本發(fā)明屬于金屬增材制造，具體涉及一種基于超聲能場輔助激光直接能量沉積的ti60組織調(diào)控方法。

背景技術(shù)：

1、隨著全球航空航天技術(shù)的迅猛發(fā)展，對航空發(fā)動機(jī)的性能要求日益提高，其中推重比作為衡量發(fā)動機(jī)性能的關(guān)鍵指標(biāo)之一，其不斷提升直接推動了航空發(fā)動機(jī)設(shè)計與制造技術(shù)的革新。在這一進(jìn)程中，壓氣機(jī)作為航空發(fā)動機(jī)的核心部件，其出口溫度的持續(xù)升高對材料的高溫性能提出了更為嚴(yán)苛的挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的高溫合金雖然在一定程度上滿足了高溫環(huán)境下的使用需求，但面對更高溫度、更復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)的工作環(huán)境，其性能已逐漸接近極限。因此，研發(fā)具有更高耐熱性、更優(yōu)異熱穩(wěn)定性和更輕重量的新型高溫材料，成為推動航空發(fā)動機(jī)技術(shù)進(jìn)步的關(guān)鍵因素。近α型鈦合金，尤其是ti60等高性能鈦合金，因其獨(dú)特的熱強(qiáng)性和熱穩(wěn)定性，在600℃甚至更高溫度下的長時間工作能力，被視為替代部分傳統(tǒng)高溫合金、實(shí)現(xiàn)飛行器輕量化的重要材料選擇。這些鈦合金在航空發(fā)動機(jī)的高溫部件、高超聲速飛行器的熱防護(hù)系統(tǒng)等領(lǐng)域展現(xiàn)出了廣闊的應(yīng)用前景，對于提升飛行器的整體性能和可靠性具有重要意義。

2、針對近α型鈦合金如ti60的增材制造，激光直接能量沉積（laser-directedenergy?deposition，lded）技術(shù)因其能夠直接根據(jù)設(shè)計模型進(jìn)行復(fù)雜結(jié)構(gòu)的一體化成形，而在航空航天領(lǐng)域受到了廣泛關(guān)注。lded技術(shù)通過粉末材料的逐道逐層熔融堆積，實(shí)現(xiàn)了從設(shè)計到實(shí)體零件的快速轉(zhuǎn)化，特別適合于大規(guī)模地快速成形大型結(jié)構(gòu)件。然而，lded過程中微熔池的快速冷卻、大溫度梯度凝固以及逐層往復(fù)再熱循環(huán)等獨(dú)特工藝特征，也帶來了組織控制和性能優(yōu)化的難題。為了改善lded成形ti60等近α型鈦合金的組織結(jié)構(gòu)，研究者們嘗試了多種方法，包括周期性調(diào)整掃描速度和激光功率以獲取更細(xì)小的等軸晶組織，以及通過添加合金元素或陶瓷顆粒來增強(qiáng)零件的力學(xué)性能。這些研究在一定程度上取得了成效，但仍然存在晶粒組織粗大、力學(xué)性能各向異性明顯等問題，且合金元素的添加可能會改變原有合金的成分和性能平衡。

3、盡管lded技術(shù)在近α型鈦合金的增材制造方面展現(xiàn)出了巨大潛力，但當(dāng)前技術(shù)仍面臨一系列亟待解決的問題。首先，由于lded過程中微熔池的快速凝固特性，導(dǎo)致零件內(nèi)部容易出現(xiàn)沿沉積層外延生長的粗大柱狀晶，這種各向異性的組織特征嚴(yán)重影響了零件的機(jī)械性能和可靠性。其次，雖然通過調(diào)整工藝參數(shù)和添加合金元素等方法可以在一定程度上改善組織，但這些方法往往伴隨著工藝復(fù)雜性的增加和合金成分的改變，不僅增加了制造成本，還可能引入新的性能不確定性。此外，如何在保持合金原有優(yōu)異性能的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)組織的有效細(xì)化和力學(xué)性能的全面提升，仍是lded成形近α型鈦合金領(lǐng)域的一大技術(shù)難題。因此，探索一種簡單、高效且能夠兼顧組織細(xì)化和性能提升的新方法，對于推動lded技術(shù)在高性能鈦合金增材制造領(lǐng)域的應(yīng)用具有重要意義。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，本發(fā)明的目的在于提供一種基于超聲能場輔助激光直接能量沉積的ti60組織調(diào)控方法，以解決如何在lded成形近α型鈦合金ti60過程中，通過穩(wěn)定超聲能場的作用，有效細(xì)化并均勻化零件的晶粒組織，從而克服傳統(tǒng)lded技術(shù)中晶粒組織粗大、力學(xué)性能各向異性明顯的技術(shù)問題。

2、為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)：

3、本發(fā)明公開了一種基于超聲能場輔助激光直接能量沉積的ti60組織調(diào)控方法，采用超聲能場輔助激光直接能量沉積裝置進(jìn)行ti60組織調(diào)控；超聲能場輔助激光直接能量沉積裝置，包括依次連接的激光直接能量沉積成形裝置，水冷裝置以及超聲能場輔助裝置；激光直接能量沉積成形裝置提供激光；超聲能場輔助裝置包括基板，以及與基板連接的超聲組件；方法包括：

4、步驟1：將ti60粉末進(jìn)行干燥處理；

5、步驟2：打磨并清洗基板表面；

6、步驟3：通過超聲組件開啟超聲，并調(diào)節(jié)頻率和功率，使基板達(dá)到諧振狀態(tài)；

7、步驟4：開啟基板上纏繞的水冷裝置；

8、步驟5：通入載粉氣體和保護(hù)氣體；

9、步驟6：確保激光、超聲和ti60粉末匯聚于基板的同一焦點(diǎn)后；輸送ti60粉末，啟動激光，在基板上形成穩(wěn)定熔池，通過控制激光熔覆頭在基板表面進(jìn)行運(yùn)動，并進(jìn)行沉積，得到沉積的多層金屬，通過超聲在熔池內(nèi)產(chǎn)生的空化效應(yīng)與聲流效應(yīng)，調(diào)控熔池的冶金行為；

10、步驟7：沉積結(jié)束后，依次關(guān)閉激光和超聲，停止輸送ti60粉末，關(guān)閉水冷裝置與保護(hù)氣體，制得具有細(xì)小等軸晶組織的ti60零件。

11、優(yōu)選地，步驟1中，ti60粉末采用等離子旋轉(zhuǎn)電極法制備。

12、優(yōu)選地，步驟1中，ti60粉末的粒徑范圍為53~150?μm。

13、優(yōu)選地，步驟1中，干燥處理的條件為：80~150?℃下干燥2~3?h。

14、優(yōu)選地，步驟2中，采用500~1000目砂紙進(jìn)行打磨；采用酒精進(jìn)行清洗。

15、優(yōu)選地，步驟3中，基板達(dá)到諧振狀態(tài)的表面振幅是在0~9?μm范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。

16、優(yōu)選地，步驟4中，水冷裝置與基板之間填充有導(dǎo)熱膠。

17、優(yōu)選地，步驟5中，載粉氣體為氬氣或氦氣；保護(hù)氣體為氬氣或氦氣。

18、優(yōu)選地，步驟6中，輸送ti60粉末的送粉量為8~12?g/min；激光的能量沉積參數(shù)包括：激光功率為600~800?w，掃描速度為8~12?mm/s，光斑直徑為3~5?mm，相鄰軌道間重疊率為50%~70%，激光熔覆頭抬升量為0.1~0.2?mm。

19、優(yōu)選地，激光直接能量沉積成形裝置還包括用于輸送ti60粉末的送粉噴嘴；

20、激光熔化?ti60粉末在基板表面形成熔池；激光、超聲和ti60粉末匯聚于熔池；

21、水冷裝置為纏繞在基板上的冷卻管；

22、超聲組件包括與基板依次連接的超聲變幅桿、超聲發(fā)射器與超聲能量控制器。

23、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果：

24、本發(fā)明公開了一種基于超聲能場輔助激光直接能量沉積的ti60組織調(diào)控方法，在沉積試驗前對ti60粉末進(jìn)行干燥，去除所吸收的水分，防止在激光熔覆過程中產(chǎn)生氣孔等缺陷，提高沉積層的致密性和力學(xué)性能，確保使用的ti60粉末具有一致的成分和粒度分布，這是獲得高質(zhì)量沉積層的基礎(chǔ)，并完成裝填和基板設(shè)置。通過打磨去除基板表面的氧化層、油污和其他雜質(zhì)，提高基板與沉積層之間的結(jié)合力。清洗進(jìn)一步確?；灞砻娴那鍧嵍?，減少污染物的存在，為后續(xù)的沉積過程提供良好的界面條件。引入超聲能場，為后續(xù)的激光熔覆過程提供輔助。通過精確調(diào)節(jié)超聲的頻率和功率，使基板達(dá)到諧振狀態(tài)，這有助于在熔池中產(chǎn)生更強(qiáng)烈的空化效應(yīng)和聲流效應(yīng)，從而優(yōu)化熔池的冶金行為。本發(fā)明通過利用基板在超聲作用下的諧振特性來實(shí)現(xiàn)功能，然而，基板的諧振頻率會隨溫度變化而產(chǎn)生波動，在激光熔覆過程中，基板會受到高溫作用，開啟水冷裝置可以有效地消除沉積過程中產(chǎn)生的熱量，從而確保諧振頻率的穩(wěn)定。此措施確保在lded成形過程中能夠維持穩(wěn)定的超聲作用；有效減少基板的熱量積累使基板的諧振頻率保持穩(wěn)定，確保在沉積過程中具有穩(wěn)定的超聲作用效果，防止因過熱而產(chǎn)生的變形和裂紋，同時也有助于提高沉積層的冷卻速率，從而獲得更細(xì)小的晶粒組織。準(zhǔn)備設(shè)備并確保激光，超聲和ti60粉末匯聚于基板同一焦點(diǎn)（熔池），提高沉積的精確度和效率。形成穩(wěn)定的熔池是獲得高質(zhì)量沉積層的關(guān)鍵，通過控制激光熔覆頭的運(yùn)動，根據(jù)具體成形要求實(shí)施單道，多道及多層沉積，實(shí)現(xiàn)均勻、連續(xù)的沉積過程。通過整個過程的精確控制，成功實(shí)現(xiàn)了基于超聲能場輔助激光直接能量沉積的ti60組織調(diào)控，獲得了具有優(yōu)良組織和性能的沉積層。該方法能夠有效確保沉積過程中超聲能場的穩(wěn)定性，同時采用該方法制備的ti60具有更加均勻細(xì)小的等軸晶組織。本發(fā)明可操作性和適用性強(qiáng)，在實(shí)際運(yùn)用過程中，可以根據(jù)不同的金屬零件的具體成形要求，選擇不同的激光，超聲工藝匹配參數(shù)。

25、進(jìn)一步地，調(diào)節(jié)超聲能量控制器使基板表面振幅達(dá)到實(shí)驗需求，超聲在熔池內(nèi)產(chǎn)生的空化效應(yīng)和聲流效應(yīng)可以細(xì)化晶粒、減少偏析、促進(jìn)元素均勻分布等，從而顯著改善沉積層的組織和性能。

26、進(jìn)一步地，ti60粉末采用等離子旋轉(zhuǎn)電極法制備，能夠制備出球形度高、粒度分布均勻、純凈度高的ti60粉末，有利于提高沉積層的質(zhì)量和性能。

27、進(jìn)一步地，本發(fā)明采用的ti60粉末為ti60鈦合金球形粉末，其粉末粒徑范圍為53~150?μm，可以確保粉末在激光熔覆過程中的良好流動性和均勻分布，避免粉末團(tuán)聚或堵塞，同時也有利于獲得致密的沉積層。

28、進(jìn)一步地，在80~150?℃下干燥2~3?h可以充分去除ti60粉末中的水分和濕氣，防止在激光熔覆過程中產(chǎn)生氣孔等缺陷，同時也不會因過度干燥而破壞ti60粉末的原有性質(zhì)。

29、進(jìn)一步地，500~1000目砂紙能夠細(xì)致地去除基板表面的氧化層和雜質(zhì)，而酒精清洗則能進(jìn)一步確?；灞砻娴那鍧嵍?，為沉積過程提供良好的界面條件。

30、進(jìn)一步地，基板達(dá)到諧振狀態(tài)的表面振幅是在0~9?μm范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，可以根據(jù)實(shí)際需要調(diào)整超聲能場對基板的作用強(qiáng)度，從而優(yōu)化熔池的冶金行為和沉積層的質(zhì)量。

31、進(jìn)一步地，導(dǎo)熱膠的填充可以提高水冷裝置與基板之間的熱傳導(dǎo)效率，使基板在激光熔覆過程中能夠更快地散熱，從而確保諧振頻率的穩(wěn)定，為沉積過程提供更加穩(wěn)定的超聲作用效果。

32、進(jìn)一步地，載粉氣體將ti60粉末穩(wěn)定地輸送到激光熔池中，確保ti60粉末的均勻分布和有效利用。保護(hù)氣體以防止合金在成形過程中出現(xiàn)氧化和夾雜污染，防止熔池在激光作用下與空氣中的氧氣、氮?dú)獾劝l(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生氧化、氮化和夾雜等缺陷，保護(hù)沉積層的質(zhì)量和性能。高純度氬氣或高純度氦氣作為載粉氣體可以確保ti60粉末在輸送過程中的穩(wěn)定性和純凈度，避免引入雜質(zhì)。高純度氬氣或高純度氦氣作為保護(hù)氣體可以有效地防止熔池在激光作用下與空氣中的氧氣和氮?dú)獾劝l(fā)生反應(yīng)，保護(hù)沉積層的質(zhì)量和性能。

33、進(jìn)一步地，600~800?w的功率能夠提供良好的能量輸入，使得ti60粉末能夠充分熔化并與基板形成良好的冶金結(jié)合。8~12?mm/s的掃描速度在保持熔池穩(wěn)定的同時，也保證了沉積效率。3~5?mm的光斑直徑能夠確保激光能量在較大范圍內(nèi)均勻分布，使得熔池更加均勻，沉積層的質(zhì)量也更高。50%~70%的重疊率可以確保相鄰軌道之間的良好結(jié)合，避免產(chǎn)生裂紋或未熔合區(qū)域。同時，適當(dāng)?shù)闹丿B還可以提高沉積層的整體致密度和力學(xué)性能。0.1~0.2?mm的抬升量在保證沉積效率的同時可以確保層與層之間的良好結(jié)合，避免產(chǎn)生未熔合區(qū)域。

34、進(jìn)一步地，采用超聲能場輔助激光直接能量沉積裝置進(jìn)行ti60組織調(diào)控，該超聲能場輔助激光直接能量沉積裝置，可以在lded成形過程中引入穩(wěn)定的超聲能場，通過超聲在熔池中產(chǎn)生的空化效應(yīng)與聲流效應(yīng)改變?nèi)鄢氐哪踢^程。通過采用超聲能場輔助激光直接能量沉積裝置進(jìn)行ti60組織調(diào)控，可以在不經(jīng)過任何后處理的條件下細(xì)化ti60的晶粒組織，獲得更為優(yōu)異的服役性能。