一种增材制造铝/钛异种合金构件的热处理方法

技术领域

本发明属于金属热处理技术领域，涉及一种增材制造铝/钛异种合金构件的热处理方法。

背景技术

随着工业现代化进程的不断提高，对材料的使用性能和力学性能提出了越来越高的要求，单一零件材料的性能越来越难以满足应用要求。对于异种材料结合，一般要求材料具有多环境适应以及满足经济效益的要求，然而目前对不同材料结合的反应层组织、力学性能仍然研究较少。

铝合金和钛合金都具有密度轻、比强度高(钛合金的强度接近中强钢)、耐蚀性能及高温性能好等优点。将钛合金和铝合金两种材料进行一体化结构设计，可根据结构不同部位的受力状态和使用功能进行材料合理布局，充分发挥各自的材料优势，可减轻重量，降低成本，提高强度、耐腐蚀性和高温性能，达到材料使用性能和经济效益的平衡。目前，将钛合金和铝合金两种材料进行一体化结构设计已经应用于飞机机翼、座椅轨道等领域。然而，由于钛、铝合金二者之间的热物性参数相差过大，增材制造过程中激光的热影响，会导致基板与粉体反应层区存在大量的残余应力，同时会产生脆性金属间化合物，这种由脆性金属间化合物和残余应力等问题会引发工程组件变形、断裂、时效等情况，严重限制了铝/钛异种合金增材制造件的工程化应用。

为了改善铝/钛合金增材的连接接口处金属间化合物物化性质，增强力学性能，以便拓宽其应用领域，就需要消除增材制造铝/钛异质合金构件的残余应力。

本发明的目的就是研发一种解决铝/钛异种合金构件力学性能、调节连接接口处金属间化合物的物相组成的工艺方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种增材制造铝/钛异种合金构件热处理方法，以便达到改善铝/钛合金增材的连接接口处金属间化合物物化性质，增强力学性能的目的。

本发明的发明思路是：对铝/钛异种合金接头先进行固溶处理，利用热处理施加的热量，反应层中元素在外界热输入的作用下发生相应的扩散行为，从而消除脆性金属间化合物，再进行人工时效处理，减少铝/钛接头的残余应力，并且改善因为固溶处理造成的性能降低。

为解决上述技术问题，本发明提供的技术方案为：

一种增材制造铝/钛异种合金构件热处理方法，其步骤为：

（1）钛合金基板用钢丝刷打磨及金属清洗剂除油处理，增材制造用铝合金粉末烘干处理；

（2）通过激光粉末床熔融方法在处理后的钛合金基板上成形铝合金构件，通过线切割得到铝/钛合金异种材料构件，对构件使用钢丝刷打磨及金属清洗剂除油处理；

（3）将铝/钛合金异种材料构件放入箱式电热炉内进行固溶处理，室温淬火,通过热输入使接口处元素扩散引起金属间化合物相的变化；

（4）将铝/钛合金异种材料构件在箱式电热炉内进行人工时效处理，室温空冷，铝合金析出Mg

进一步地，所述的钛合金基板为Ti-6Al-4V材料、所述的铝合金粉末为Al-Si10-Mg材料。

所述的激光粉末床熔融方法的基板预热温度为145-155℃，激光光斑直径为0.06-0.08mm，层厚为0.02-04mm，激光功率为150W，扫描速度为1250-1350mm/s，扫描间距为90μm,扫描方向与上一层扫描方向顺时针旋转65-68°，优选预热温度为150℃，激光光斑直径为0.07mm，层厚为0.03mm，激光功率为150W，扫描速度为1300mm/s，扫描间距为90μm ,扫描方向与上一层扫描方向顺时针旋转67°。Al-Si10-Mg粉末作为目前应用十分成熟的一种增材制造用金属粉末，经过大量的试验表明，AlSi10Mg在通过粉末床融技术增材制造时，扫描方向每层改变67°是性能最优的扫描策略。

所述固溶处理时，箱式电炉中温度设置加热速度10℃/min，加热至510～530℃，保温2～4h，室温水淬；固溶处理带来的热输入导致铝/钛异种合金的反应层中元素发生相应扩散行为，元素含量的改变引起金属间化合物物相的变化，即热输入引起的元素扩散由TiAl

所述人工时效处理时，箱式电炉中温度设置加热速度10℃/min，加热至160～180℃，保温6～10h，室温空冷，人工时效处理减少了由激光和固溶处理引起的残余应力，同时析出Mg

将经上述方法获得的铝/钛合金异种材料构件进行拉伸试验，拉伸测试结果显示，热处理前后，延伸率基本不变，抗拉强度由160～170MPa提高至250～260MPa，抗拉性能约提高53～56%。

本发明的有益效果如下：

经本发明方法处理的铝合金/钛合金异种材料构件，在维持一定强度以及良好的尺寸稳定性的基础上，减少脆性金属间化合物，可显著改善铝/钛接头反应层组织的质量，减少铝/钛接头的残余应力，并且改善因为固溶处理对铝合金部分造成的性能损伤。

附图说明

图1为实施例1、2的Al/Ti异种合金构件实物图；

图2为实施例1、2的Al/Ti异种合金构件取拉伸试样位置图；

图3为实施例1、2的Al/Ti异种合金构件拉伸试样规格图；

图4为实施例1、2的Al/Ti异种合金构件拉伸试样拉伸测试结果；

图5为实施例1的Al/Ti异种合金IMC层SEM图；

图6为实施例1的Al/Ti异种合金IMC层热处理后的SEM图；

图7为实施例2的Al/Ti异种合金IMC层热处理后的SEM图。

实施方式

下面结合实施例对本发明的方法予以进一步地说明，但并不因此而限制本发明。

实施例

一种增材制造铝/钛异种合金构件热处理方法，步骤为：

（1）TC4基板用钢丝刷打磨及金属清洗剂除油处理，增材制造用Al-Si10-Mg粉末烘干处理；

（2）通过激光粉末床熔融技术在处理后的TC4基板上成形上部分铝合金构件，其中TC4基板预热温度为150℃，激光光斑直径为0.07mm，层厚为0.03mm，激光功率为150W，扫描速度为1300mm/s，扫描间距为90μm ,扫描方向与上一层扫描方向顺时针旋转67°，并且通过线切割获得铝/钛合金异种材料构件，对构件使用钢丝刷打磨及金属清洗剂除油处理；

（3）铝/钛合金异种材料构件放入箱式电热炉内进行固溶处理，箱式电炉中温度设置加热速度10℃/min，加热至520℃，保温2h，室温水淬；

（4）铝/钛合金异种材料构件在箱式电热炉内进行人工时效处理，箱式电炉中温度设置加热速度10℃/min，加热至160℃，保温8h，室温空冷。

将利用上述方法得到的Al/Ti异种合金构件拍摄实物图，如图1所示，拉伸试样位置图和拉伸试样规格图如图2和3所示，通过对铝合金/钛合金异种材料构件进行线切割取拉伸试样，拉伸测试结果如图4显示，热处理前后，延伸率基本不变，抗拉强度由170MPa提高至230MPa，抗拉性能提高35.3%；其中原始构件的IMC层SEM图和IMC层热处理后的SEM图分别如图5和6所示，IMC层的厚度减少，热热处理前后IMC层物相变化如表1所示，从表1可以看出，在热处理前后IMC层物相发生了变化由TiAl

表1

实施例

一种铝合金/钛合金异种材料构件的热处理方法，其步骤为：

（1）TC4基板用钢丝刷打磨及金属清洗剂除油处理，增材制造用Al-Si10-Mg粉末烘干处理；

（2）通过激光粉末床熔融技术在处理后的TC4基板上成形上部分铝合金构件，并且通过线切割获得得到铝合金/钛合金异种材料构件。对构件使用钢丝刷打磨及金属清洗剂除油处理；

（3）铝合金/钛合金异种材料构件放入箱式电热处理炉内进行固溶处理，箱式电炉中温度设置加热速度10℃/min，加热至530℃，保温4h，室温水淬；

（4）铝合金/钛合金异种材料构件在箱式电热处理炉内进行人工时效处理，箱式电炉中温度设置加热速度10℃/min，加热至180℃，保温6h，室温空冷。

通过对铝合金/钛合金异种材料构件进行线切割取拉伸试样，拉伸测试结果显示，热处理前后，延伸率基本不变，抗拉强度由166MPa提高至221MPa，抗拉性能提高将近33%。其中原始构件的IMC层SEM图和IMC层热处理后的SEM图分别如图5和7所示，IMC层的厚度减少，热处理前后IMC层物相变化如表1所示。

本领域普通技术人员可以理解,以上所述仅为发明的优选实例而已,并不用于限制发明,尽管参照前述实例对发明进行了详细的说明,对于本领域的技术人员来说,其依然可以对前述各实例记载的技术方案进行修改,或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在发明的精神和原则之内,所做的修改、等同替换等均应包含在发明的保护范围之内。