至粗糙度Ra≤6.3μm；

优选的，对所述铌过渡层进行打磨至粗糙度Ra≤6.3μm。

进一步的，所述加热温度为1000～1500℃，时间为15～60min；

优选的，加热温度为1300～1500℃，时间为20～30min。

进一步的，所述钛合金工件的制备工艺参数为：

预热温度为150～200℃，激光功率为200～400W，扫描速度为1000～2000mm/s，扫描间距为0.10～0.20mm。

进一步的，在所述铌过渡层上沉积铝合金的工艺参数为：

预热温度150～200℃，激光功率200～400W，扫描速度1000～2000mm/s，扫描间距0.10～0.20mm。

进一步的，还包括以下步骤：

在进行渗铌处理前，对所述钛合金工件进行去应力退火处理；以及

对制得的所述钛/铝异质金属构件进行去应力退火处理；

优选的，所述去应力退火处理的工艺条件均为：温度为400～600℃，保温1～4h，随炉冷却。

为了实现上述目的，根据本发明的第二方面，提供了一种钛/铝异质金属构件。

该钛/铝异质金属构件是采用上述的钛/铝异质金属构件激光增材制造方法制备得到。

本发明的优势：

1、本发明中通过在钛合金与铝合金界面之间形成铌过渡层，限制了钛和铝之间的反应，并充当有效的中间层扩散屏障，阻碍了钛与铝的扩散，以推迟脆性Al

2、本发明可以有效避免在增材制造钛/铝异质金属界面结合处生成的Ti

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：

图1为本发明提供的实施例中钛/铝异质金属构件激光增材制造方法的流程图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施方式。虽然附图中显示了本公开的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。

激光增材制造技术通过材料逐层添加实现三维制造的特点决定了其具有无模具自由造型、多材料异质集成等优势，是可实现兼顾精度和形状复杂度的新型加工方法。激光增材制造钛合金、铝合金构件兼具成本低、周期短、性能高等优势，近年来已得到了较广泛的应用，但目前尚难以利用激光金属增材制造方法制备性能优良的钛/铝异种金属构件。

本发明中先利用激光增材制造技术制备钛合金工件，然后针对该钛合金工件进行渗铌处理，以在钛合金工件的表面形成铌过渡层，之后再在铌过渡层上激光增材制造铝合金，由此制得性能优良的钛/铝异种金属构件。

图1示出了本发明实施例中钛/铝异质金属构件激光增材制造方法的流程图。

如图1所示，本发明中钛/铝异质金属构件激光增材制造方法包括以下步骤：

步骤1、采用选区激光熔化成形法制备钛合金工件。

在本发明的实施例中，向SLM激光打印机的控制单元导入预设的工件模型，以钛合金粉末为原料，在基板上进行激光增材制造，得到钛合金工件。

在本发明的实施例中，钛合金工件的制备工艺参数为：预热温度为150～200℃，激光功率为200～400W，扫描速度为1000～2000mm/s，扫描间距为0.10～0.20mm。

作为本发明的一种实施方式，可以以3D打印专用TC4粉末为原料，并在TC4基板上采用成熟的SLM工艺参数进行激光增材制造，得到TC4工件。

需要说明的是，钛合金工件制备完成后清理打印机中的剩余粉末。

步骤2、对步骤1中制得的钛合金工件放入真空热处理炉中进行去应力退火处理。

在本发明的实施例中，去应力退火处理的工艺条件均为：温度为400～600℃，保温1～4h，随炉冷却。

步骤3、对钛合金工件进行渗铌处理，以在钛合金工件的表面形成铌过渡层，获得渗铌的钛合金工件。

其中，渗铌处理可以采用铌粉浆渗铌法、硼砂盐浴渗铌法或双辉等离子渗铌法。

作为本发明的一种实施方式，铌粉浆渗铌法具体包括：

步骤3-1、对钛合金工件的表面进行打磨处理。

在本发明的实施例中，对钛合金工件的表面进行打磨至粗糙度Ra≤6.3μm。

步骤3-2、在钛合金工件的表面形成铌粉浆层。

在本发明的实施例中，在钛合金工件的表面喷涂或刷涂铌粉浆，以形成铌粉浆层。

作为本发明的一种实施方式，铌粉浆采用铌粉、聚乙烯醇和酒精混合得到。

例如，在铌粉中加入少量的聚乙烯醇和酒精混合调成浆状，刷涂到TC4工件的表面，自然晾干。

在本发明的实施例中，铌粉浆层的厚度可以为0.1～1mm。

当然，铌粉浆层的厚度还可以根据实际需要进行调整，以实现所需要结合强度。

值得一提的是，铌粉浆中铌粉、聚乙烯醇和酒精的组分配比可以根据实际需要进行调配，不作具体限定。

步骤3-3、将带有铌粉浆层的钛合金工件放入真空热处理炉进行加热处理，以在钛合金工件的表面形成铌过渡层。

在本发明的实施例中，将涂覆铌粉浆层的钛合金工件，如TC4工件置于真空热处理炉中加热，进行渗铌处理，得到渗铌的钛合金工件，即钛合金工件的表面覆盖有铌过渡层。

在本发明的实施例中，加热温度可以为1000～1500℃，时间可以为15～60min。

作为本发明的一种实施方式，加热温度为1300～1500℃，时间为20～30min。

步骤3-4、对铌过渡层进行打磨处理，以清理去除表面残余的铌粉，并打磨平整。

在本发明的实施例中，对铌过渡层进行打磨至粗糙度Ra≤6.3μm。

需要说明的是，可以采用砂纸进行打磨处理，操作方便。

作为本发明的另一种实施方式，采用硼砂盐浴渗铌法，以在钛合金工件表面形成铌过渡层，获得渗铌的钛合金工件。

硼砂盐浴渗铌法具体包括：

步骤3-1、对钛合金工件的表面进行打磨处理。

在本发明的实施例中，对钛合金工件的表面进行打磨至粗糙度Ra≤6.3μm。

步骤3-2、采用80～95％无水硼砂、4～10％铌粉(纯度＞98％)和1～5％铝粉作为盐浴渗铌剂，将钛合金工件，如TC4工件浸没在盐浴渗铌剂中，在900～1100℃下保温4～8h后随炉冷却至室温，在钛合金工件表面形成铌过渡层。

步骤3-3、对铌过渡层进行打磨处理，以清理去除表面残余的铌粉，并打磨平整。

在本发明的实施例中，对铌过渡层进行打磨至粗糙度Ra≤6.3μm。

作为本发明的另一种实施方式，采用双辉等离子渗铌法，以在钛合金工件表面形成铌过渡层，获得渗铌的钛合金工件。

其中，双辉等离子渗铌法即利用双层辉光放电所形成的氩离子，轰击源极材料，从而获得欲渗元素的活性原子，经沉积和扩散而使工件表面形成满足用途的合金层。

步骤3-1、对钛合金工件的表面进行打磨处理。

在本发明的实施例中，对钛合金工件的表面进行打磨至粗糙度Ra≤6.3μm。

步骤3-2、以纯铌金属为源极材料，双辉等离子渗铌法的工艺参数为：源极电压600～500V、阴极电压400～200V、气压50～65Pa、极间距15～20mm、温度900～1000℃、保温时间3～5h、预轰击时间30～60min。

步骤3-3、对铌过渡层进行打磨处理，以清理去除表面残余的铌粉，并打磨平整。

在本发明的实施例中，对铌过渡层进行打磨至粗糙度Ra≤6.3μm。

步骤4、采用选区激光熔化成形法在铌过渡层上沉积铝合金，制得钛/铝异质金属构件。

在本发明的实施例中，将经渗铌处理后的钛合金工件重新装回SLM激光打印机中，重新装填及铺平3D打印专用铝合金粉末，采用成熟的激光增材制造工艺参数沉积铝合金工件，最终得到由激光增材制造的钛/铝异质金属构件。

作为本发明的一种实施方式，采用AlSi10Mg铝合金粉末，在TC4工件上沉积铝合金工件，最终得到由激光增材制造的TC4/AlSi10Mg复合结构构件。

在本发明的实施例中，在铌过渡层上沉积铝合金的工艺参数为：预热温度150～200℃，激光功率200～400W，扫描速度1000～2000mm/s，扫描间距0.10～0.20mm。

步骤5、打印完成后，清理粉末，取出基板和钛/铝异质金属构件后，以线切割方式将两者分离，获得钛/铝异质金属构件。

步骤6、对制得的钛/铝异质金属构件在真空热处理炉中进行去应力退火处理。

在本发明的实施例中，去应力退火处理的工艺条件均为：温度为400～600℃，保温1～4h，随炉冷却。

根据本发明中的具体实施方式，还提供了一种钛/铝异质金属构件。

本发明中的钛/铝异质金属构件由于是采用上述的钛/铝异质金属构件激光增材制造方法制备，能够降低结合面脆性相，如Ti

以下将通过具体实施例对本发明中的钛/铝异质金属构件激光增材制造方法进行详细说明。

实施例1：

20mm×20mm×20mm TC4/AlSi10Mg异质金属构件的激光增材制造，具体步骤如下：

步骤1：向SLM激光打印机的控制单元导入预设的TC4工件模型，使用3D打印专用TC4粉末为原料，在TC4基板上采用成熟的SLM工艺参数沉积20mm×20mm×10mm尺寸的TC4工件，然后将3D打印得到的TC4工件从3D打印机中移出，并清理打印机中的剩余粉末。

所采用SLM工艺参数为：预热温度200℃，激光功率340W，扫描速度1200mm/s，铺粉层厚为30μm，扫描间距0.12mm。

步骤2：在真空热处理炉中对TC4工件进行500℃保温2h的去应力退火处理。

步骤3：用砂纸将TC4工件表面打磨至粗糙度Ra≤6.3μm。

步骤4：在铌粉中加入少量的聚乙烯醇和酒精混合调成浆状，刷涂到TC4工件的表面，形成铌粉浆层，自然晾干。

步骤5：将涂覆铌粉浆层后的TC4工件置于真空热处理炉中加热到1300℃，加热30min，进行渗铌处理，得到渗铌的TC4工件，TC4工件表面具有铌过渡层。

步骤6：用砂纸清理去除渗铌处理后TC4工件表面残余的铌粉，并打磨至粗糙度Ra≤6.3μm。

步骤7：将经过渗铌处理后的TC4工件重新装回3D打印机中，再次装填及铺平AlSi10Mg铝合金粉末，向SLM激光打印机的控制单元导入预设的铝合金工件模型，在渗铌处理后的TC4工件上继续沉积20mm×20mm×10mm尺寸的AlSi10Mg铝合金构件。

采用的SLM工艺参数：预热温度200℃，激光功率320W，扫描速度1700mm/s，铺粉层厚为30μm，扫描间距0.12mm。

步骤8：打印完成后，清理粉末，取出基板和复合构件后以线切割方式将两者分离。

步骤9：将打印完成的复合结构构件放入真空热处理炉中于500℃中保温2小时后随炉冷却至室温。

实施例2：

20mm×20mm×20mm TC4/AlSi10Mg异质金属构件的激光增材制造，具体步骤如下：

步骤1：向SLM激光打印机的控制单元导入预设的TC4工件模型，使用3D打印专用TC4粉末为原料，在TC4基板上采用成熟的SLM工艺参数沉积20mm×20mm×10mm尺寸的TC4工件，然后将3D打印得到的TC4工件从3D打印机中移出，并清理打印机中的剩余粉末。

所采用SLM工艺参数为：预热温度200℃，激光功率340W，扫描速度1200mm/s，铺粉层厚为30μm，扫描间距0.12mm。

步骤2：在真空热处理炉中对TC4工件进行500℃保温2h的去应力退火处理。

步骤3：用砂纸将TC4工件表面打磨至粗糙度Ra≤6.3μm。

步骤4：采用90％无水硼砂+8％铌粉(纯度＞98％)+2％铝粉作为盐浴渗铌剂，将TC4工件浸没在盐浴渗铌剂中，加热到1000℃，加热5h后随炉冷却至室温，得到表面渗铌的TC4工件。

步骤5：用砂纸清理去除渗铌处理后TC4工件表面残余的铌粉，并打磨至粗糙度Ra≤6.3μm。

步骤6：将经过渗铌处理后的TC4工件重新装回3D打印机中，再次装填及铺平AlSi10Mg铝合金粉末，向SLM激光打印机的控制单元导入预设的铝合金工件模型，在渗铌处理后的TC4工件上继续沉积20mm×20mm×10mm尺寸的AlSi10Mg铝合金构件。

采用的SLM工艺参数：预热温度200℃，激光功率320W，扫描速度1700mm/s，铺粉层厚为30μm，扫描间距0.12mm。

步骤7：打印完成后，清理粉末，取出基板和复合构件后以线切割方式将两者分离。

步骤8：将打印完成的复合结构构件放入真空热处理炉中于500℃中保温2小时后随炉冷却至室温。

实施例3：

20mm×20mm×20mm TC4/AlSi10Mg异质金属构件的激光增材制造，具体步骤如下：

步骤1：向SLM激光打印机的控制单元导入预设的TC4工件模型，使用3D打印专用TC4粉末为原料，在TC4基板上采用成熟的SLM工艺参数沉积20mm×20mm×10mm尺寸的TC4工件，然后将3D打印得到的TC4工件从3D打印机中移出，并清理打印机中的剩余粉末。

所采用SLM工艺参数为：预热温度200℃，激光功率340W，扫描速度1200mm/s，铺粉层厚为30μm，扫描间距0.12mm。

步骤2：在真空热处理炉中对TC4工件进行500℃保温2h的去应力退火处理。

步骤3：用砂纸将TC4工件表面打磨至粗糙度Ra≤6.3μm。

步骤4：将经步骤3处理的TC4工件置于双辉渗金属处理设备中，抽至极限真空度，通入氩气起辉，预轰击TC4工件表面0.5h。调整工艺参数，选择源极电压600V、阴极电压300V、气压50Pa、极间距16mm，加热温度1000℃，保温3h后通入氩气冷却1h，然后将炉内抽到极限真空，随炉冷却至室温，得到表面渗铌的TC4工件。

步骤5：将经过渗铌处理后的TC4工件重新装回3D打印机中，再次装填及铺平AlSi10Mg铝合金粉末，向SLM激光打印机的控制单元导入预设的铝合金工件模型，在渗铌处理后的TC4工件上继续沉积20mm×20mm×10mm尺寸的AlSi10Mg铝合金构件。

采用的SLM工艺参数：预热温度200℃，激光功率320W，扫描速度1700mm/s，铺粉层厚为30μm，扫描间距0.12mm。

步骤6：打印完成后，清理粉末，取出基板和复合构件后以线切割方式将两者分离。

步骤7：将打印完成的复合结构构件放入真空热处理炉中于500℃中保温2小时后随炉冷却至室温。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书中的术语“包括”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列部件不必限于清楚地列出的那些部件，而是可包括没有清楚地列出的或对于部件固有的其它部件。

在本发明中，术语“上”、“下”、“底”、“顶”、“左”、“右”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系。这些术语主要是为了更好地描述本发明及其实施例，并非用于限定所指示的装置、元件或者组成部分必须具有特定方位，或以特定方位进行构造和操作。

并且，上述部分术语除了可以用于表示方位或者位置关系以外，还可能用于表示其他含义，例如术语“上”在某些情况下也可能用于表示某种依附关系或者连接关系。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解这些术语在本发明中的具体含义。

另外，本发明中涉及的“第一”、“第二”等的描述，该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。

另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。