專利名稱：定向生長柱晶及單晶鈦合金的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種鈦合金材料的制備方法，具體地是指一種采用對(duì)鈦合金粉末流連續(xù)熔化沉積或逐層熔化沉積、在非接觸、無模、惰性氣氛條件下可直接自由成形具有定向生長柱晶及單晶組織的鈦合金錠材及零件的制備方法。
背景技術(shù)：
鈦合金具有密度低、強(qiáng)度高、屈強(qiáng)比高、耐蝕性及高溫力學(xué)性能優(yōu)異等突出性能優(yōu)點(diǎn)，在石化、海洋、航空、航天、艦艇、冶金、兵器等工業(yè)機(jī)械裝備中廣泛用作關(guān)鍵高溫結(jié)構(gòu)件。隨著工業(yè)技術(shù)水平的不斷提高，對(duì)高溫鈦合金材料性能及其制備技術(shù)的要求愈來愈苛刻。
目前提高高溫鈦合金高溫力學(xué)性能的主要方法是對(duì)近α鈦合金進(jìn)行固溶強(qiáng)化、控制β轉(zhuǎn)變組織及利用少量金屬硅化物沉淀強(qiáng)化。但由于受鈦合金本性的決定性影響，采用上述傳統(tǒng)金屬材料強(qiáng)化方法及改進(jìn)合金化學(xué)成分方法來提高高溫鈦合金的長期高溫力學(xué)性能，近20年來國內(nèi)外研究進(jìn)展極其緩慢、長期未取得實(shí)質(zhì)性進(jìn)展。
晶界是鈦合金等金屬結(jié)構(gòu)材料在長期高溫服役條件下變形、裂紋萌生與擴(kuò)展的薄弱環(huán)節(jié)，更是高溫條件下氧原子向鈦合金內(nèi)部快速滲透擴(kuò)散并進(jìn)而引發(fā)嚴(yán)重晶界脆性、氧擴(kuò)散層脆性和零件早期斷裂失效的快速通道，因此，若能消除高溫鈦合金關(guān)鍵熱端零部件中垂直于受力方向的晶界(即橫向晶界)、制備出具有定向生長挺直柱晶的鈦合金材料，鈦合金零件的高溫力學(xué)性能尤其是高溫持久壽命、蠕變強(qiáng)度等高溫力學(xué)性能無疑將大幅度提高。若能完全消除晶界這一薄弱環(huán)節(jié)，制備出單晶鈦合金，鈦合金零件的性能則會(huì)有更為顯著的提高。然而，由于高溫下鈦的高度化學(xué)活潑性，定向凝固過程中高溫鈦合金熔體幾乎會(huì)與所有高溫耐火材料模殼發(fā)生嚴(yán)重的化學(xué)反應(yīng)；由于鈦合金的導(dǎo)熱系數(shù)很低，凝固冷卻速度慢，難以穩(wěn)定地在液－固界面前沿建立并維持定向凝固所需的冷卻速度與沿生長方向的高的溫度梯度，鈦合金熔體將主要由型壁散熱而在其附近區(qū)域大量形核最終長大為等軸晶，所以當(dāng)今所有金屬材料定向凝固技術(shù)均無法實(shí)現(xiàn)鈦合金的定向生長，國內(nèi)外也無任何有關(guān)鈦合金定向凝固技術(shù)及定向生長柱晶或單晶鈦合金材料的研究及文獻(xiàn)報(bào)道。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是，提供了定向生長柱晶與單晶鈦合金及其錠材與零件的高能束流連續(xù)熔化沉積或逐層熔化沉積的鈦合金無模自由成形制備新方法。該方法可制備出具有定向生長挺直柱晶及單晶組織特征的各種形狀鈦合金錠材與各種復(fù)雜近凈成形零件，其高溫力學(xué)性能尤其是高溫蠕變性能、高溫持久壽命等高溫力學(xué)性能較工業(yè)鍛造及鑄造等軸晶鈦合金大幅度提高，可廣泛適用于石化、海洋、航空、航天、艦艇、冶金、兵器等工業(yè)中。
本發(fā)明的鈦合金的制備方法是這樣實(shí)現(xiàn)的在動(dòng)態(tài)密封氣氛可控加工保護(hù)室或密閉氣氛可控加工保護(hù)室(先抽真空后充惰性保護(hù)氣體)中，以高能束流作為熱源，將氣流或重力同步輸送的鈦合金粉末流在普通鈦合金基板上連續(xù)熔化沉積或逐層熔化沉積，無模自由成形直接制備具有定向生長挺直柱晶組織、不同截面形狀的鈦合金錠材或任意復(fù)雜的鈦合金零件；采用選晶或者使用單晶籽晶的手段，連續(xù)熔化沉積可以制備出單晶鈦合金錠材，在單晶鈦合金基板上逐層熔化沉積還可制備出單晶鈦合金零件。
所述的鈦合金的制備方法，其設(shè)備包括，(A)一鈦合金基板；(B)一動(dòng)態(tài)密封氣氛可控加工保護(hù)室或密閉氣氛可控加工室；(C)一高能束流作為熱源；(D)一輸送鈦合金粉末的粉末輸送系統(tǒng)，該方法包括下列步驟，第一步將粒度為-60～+300目的鈦合金粉末放入送粉器中；第二步將鈦合金基板放入動(dòng)態(tài)密封氣氛可控加工保護(hù)室或密閉氣氛可控加工保護(hù)室中并固緊；第三步將純度為99.99～99.999％的高純氬氣或氦氣惰性保護(hù)氣體充入動(dòng)態(tài)密封氣氛可控加工保護(hù)室中或?qū)⒚荛]氣氛可控加工保護(hù)室先抽真空度至10-1～10-3Pa再充入純度為99.99～99.999％的高純氬氣或氦氣惰性保護(hù)氣體至常壓；第四步導(dǎo)入高能束流熱源，同步開啟送粉器輸送鈦合金粉末，要求鈦合金基板表面與成形零件或錠材的結(jié)合區(qū)域表面局部被熔化，其中熱源根據(jù)所需制備鈦合金零件或錠材的形狀大小調(diào)節(jié)其功率、束斑形狀及束斑尺寸等參數(shù)，粉末輸送速率根據(jù)制備零件及錠材的形狀大小等要求，與高能束功率、束斑尺寸、掃描速度、單層沉積高度、連續(xù)提升速度(即連續(xù)熔化沉積增高速度)等相適配；第五步成形錠材或零件過程，通過高能束流熱源加工頭的連續(xù)提升(基板不動(dòng))或基板的連續(xù)下拉(熱源加工頭不動(dòng))，高能束流熱源將同步輸送的鈦合金粉末連續(xù)熔化沉積在普通鈦合金基板上，制備具有定向凝固柱狀晶組織的鈦合金錠材；或利用高能束流熱源將同步輸送的鈦合金粉末連續(xù)或逐層沉積在鈦合金單晶籽晶或單晶基板上，制備具有單晶組織的鈦合金錠材或復(fù)雜零件；或高能束流光源沿零件CAD模型斷面切片軌跡掃描，將同步輸送的鈦合金粉末逐層熔化沉積在普通鈦合金基板上，制備具有定向凝固柱狀晶組織的不同形狀及尺寸的鈦合金零件；第六步制備的定向凝固柱狀晶或單晶鈦合金零件或錠材冷卻至100℃以下后，打開動(dòng)態(tài)密封氣氛可控加工保護(hù)室或密閉氣氛可控加工保護(hù)室，將其取出；第七步根據(jù)需要，對(duì)制備的定向凝固柱狀晶或單晶鈦合金零件或錠材進(jìn)行成分、組織及性能測(cè)試。
本發(fā)明的鈦合金制備方法的優(yōu)點(diǎn)是所制備的鈦合金錠材及零件具有定向生長挺直柱狀晶及單晶組織，從而具有優(yōu)異的高溫力學(xué)性能，尤其是高溫持久壽命、蠕變強(qiáng)度等高溫力學(xué)性能及高溫長期組織穩(wěn)定性相比鍛造及鑄造等軸晶鈦合金材料大幅度提高，同時(shí)還具有優(yōu)異的室溫力學(xué)性能，其強(qiáng)度達(dá)到鍛造鈦合金水平，塑性顯著高于鍛造鈦合金。
制備過程中不需要模具，使用高能量密度的高能束流將鈦合金粉末快速熔化、快速凝固，能夠在液－固界面前沿建立并維持高的沿生長方向的溫度梯度，實(shí)現(xiàn)鈦合金晶體的定向生長，從而可制備出具有挺直定向生長柱狀晶及單晶的鈦合金錠材及復(fù)雜零件；該制備方法能夠有效保護(hù)鈦合金、有效防止鈦合金氧化、吸氣；該制備方法還可大幅度縮短鈦合金零件生產(chǎn)制造周期、降低生產(chǎn)制造成本、提高材料利用率。


圖1是連續(xù)熔化沉積方式制備定向生長鈦合金柱晶棒材的示意圖。
圖2是逐層熔化沉積方式制備定向生長柱晶鈦合金板材的示意圖。
圖3是在單晶籽晶上采用連續(xù)熔化沉積方式制備定向生長單晶鈦合金錠材的示意圖。
圖4是采用激光束連續(xù)熔化沉積制備定向生長柱晶鈦合金圓柱棒材實(shí)物照片。
圖5是在光學(xué)金相顯微鏡分析圖4棒材的顯微組織照片。
圖6是采用激光束逐層熔化沉積制備定向生長柱晶鈦合金薄壁板狀錠材實(shí)物照片。
圖7是在光學(xué)金相顯微鏡分析圖6板材的顯微組織照片。
圖8是采用激光束逐層熔化沉積制備定向生長柱晶鈦合金零件實(shí)物照片。
圖中1.高能束流熱源 2.送粉器噴嘴 3.動(dòng)態(tài)密封或密閉氣氛可控加工保護(hù)室 4.基板 5.鈦合金粉末流 6.棒材 7.板材 8.單晶籽晶基板9.單晶鈦合金錠材具體實(shí)施方式
下面將通過列舉的實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說明。
本發(fā)明是一種定向生長柱晶及單晶鈦合金的制備方法，所述設(shè)備包括，(A)一鈦合金基板；(B)一動(dòng)態(tài)密封氣氛可控加工保護(hù)室或密閉氣氛可控加工室；(C)一高能束流作為熱源；(D)一輸送鈦合金粉末的粉末輸送系統(tǒng)，該方法包括下列步驟，第一步將粒度為-60～+300目的鈦合金粉末放入送粉器中；第二步將鈦合金基板放入動(dòng)態(tài)密封氣氛可控加工保護(hù)室或密閉氣氛可控加工保護(hù)室中并固緊；第三步將純度為99.99～99.999％的高純氬氣或氦氣惰性保護(hù)氣體充入動(dòng)態(tài)密封氣氛可控加工保護(hù)室中或?qū)⒚荛]氣氛可控加工保護(hù)室先抽真空度至10-1～10-3Pa再充入純度為99.99～99.999％的高純氬氣或氦氣惰性保護(hù)氣體至常壓；第四步導(dǎo)入高能束流熱源，同步開啟送粉器輸送鈦合金粉末，要求鈦合金基板表面與成形零件或錠材的結(jié)合區(qū)域表面局部被熔化，其中熱源根據(jù)所需制備鈦合金零件或錠材的形狀大小調(diào)節(jié)其功率、束斑形狀及束斑尺寸等參數(shù)，粉末輸送速率根據(jù)制備零件及錠材的形狀大小等要求，與高能束功率、束斑尺寸、掃描速度、單層沉積高度、連續(xù)提升速度(即連續(xù)熔化沉積增高速度)等相適配；第五步成形錠材或零件過程，通過高能束加工頭的連續(xù)提升(基板不動(dòng))或基板的連續(xù)下拉(熱源加工頭不動(dòng))，高能束流熱源將同步輸送的鈦合金粉末連續(xù)熔化沉積在普通鈦合金基板上，制備具有定向凝固柱狀晶組織的鈦合金錠材；或利用高能束流熱源將同步輸送的鈦合金粉末連續(xù)或逐層沉積在鈦合金單晶籽晶或單晶基板上，制備具有單晶組織的鈦合金錠材或復(fù)雜零件；或高能束流光源沿零件CAD模型斷面切片軌跡掃描，將同步輸送的鈦合金粉末逐層熔化沉積在普通鈦合金基板上，制備具有定向凝固柱狀晶組織的不同形狀及尺寸的鈦合金零件；第六步制備的定向凝固柱狀晶或單晶鈦合金零件或錠材冷卻至100℃以下后，打開動(dòng)態(tài)密封氣氛可控加工保護(hù)室或密閉氣氛可控加工保護(hù)室，將其取出；第七步根據(jù)需要，對(duì)制備的定向凝固柱狀晶或單晶鈦合金零件或錠材進(jìn)行成分、組織及性能測(cè)試。
實(shí)施例1(一)采用激光束連續(xù)熔化沉積制備定向生長柱晶鈦合金圓柱棒材在配有三軸聯(lián)動(dòng)四坐標(biāo)數(shù)控激光加工機(jī)床的5kW橫流連續(xù)CO2激光材料加工成套設(shè)備上進(jìn)行棒材制備研究，選用熱軋α+β兩相鈦合金B(yǎng)T9作為基板，其名義化學(xué)成分以重量百分比計(jì)為Ti-6.4％Al-3.3％Mo-1.6％Zr-0.27％Si，選用氬氣霧化粒度為-100～+200目的Ti-6Al-4V球形粉末作為激光快速成形的原材料，選用純度為99.999％的高純氬氣作為保護(hù)氣體及粉末輸送氣體，激光快速成形工藝參數(shù)為激光束斑直徑約5mm、激光功率2.4～2.5kW、激光束連續(xù)提升速度(即連續(xù)熔化沉積增高速度)約為7～8mm/min、送粉率約為6g/min，在動(dòng)態(tài)密封氣氛可控加工保護(hù)室中，連續(xù)熔化沉積制備出直徑約13～15mm細(xì)長圓柱棒材，請(qǐng)參見實(shí)物照片圖4所示。
采用化學(xué)分析方法精確分析激光成形前后鈦合金的化學(xué)成分變化，結(jié)果如表1所示，表明激光沉積成形過程中鈦合金主要合金元素幾乎沒有任何變化，合金元素?zé)o燒損，合金含氧量及含氮量均較低。
表1激光束連續(xù)熔化沉積Ti-6Al-4V鈦合金棒材化學(xué)成分分析結(jié)果

采用光學(xué)金相顯微鏡分析此鈦合金棒材的顯微組織，如圖5所示，可以明顯觀察到定向生長挺直柱狀晶的組織特征，且組織致密、無氣孔、無夾雜、無裂紋。
采用5倍標(biāo)準(zhǔn)棒狀拉伸試樣(標(biāo)距直徑5mm)在MTS-880多功能材料力學(xué)性能測(cè)試系統(tǒng)上，評(píng)價(jià)該種棒狀Ti-6Al-4V鈦合金的室溫力學(xué)性能，表2所示的力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果表明同工業(yè)鍛造Ti-6Al-4V鈦合金相比，激光束連續(xù)沉積Ti-6Al-4V鈦合金具有優(yōu)異的力學(xué)性能，其強(qiáng)度達(dá)到鍛造鈦合金水平，其塑性顯著高于鍛造鈦合金。
表2激光束連續(xù)熔化沉積Ti-6Al-4V鈦合金棒材室溫拉伸力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果

(二)采用激光束逐層熔化沉積制備定向生長柱晶鈦合金板材在配有三軸聯(lián)動(dòng)四坐標(biāo)數(shù)控激光加工機(jī)床的5kW橫流連續(xù)CO2激光材料加工成套設(shè)備上進(jìn)行板材制備研究，選用熱軋α+β兩相鈦合金B(yǎng)T9作為基板，其名義化學(xué)成分以重量百分比計(jì)為Ti-6.4％Al-3.3％Mo-1.6％Zr-0.27％Si，選用氬氣霧化粒度為-100～+200目的Ti-6Al-4V球形粉末作為激光快速成形的原材料，選用純度為99.999％的高純氬氣作為保護(hù)氣體及粉末輸送氣體，激光快速成形工藝參數(shù)為激光束斑直徑約4mm、激光功率2.6～2.7kW、掃描速度約300～390mm/min、單層沉積增高速度約0.5～0.7mm、送粉率約為7g/min，在動(dòng)態(tài)密封氣氛可控加工保護(hù)室中，逐層熔化沉積制備出厚度為5～7mm的薄壁板狀錠材，請(qǐng)參見實(shí)物照片圖6所示。
采用化學(xué)分析方法精確分析激光成形前后鈦合金的化學(xué)成分變化，結(jié)果如表3所示，表明激光沉積成形過程中鈦合金主要合金元素幾乎沒有任何變化，合金元素?zé)o燒損，合金含氧量及含氮量均較低。
表3激光束逐層熔化沉積Ti-6Al-4V鈦合金板材化學(xué)成分分析結(jié)果

用光學(xué)金相顯微鏡分析此鈦合金板材的顯微組織，如圖7所示，可以明顯的觀察到具有挺直定向生長柱晶的組織特征，且組織致密、無氣孔、無夾雜、無裂紋。
采用5倍標(biāo)準(zhǔn)棒狀拉伸試樣(標(biāo)距直徑5mm)在MTS-880多功能材料力學(xué)性能測(cè)試系統(tǒng)上，評(píng)價(jià)該種棒狀Ti-6Al-4V鈦合金的室溫力學(xué)性能，表4所示的力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果表明同工業(yè)鍛造Ti-6Al-4V鈦合金相比，激光束連續(xù)沉積Ti-6Al-4V鈦合金具有優(yōu)異的力學(xué)性能，其強(qiáng)度達(dá)到鍛造鈦合金水平，其塑性顯著高于鍛造鈦合金。
表4激光束連續(xù)沉積Ti-6Al-4V鈦合金板材室溫拉伸力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果

(三)采用激光束CAD切片軌跡掃描逐層熔化沉積制備定向生長柱晶鈦合金零件在配有三軸聯(lián)動(dòng)四坐標(biāo)數(shù)控激光加工機(jī)床的5kW橫流連續(xù)CO2激光材料加工成套系統(tǒng)上進(jìn)行零件制備研究，選用熱軋α+β兩相鈦合金B(yǎng)T9作為基板，其名義化學(xué)成分以重量百分比計(jì)為Ti-6.4％Al-3.3％Mo-1.6％Zr-0.27％Si，選用氬氣霧化粒度為-100～+200目的Ti-6Al-4V球形粉末作為激光快速成形的原材料，選用純度為99.999％的高純氬氣作為保護(hù)氣體及粉末輸送氣體，激光快速成形工藝參數(shù)為激光束斑直徑約3～4mm、激光功率2.7～2.8kW、掃描速度約350mm/min、送粉率約為8g/min，在動(dòng)態(tài)密封氣氛可控加工保護(hù)室中，沿零件CAD切片軌跡掃描，逐層熔化沉積制備鈦合金零件毛坯。請(qǐng)參見實(shí)物如圖8所示。
實(shí)施例2
采用等離子束連續(xù)熔化沉積制備定向生長柱晶鈦合金圓柱棒材在配備數(shù)控加工系統(tǒng)的30kW等離子成套設(shè)備上進(jìn)行棒材制備研究，選用熱軋α+β兩相鈦合金B(yǎng)T9作為基板，其名義化學(xué)成分以重量百分比計(jì)為Ti-6.4％Al-3.3％Mo-1.6％Zr-0.27％Si，選用氬氣霧化粒度為-100～+200目的Ti-6Al-4V球形粉末作為原材料，選用純度為99.999％的高純氬氣作為保護(hù)氣體及粉末輸送氣體，工藝參數(shù)為噴嘴孔徑約15mm、基板連續(xù)下拉速度(即連續(xù)熔化沉積增高速度)為12mm/min、送粉率約為20g/min，在密閉保護(hù)室中，連續(xù)熔化沉積制備出直徑約20mm的圓柱棒材。
實(shí)施例3采用電子束連續(xù)熔化沉積制備定向生長柱晶鈦合金圓柱形棒材在40kW電子束成套設(shè)備上進(jìn)行棒材制備研究，選用熱軋α+β兩相鈦合金B(yǎng)T9作為基板，其名義化學(xué)成分以重量百分比計(jì)為Ti-6.4％Al-3.3％Mo-1.6％Zr-0.27％Si，選用氬氣霧化粒度為-100～+200目的Ti-6Al-4V球形粉末作為原材料，選用純度為99.999％的高純氬氣作為保護(hù)氣體及粉末輸送氣體，工藝參數(shù)為電源電壓18kV、電子束斑直徑約20mm、基板連續(xù)下拉速度(即連續(xù)熔化沉積增高速度)約15mm/min，送粉率約50g/min，在密閉保護(hù)室中，連續(xù)熔化沉積制備得直徑約30mm的圓柱棒材。
實(shí)施例4采用鎢極氬弧連續(xù)熔化沉積制備定向生長柱晶鈦合金圓柱棒材鎢極直徑φ3.2mm、噴嘴孔徑φ3mm的15kW鎢極氬弧焊槍作為熱源設(shè)備，選用熱軋α+β兩相鈦合金B(yǎng)T9作為基板，其名義化學(xué)成分以重量百分比計(jì)為Ti-6.4％Al-3.3％Mo-1.6％Zr-0.27％Si，選用氬氣霧化粒度為-100～+200目的Ti-6Al-4V球形粉末作為原材料，選用純度為99.999％的高純氬氣作為保護(hù)氣體及粉末輸送氣體，工藝參數(shù)為工作電流180A、工作電壓26V、連續(xù)沉積增高速度為10mm/min、送粉率約15g/min，在動(dòng)態(tài)密封氣氛可控加工保護(hù)室中，連續(xù)熔化沉積制備得直徑約18～20mm圓柱棒材。
權(quán)利要求
1.一種定向生長柱晶及單晶鈦合金的制備方法，其特征在于所述方法是在動(dòng)態(tài)密封氣氛可控加工保護(hù)室或密閉保護(hù)室(先抽真空后充惰性保護(hù)氣體)中，以高能束流作為熱源，將氣流或重力同步輸送的鈦合金粉末流在普通鈦合金基板上連續(xù)熔化沉積或逐層熔化沉積，無模自由成形直接制備具有定向生長挺直柱晶組織、不同截面形狀的鈦合金錠材或任意復(fù)雜的鈦合金零件；采用選晶或者使用籽晶的手段，連續(xù)熔化沉積可以制備出單晶鈦合金錠材，在單晶鈦合金基板上逐層熔化沉積還可制備出單晶鈦合金零件。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鈦合金的制備方法，其特征在于所述設(shè)備包括，(A)一鈦合金基板；(B)一動(dòng)態(tài)密封氣氛可控加工保護(hù)室或密閉氣氛可控加工室；(C)一高能束流作為熱源；(D)一輸送鈦合金粉末的粉末輸送系統(tǒng)，該方法包括下列步驟，第一步將粒度為-60～+300目的鈦合金粉末放入送粉器中；第二步將鈦合金基板放入動(dòng)態(tài)密封氣氛可控加工保護(hù)室或密閉氣氛可控加工保護(hù)室中并固緊；第三步將純度為99.99～99.999％的高純氬氣或氦氣惰性保護(hù)氣體充入動(dòng)態(tài)密封氣氛可控加工保護(hù)室中或?qū)⒚荛]氣氛可控加工保護(hù)室先抽真空度至10-1～10-3Pa再充入純度為99.99～99.999％的高純氬氣或氦氣惰性保護(hù)氣體至常壓；第四步導(dǎo)入高能束流熱源，同步開啟送粉器輸送鈦合金粉末，要求鈦合金基板表面與成形零件或錠材的結(jié)合區(qū)域表面局部被熔化，其中熱源根據(jù)所需制備鈦合金零件或錠材的形狀大小調(diào)節(jié)其功率、束斑形狀及束斑尺寸等參數(shù)，粉末輸送速率根據(jù)制備零件及錠材的形狀大小等要求，與高能束功率、束斑尺寸、掃描速度、單層沉積高度、連續(xù)提升速度(即連續(xù)熔化沉積增高速度)等相適配；第五步成形錠材或零件過程，通過高能束流熱源加工頭的連續(xù)提升(基板不動(dòng))或基板的連續(xù)下拉(熱源加工頭不動(dòng))，高能束流熱源將同步輸送的鈦合金粉末連續(xù)熔化沉積在普通鈦合金基板上，制備具有定向生長柱狀晶組織的鈦合金錠材；或利用高能束流熱源將同步輸送的鈦合金粉末連續(xù)或逐層沉積在鈦合金單晶籽晶或單晶基板上，制備具有單晶組織的鈦合金錠材或復(fù)雜零件；或高能束流光源沿零件CAD模型斷面切片軌跡掃描，將同步輸送的鈦合金粉末逐層熔化沉積在普通鈦合金基板上，制備具有定向生長柱狀晶組織的不同形狀及尺寸的鈦合金零件；第六步制備的定向生長柱狀晶或單晶鈦合金零件或錠材冷卻至100℃以下后，打開動(dòng)態(tài)密封氣氛可控加工保護(hù)室或密閉氣氛可控加工保護(hù)室，將其取出；第七步根據(jù)需要，對(duì)制備的定向生長柱狀晶或單晶鈦合金零件或錠材進(jìn)行成分、組織及性能測(cè)試。
3.根據(jù)權(quán)利要求1、2所述的定向生長柱狀晶或單晶鈦合金的制備方法，其特征在于高能束流熱源可以是高能量密度的激光束、電子束、等離子束、電弧、鎢極氬弧。
4.根據(jù)權(quán)利要求1、2所述的定向生長柱狀晶或單晶鈦合金的制備方法，其特征在于通過高能束流熱源加工頭連續(xù)提升(基板不動(dòng))或基板連續(xù)下拉(高能束流熱源加工頭不動(dòng))，高能束流熱源將同步輸送的鈦合金粉末連續(xù)熔化沉積在普通鈦合金基板上，可制備任意長度的定向生長柱晶鈦合金錠材。
5.根據(jù)權(quán)利要求1、2所述的定向生長柱狀晶或單晶鈦合金的制備方法，其特征在于高能束流熱源沿零件CAD模型斷面切片軌跡掃描，將同步輸送的鈦合金粉末逐層熔化沉積在普通鈦合金基板上，可制備具有定向生長柱晶組織的任意形狀尺寸的鈦合金零件。
6.根據(jù)權(quán)利要求1、2所述的定向生長柱狀晶或單晶鈦合金的制備方法，其特征在于選用單晶鈦合金籽晶，將同步輸送的鈦合金粉末在其上連續(xù)熔化沉積，可制備單晶鈦合金錠材。
7.根據(jù)權(quán)利要求1、2所述的定向生長柱狀晶或單晶鈦合金的制備方法，其特征在于選用單晶鈦合金作為基板，將同步輸送的鈦合金粉末在其上逐層熔化沉積，可制備具有單晶組織的鈦合金零件。
8.根據(jù)權(quán)利要求1、2所述的定向生長柱狀晶或單晶鈦合金的制備方法，其特征在于該方法制備得到的定向生長柱晶及單晶鈦合金錠材的截面形狀可以是圓形、橢圓形、矩形、環(huán)形。
9.根據(jù)權(quán)利要求1、2所述的定向生長柱狀晶或單晶鈦合金的制備方法，其特征在于熱源參數(shù)中的高能束流功率為2～500kW，高能束流束斑形狀為圓形、橢圓形、線斑及矩形斑，束斑尺寸為1～100mm。
10.根據(jù)權(quán)利要求1、2所述的定向生長柱狀晶或單晶鈦合金的制備方法，其特征在于送粉器輸送鈦合金粉末流的送粉率可以是2～800g/min。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種定向生長柱晶及單晶鈦合金的制備方法，所述方法是在動(dòng)態(tài)密封氣氛可控加工保護(hù)室或密閉氣氛可控加工室(先抽真空后充惰性保護(hù)氣體)中，以高能束流作為熱源，將氣流或重力同步輸送的鈦合金粉末流在普通鈦合金基板上連續(xù)熔化沉積或逐層熔化沉積，無模自由成形直接制備具有定向生長挺直柱晶組織、不同截面形狀的鈦合金錠材或任意復(fù)雜的鈦合金零件；采用選晶或者使用籽晶的手段，連續(xù)熔化沉積可以制備出單晶鈦合金錠材，在單晶鈦合金基板上逐層熔化沉積還可制備出單晶鈦合金零件。經(jīng)其方法制備的鈦合金材料可在石化、海洋、航空、航天、艦艇、冶金、兵器等工業(yè)機(jī)械裝備中廣泛用作關(guān)鍵高溫結(jié)構(gòu)件。
文檔編號(hào)C30B21/00GK1542173SQ200310113420
公開日2004年11月3日 申請(qǐng)日期2003年11月10日 優(yōu)先權(quán)日2003年11月10日
發(fā)明者王華明, 張凌云, 李安, 于榮莉, 湯海波, 蔡良續(xù), 張述泉, 張立強(qiáng) 申請(qǐng)人:北京航空航天大學(xué)