本發(fā)明涉及金屬增材制造，更具體地，涉及一種基于電子束3d打印制備tial單晶材料的方法。

背景技術(shù)：

1、tial金屬間化合物在700-850℃范圍內(nèi)具有優(yōu)異的高溫蠕變和抗氧化性，且高彈性模量和低密度的特點被認(rèn)為是鎳基高溫合金的理想替代者，是超高聲速飛行器和先進(jìn)航空發(fā)動機(jī)的首選材料，已經(jīng)逐步應(yīng)用于航空航天、汽車工業(yè)等領(lǐng)域，是輕量化高溫合金材料的研究熱點。但tial合金室溫塑性差，傳統(tǒng)方法如鑄造、擠壓、鍛造和粉末冶金等方法制造力學(xué)性能優(yōu)異、形狀結(jié)構(gòu)復(fù)雜的tial合金零件較為困難，且生產(chǎn)成本較高。隨著c919等國產(chǎn)大飛機(jī)的逐步量產(chǎn)，國產(chǎn)長江系列商用航空發(fā)動機(jī)對tial合金低壓渦輪葉片提出了迫切需求，急需在tial合金零件3d打印研制方面跟蹤、創(chuàng)新、突破。

2、而tial單晶材料的室溫延伸率≥5％，大大提升了tial材料/零件的力學(xué)性能，滿足發(fā)動機(jī)關(guān)鍵零件的技術(shù)要求。國內(nèi)外tial合金單晶制備方法主要包括籽晶法和非籽晶法，兩種方法均采用鑄造的方法。籽晶法由于制備工藝比較復(fù)雜，籽晶研制難度大，且大尺寸籽晶制備難度極大，只有凝固初生相有α的合金才可以用籽晶法制備單晶，因此，會有明顯的不足。非籽晶法存在坩堝材料對合金的污染，以及存在模殼的制備難、成品率低等問題。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)存在的上述缺陷，提供一種基于電子束3d打印制備tial單晶材料的方法，通過采用電子束選區(qū)熔化技術(shù)可實現(xiàn)加工倉內(nèi)1000℃以上的高溫預(yù)熱處理，熔化燒結(jié)一層后進(jìn)行實時退火，可有效抑制tial合金在打印過程中產(chǎn)生裂紋，通過控制工藝參數(shù)，實現(xiàn)tial單晶材料的制備，且組織成分均勻，能有效解決傳統(tǒng)鑄造技術(shù)(籽晶法和非籽晶法)制備tial單晶材料/零件時存在的尺寸小、成品率低等問題，可實現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)、大尺寸零件、高效率、高組織均勻性、高潔凈度和高成品率制造，適用于制備復(fù)雜結(jié)構(gòu)、大尺寸零件。

2、為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案如下：

3、一種基于電子束3d打印制備tial單晶材料的方法，包括以下步驟：

4、s1、按照成分配比稱取ti、al、nb純金屬原料；

5、s2、將稱取好的原料在真空度＜10-3pa條件下進(jìn)行熔煉，并熔模澆鑄成tial合金棒材b1；

6、s3、將tial合金棒材b1經(jīng)機(jī)械加工，得到尺寸為70mm×285mm、表面粗糙度＜0.8μm的tial合金棒材b2；

7、s4、將所述tial合金棒材b2載入等離子旋轉(zhuǎn)電極設(shè)備中，在真空狀態(tài)下進(jìn)行制粉，得到球形tial合金粉末f1；

8、s5、將所述球形tial合金粉末f1載入霧化酸洗設(shè)備中進(jìn)行酸洗，并依次經(jīng)清洗、干燥、篩分，得到球形tial合金粉末f2；

9、s6、對tial合金目標(biāo)零件模型m1進(jìn)行增材設(shè)計，并對得到的3d打印模型y1進(jìn)行切片處理，獲得存儲有切片打印路徑的三維模型；

10、s7、將所述存儲有切片打印路徑的三維模型導(dǎo)入電子束3d打印設(shè)備，并裝入將tial合金粉末f2后，設(shè)置打印工藝參數(shù)并利用所述tial合金粉末f2進(jìn)行電子束3d打印，獲得tial合金打印件z1；

11、s8、將所述tial合金打印件z1裝入電子束粉末回收設(shè)備中，并裝入所述tial合金粉末f2后，對所述tial合金打印件z1進(jìn)行噴吹，得到tial合金打印件z2；

12、s9、將所述tial合金打印件z2置入熱等靜壓爐中進(jìn)行處理，得到熱等靜壓處理件z3；

13、s10、將所述熱等靜壓處理件z3進(jìn)行機(jī)加工處理，得到表面粗糙度＜1.6μm的tial合金零件z4。

14、可選的，所述s1中，ti、al、nb的原子數(shù)百分含量配比為(38～58)：(40～50)：(2～12)。

15、可選的，所述ti、al、nb純金屬原料的純度均為99.999％。

16、可選的，所述s2中，熔煉的次數(shù)為1次～5次；所述tial合金棒材b1的尺寸為71mm×290mm。

17、可選的，所述s4中，電極轉(zhuǎn)速為16000r/min～25000r/min，等離子弧電流為1500a～2600a，經(jīng)過篩分獲得粒度分布為50μm～175μm的球形tial合金粉末f1。

18、可選的，所述s5中，球形tial合金粉末f2的粒度分布為45μm～155μm。

19、可選的，所述s6中，增材設(shè)計包括：對tial合金目標(biāo)零件模型m1進(jìn)行加工余量設(shè)計，得到3d打印毛坯零件模型m2；將所述形成3d打印毛坯零件模型m2的底部居中位置設(shè)計出選晶器模型x1，組合形成所述3d打印模型y1。

20、可選的，所述s6中，分層處理的切片層厚為0.03mm～0.3mm。

21、可選的，所述s7中，所述電子束3d打印的打印工藝參數(shù)具體包括：抽真空至≤0.3pa，預(yù)熱溫度為1000℃～1350℃，保溫時間為30min～60min；電子束電流為25ma～45ma，掃描速度為5m/s～15m/s，直至打印完成，真空隨爐自然冷卻至室溫。

22、可選的，所述s9中，熱等靜壓爐的工作參數(shù)為：加壓介質(zhì)為氬氣，壓力100mpa～150mpa，溫度為1200℃～1350℃，保溫時間為1h～5h后，卸載壓力調(diào)至(1.0～1.02)×105pa，調(diào)整溫度為1250℃～1380℃，保溫時間為1h～10h，隨爐冷卻至室溫，取出熱等靜壓處理件z3。

23、可選的，所述s10中，所述機(jī)加工處理的參數(shù)為：切削速度為500r/min～1500r/min，進(jìn)給量為300mm/min～1000mm/min，切寬為4mm～10mm。

24、實施本發(fā)明實施例，將具有如下有益效果：

25、(1)本發(fā)明的制備方法實現(xiàn)了tial單晶材料/零件全流程可控，從材料熔煉、粉末制備、零件模型設(shè)計、3d打印加工、熱處理、機(jī)加工的全流程加工方案制定和參數(shù)設(shè)計，實現(xiàn)了具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)、較大尺寸的tial單晶材料/零件的制備，且具有高尺寸精度、高表面粗糙度和優(yōu)異的力學(xué)性能，該方法非常適用于tial單晶復(fù)雜結(jié)構(gòu)/零件的高性能、高效率制造，在航空航天領(lǐng)域高溫、高性能結(jié)構(gòu)件方面具有廣闊前景。

26、(2)本發(fā)明通過采用高潔凈度的tial粉末，在電子束選區(qū)3d打印設(shè)備中采用選晶器結(jié)構(gòu)實施tial合金材料/零件打印，制備出的tial合金材料經(jīng)過對表面1mm材料的銑削去除，實現(xiàn)tial合金件的性能提升，可大大提高新型號新產(chǎn)品研發(fā)進(jìn)度、縮短研制和生產(chǎn)周期、降低生產(chǎn)成本，為替代原鎳基高溫合金葉片等零件提供了可能性，具有較好的推廣應(yīng)用可行性及應(yīng)用前景。

27、(3)本發(fā)明通過采用增材制造技術(shù)可以快速高效的實現(xiàn)tial合金零件的制備，tial單晶材料的抗拉強(qiáng)度和延伸率均獲得40％以上的提升，可實現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)、大尺寸零件、高效率、高組織均勻性、高潔凈度和高成品率制造，具有材料利用率高、加工效率高、加工復(fù)雜程度高的零件等特點。

技術(shù)特征：

1.一種基于電子束3d打印制備tial單晶材料的方法，其特征在于，包括以下步驟：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于電子束3d打印制備tial單晶材料的方法，其特征在于，所述s1中，ti、al、nb的原子數(shù)百分含量配比為(38～58)：(40～50)：(2～12)；

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于電子束3d打印制備tial單晶材料的方法，其特征在于，所述s2中，熔煉的次數(shù)為1次～5次；所述tial合金棒材b1的尺寸為71mm×290mm。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于電子束3d打印制備tial單晶材料的方法，其特征在于，所述s4中，電極轉(zhuǎn)速為16000r/min～25000r/min，等離子弧電流為1500a～2600a，經(jīng)過篩分獲得粒度分布為50μm～175μm的球形tial合金粉末f1。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于電子束3d打印制備tial單晶材料的方法，其特征在于，所述s5中，球形tial合金粉末f2的粒度分布為45μm～155μm。

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于電子束3d打印制備tial單晶材料的方法，其特征在于，所述s6中，增材設(shè)計包括：

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于電子束3d打印制備tial單晶材料的方法，其特征在于，所述s6中，分層處理的切片層厚為0.03mm～0.3mm。

8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于電子束3d打印制備tial單晶材料的方法，其特征在于，所述s7中，所述電子束3d打印的打印工藝參數(shù)具體包括：抽真空至≤0.3pa，預(yù)熱溫度為1000℃～1350℃，保溫時間為30min～60min；電子束電流為25ma～45ma，掃描速度為5m/s～15m/s，直至打印完成，真空隨爐自然冷卻至室溫。

9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于電子束3d打印制備tial單晶材料的方法，其特征在于，所述s9中，熱等靜壓爐的工作參數(shù)為：加壓介質(zhì)為氬氣，壓力為100mpa～150mpa，溫度為1200℃～1350℃，保溫時間為1h～5h后，卸載壓力調(diào)至(1.0～1.02)×105pa，調(diào)整溫度為1250℃～1380℃，保溫1h～10h后，隨爐冷卻至室溫，取出熱等靜壓處理件z3。

10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于電子束3d打印制備tial單晶材料的方法，其特征在于，所述s10中，所述機(jī)加工處理的參數(shù)為：切削速度為500r/min～1500r/min，進(jìn)給量為300mm/min～1000mm/min，切寬為4mm～10mm。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了一種基于電子束3D打印制備TiAl單晶材料的方法，包括以下步驟：按照成分配比稱料和熔煉，并熔模澆鑄成TiAl合金棒材B1，經(jīng)機(jī)械加工后載入等離子旋轉(zhuǎn)電極設(shè)備中制粉后，載入霧化酸洗設(shè)備中進(jìn)行酸洗，得到球形TiAl合金粉末F2；對TiAl合金目標(biāo)零件模型M1依次進(jìn)行增材設(shè)計和切片處理，設(shè)置打印工藝參數(shù)并利用TiAl合金粉末F2進(jìn)行電子束3D打印，獲得TiAl合金打印件Z1；將TiAl合金打印件Z1裝入電子束粉末回收設(shè)備中，利用TiAl合金粉末F2進(jìn)行噴吹，得到TiAl合金打印件Z2；將TiAl合金打印件Z2置入熱等靜壓爐中處理后，經(jīng)機(jī)加工得到TiAl合金零件Z4。

技術(shù)研發(fā)人員：盧東,陳琛
受保護(hù)的技術(shù)使用者：成都先進(jìn)金屬材料產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院股份有限公司
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/6