本發(fā)明屬于金屬材料領(lǐng)域，提供了適合3D打印金屬粉末激光熔覆制造Ti-6Al-4V結(jié)構(gòu)件的熱處理工藝。

背景技術(shù)：

在組織結(jié)構(gòu)為α+β相的鈦合金Ti-6Al-4V是一種廣泛應(yīng)用于航空、航天、造船等領(lǐng)域的金屬結(jié)構(gòu)材料。該結(jié)構(gòu)材料利用傳統(tǒng)的鍛造工藝涉及一系列的熱加工過程，耗時且由于較大的原材料損耗造成較高的生產(chǎn)成本。增材制造技術(shù)，即3D打印金屬粉末激光熔覆制造技術(shù)可以實現(xiàn)Ti-6Al-4V結(jié)構(gòu)件通過預(yù)先設(shè)定的形狀實現(xiàn)逐層材料融化堆積，實現(xiàn)近終型制造。相比較傳統(tǒng)制造工藝，其具有成本優(yōu)勢以及快速制造復(fù)雜形狀結(jié)構(gòu)件的能力，得到航空航天等工業(yè)部門的青睞。

鈦合金Ti-6Al-4V的力學(xué)性能與合金的微觀組織有密切關(guān)系，然而組織結(jié)構(gòu)中各微觀組織相的面積比、尺寸、分布以及形貌與結(jié)構(gòu)件成型后的熱處理工藝有密切關(guān)系，退火以及回火溫度以及熱處理時間均影響合金微觀組織結(jié)構(gòu)，進(jìn)而影響合金最終的力學(xué)性能。目前有大量研究報道傳統(tǒng)鍛造工藝過程中鈦合金Ti-6Al-4V熱處理工藝對微觀組織以及力學(xué)性能的影響，較少報道3D打印激光熔覆制造后熱處理工藝對結(jié)構(gòu)微觀組織結(jié)構(gòu)以及力學(xué)性能的影響。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供一種Ti-6Al-4V合金粉末在數(shù)字化激光熔覆制造后處理環(huán)節(jié)中的熱處理工藝，進(jìn)而得到最佳的微觀組織結(jié)構(gòu)以及力學(xué)性能。3D打印使用5kw -10 kw 的CO2激光熔覆制造系統(tǒng)，激光束的直徑為3mm-5mm，激光束的移動速度為500mm/min-800mm/min，粉末的運(yùn)動速率為500g/小時-800g/小時。完成3D打印環(huán)節(jié)制成結(jié)構(gòu)件后，熱處理工藝流程為先在950℃與1000℃溫度區(qū)間進(jìn)行退火，退火時間為30分鐘至2個小時，然后空冷，然后在550℃與700℃溫度區(qū)間回火，回火時間為1小時至4小時。

首先是退火溫度對微觀結(jié)構(gòu)的影響。950℃與1000℃退火溫度區(qū)間選擇3個退火溫度分別為955℃、970℃和995℃，隨著退火溫度升高，片狀α結(jié)構(gòu)向晶片狀β結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變的數(shù)量增加，片狀α結(jié)構(gòu)的面積與退火溫度密切相關(guān)，當(dāng)退火溫度從955℃升溫到995℃時，片狀α結(jié)構(gòu)的面積急劇減少。

其次是退火時間對微觀組織結(jié)構(gòu)的影響。隨著退火時間從30分鐘增加到60分鐘，片狀α結(jié)構(gòu)的面積分?jǐn)?shù)從34%減少到25%，此外，退火時間對片狀α結(jié)構(gòu)的形貌也有一定影響，片狀α結(jié)構(gòu)的寬度與退火時間沒有明顯的相關(guān)關(guān)系，相對短的退火時間不會對片狀α結(jié)構(gòu)發(fā)生晶粒粗化現(xiàn)象，α結(jié)構(gòu)的長度卻從9μm下降到6μm左右。

然后回火溫度對微觀組織結(jié)構(gòu)的影響。一般選擇550℃至700℃溫度區(qū)間進(jìn)行回火熱處理，當(dāng)回火溫度從550℃增加到700℃，片狀α結(jié)構(gòu)的高寬比從大約5減少到3.5，當(dāng)該合金在550℃回火時，片狀α結(jié)構(gòu)占總的微觀組織結(jié)構(gòu)的面積分?jǐn)?shù)沒有明顯的改變，當(dāng)回火溫度從550℃增加到700℃時，片狀α結(jié)構(gòu)的面積分?jǐn)?shù)從34%減少到29%。同時，二次演化生成的α結(jié)構(gòu)從0.7μm左右增加到1.4μm左右。

退火后的合金平均維氏硬度比剛3D打印出來的結(jié)構(gòu)件少約5%左右，在3D打印激光快速熔覆過程中，由于相轉(zhuǎn)變以及α結(jié)構(gòu)的各向異性促使殘余應(yīng)力的產(chǎn)生，釋放的殘余應(yīng)力以及該過程片狀α結(jié)構(gòu)的粗化和球化使得退火后的Ti-6Al-4V合金結(jié)構(gòu)件的硬度減少。退火時間對Ti-6Al-4V合金的硬度影響較少，平均維氏硬度隨著退火時間的增加而輕微增加，由于退火過程中二次片狀α結(jié)構(gòu)的增加，其固溶強(qiáng)化作用得到增強(qiáng)。

Ti-6Al-4V合金的平均維氏硬度隨著回火溫度的增加首先輕微增加，繼而呈下降態(tài)勢，出現(xiàn)硬度最大峰值的溫度在600℃左右?；鼗鸷蠛辖鸬钠骄S氏硬度明顯比剛剛3D激光打印和退火過程之后的合金硬度較高。在較高的回火溫度，一次片狀α結(jié)構(gòu)的面積分?jǐn)?shù)從34%減少到30%，同時晶片狀β結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變的數(shù)量增加，從殘余β結(jié)構(gòu)向二次片狀α結(jié)構(gòu)數(shù)量增加，回火造成硬度的增加。當(dāng)回火溫度在700℃時，二次片狀α結(jié)構(gòu)厚度的增加造成硬度的減少。

具體實施內(nèi)容

3D打印金屬粉末融覆制造Ti-6Al-4V結(jié)構(gòu)件過程使用5kw CO2激光熔覆制造系統(tǒng)，激光束的直徑為5mm，激光束的移動速度為800mm/min，粉末的運(yùn)動速率為500g/小時。熱處理流程為先在970℃進(jìn)行退火，退火時間為30分鐘，然后空冷，然后在600℃進(jìn)行回火，回火時間為1小時，然后空冷至常溫。

本方案的運(yùn)行效果是3D打印出來一種具有屈服強(qiáng)度超過850MPa，抗拉強(qiáng)度超過1000Mp，均勻延伸率超過20%，平均維氏硬度超過350。與傳統(tǒng)鍛造工藝生產(chǎn)Ti-6Al-4V結(jié)構(gòu)件相比，3D打印金屬粉末融覆制造具備用料省，工序簡單，成型精度更加準(zhǔn)確，且熱處理過程結(jié)構(gòu)件的力學(xué)性能與傳統(tǒng)鍛造工藝相當(dāng)。