一種大幅度提高鈦鋁合金表面硬度的激光熔凝工藝的制作方法
【專利摘要】本發明涉及到一種大幅度提高鈦鋁合金表面硬度的激光熔凝工藝，其特征在于包括下述步驟：在真空非自耗電弧爐中制備Al含量為46at％的Ti-Al合金，將配好的合金切割成20mm×7mm×2mm長方體試樣，樣品表面處理，設置激光束移動路徑及其實驗參數，進行激光熔凝。與現有技術相比本方法具有操作過程簡單快捷、加工效率高、處理方便，試樣變小形等的優點，其同時又具有快速凝固的特點，能夠大幅度提高合金表面的硬度，從而增加合金表面的彈性變形抗力、塑性變形抗力等使其使用壽命增長。
【專利說明】一種大幅度提高鈦鋁合金表面硬度的激光熔凝工藝
【技術領域】
[0001]本發明屬于金屬材料【技術領域】，具體是通過激光熔凝T1-Al合金，提高T1-Al合金的硬度。
【背景技術】
[0002]鈦鋁合金密度低、比強度高、比剛度高、耐熱性好，具有高的抗高溫蠕變性能和抗氧化能力，是綜合性能較好的輕質高溫合金，因此成為輕質合金中研究的重點。它在生產生活中的應用主要在飛機發動機高壓壓氣機及低壓渦輪葉片等方面，同時也用于做大梁、起落架部件、隔征、壓縮機導風葉輪、靜葉片等部件。
[0003]由于飛機的飛行高度和速度受到自身重量的影響，而高速的運動又決定了飛機必須要同時具備質量輕和堅硬度高的特性，所以近年來該合金的研究主要集中在通過合金化以及快速凝固技術提高合金的硬度。T1-Al合金目前實際應用的最大障礙一方面是該類合金的硬度不夠高，另一方面則是850°C以上的抗氧化性不足，制約了 T1-Al合金的應用和推廣。因此，提高T1-Al合金的硬度具有很高的實用價值。
[0004]NASA報告指出，到2020年鈦鋁合金及其復合材料的用量在航空、航天發動機中將占有20%左右的份額。此外，鈦鋁合金在體育用品和日常消費品領域(如高爾夫球棒、自行車或珠寶飾物等)中的需求量也越來越大，已經成為人們日常生活中的一部分。總之，由于鈦鋁合金的優良性能，其應用和發展前景廣闊。現在人們對影響T1-Al合金硬度的因素及如何影響了解的較少，在激光熔凝過程中，激光的功率和掃描速度會直接影響材料的微觀組織，從而改變材料的物理化學性能，因此本發明通過控制掃描速度制備出了表面硬度提高4-5倍的T1-Al合金。
[0005]發明目的
[0006]由于一般提高鈦鋁合金硬度的方法比較復雜、耗時，在應用中受限制，本發明是針對其問題提出了更簡單有效地提高鈦鋁合金表面硬度的方法。
【發明內容】
[0007]本發明所要解決的技術問題是針對現有技術的現狀提供一種操作簡單、效率高、工件變形小、表面無裂紋和氣孔、易于實現自動化控制并且能大幅度提高T1-Al合金表面硬度的激光熔凝工藝。
[0008]本發明是采用如下技術方案實現的:
[0009]①配置母合金:采用鈦(99.97% )和鋁(99.99% )在真空非自耗電弧爐中配為合金，控制其中的鋁為46at %，為了保證合金熔煉均勻，每個合金錠至少翻轉重熔4次。
[0010]②表面處理:把樣品用線切割方法切成20mmX7mmX2mm的長方體試樣，然后打磨至800#的金相砂紙，繼而在酒精中反復清洗，確保所有激光重熔表面都具有相同的狀況。
[0011]③激光熔凝前期準備:把長方體的樣品放置加工平臺之上，并由兩端夾持裝置固定，然后移動工作臺使樣品加工的起點對準激光器He-Ne準直光斑。設定工作臺移動路徑，使激光按照所設定的路徑進行掃描，移動只是單一方向。
[0012]④設置激光熔凝工藝參數:室內環境溫度為20°C，保護氣為高純氬氣，氣流為
5.0L/min，激光半徑為1mm、激光功率為300W，掃描速度分別為0.5mm/s和lmm/s。
[0013]以上所述的激光熔凝都是采用1000W Cff Nd =YAG大功率連續固體激光器。
[0014]有益效果
[0015]T1-Al合金因具有良好的低密度和耐熱性能在機動器械領域有廣泛的應用，T1-Al合金的硬度成為限制其作為機械活動部位(如發動機葉片，壓氣機葉片，發動機排氣閥等)零部件材料的重要因素。在特定掃描速度下經過激光熔凝后的T1-Al合金表面硬度顯著調高4-5倍，從而提高了試樣的強度和耐磨性等性能。此方法較之傳統方法可以提高生產效率，適合大規模生產。這為T1-Al合金在航天航空，汽車發動機領域的廣泛應用提供了可倉泛。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0016]圖1為本發明實施例激光表面熔凝的加工示意圖
[0017]圖2為本發明實施例1、2和其合金未經激光處理前的硬度測量值
【具體實施方式】
[0018]以下結合附圖施例對本發明作進一步詳細描述，但本發明絕非僅局限于實施例。激光掃描時工作狀態的的不意圖如圖1所不。圖1中，1:激光束，2:反光鏡，3:樣品，4:保護氣，5:加工臺，6:工作臺。T1-Al合金未處理前的硬度如圖2中的黑色空心點所示，大多集中在維氏硬度274.7Hv。
[0019]實施例1
[0020]①采用鈦(99.97% )和鋁(99.99% )在真空非自耗電弧爐中配為合金，控制其中的鋁為46at%，為了保證合金熔煉均勻，每個合金錠至少翻轉重熔4次。②把樣品用線切割方法切成20mmX 7mmX 2mm的長方體試樣，然后打磨至800#的金相砂紙，繼而在酒精中反復清洗，確保所有激光重熔表面都具有相同的狀況。③把長方體的樣品放置加工平臺之上，并由兩端夾持裝置固定，然后移動工作臺使樣品加工的起點對準激光器He-Ne準直光斑。設定工作臺移動路徑，使激光按照所設定的路徑進行掃描，移動只是單一方向。④進行激光熔凝實驗，具體參數:室內環境溫度為20°C，保護氣為高純氬氣，氣流為5.0L/min，激光半徑為1mm、激光功率為300W，掃描速率為0.5mm/s。⑤采用維氏硬度計測量激光掃過的熔池的硬度如圖2中的實心菱形點所示。
[0021]實施例2
[0022]①采用鈦(99.97% )和鋁(99.99% )在真空非自耗電弧爐中配為合金，控制其中的鋁為46at%，為了保證合金熔煉均勻，每個合金錠至少翻轉重熔4次。②把樣品用線切割方法切成20mmX 7mmX 2mm的長方體試樣，然后打磨至800#的金相砂紙，繼而在酒精中反復清洗，確保所有激光重熔表面都具有相同的狀況。③把長方體的樣品放置加工平臺之上，并由兩端夾持裝置固定，然后移動工作臺使樣品加工的起點對準激光器He-Ne準直光斑。設定工作臺移動路徑，使激光按照所設定的路徑進行掃描，移動只是單一方向。④進行激光熔凝實驗，具體參數:室內環境溫度為20°C，保護氣為高純氬氣，氣流為5.0L/min，激光半徑為1mm、激光功率為300W，掃描速率為lmm/s。⑤采用維氏硬度計測量激光掃過的熔池的硬度如圖2中的實心正方形點所示。
[0023]產業上應用的可能性:
[0024]本發明具有過程簡單、處理方便、成形快捷的優點，且大幅度的提高了合金表面的硬度，可以廣泛的應用在高硬度的抵抗彈性變形、塑性變形的合金材料領域。
【權利要求】
1.一種大幅度提高鈦鋁合金表面硬度的激光熔凝工藝，其特征在于步驟如下: 步驟1:采用鈦(99.97% )和鋁(99.99% )在真空非自耗電弧爐中配為合金，控制其中的Al為46at%，翻轉重熔至少四次； 步驟2:把合金樣品表放置面打磨平整至800#的金相砂紙，繼而在酒精中反復清洗，確保所有激光重熔表面都具有相同的狀況； 步驟3:把合金樣品放置于加工平臺之上，兩端夾持固定，然后移動工作臺使樣品加工的起點對準激光器He-Ne準直光斑，設定工作臺移動路徑，使激光按照所設定的路徑進行掃描，移動只是單一方向； 步驟4:設置室內環境溫度為20°C，保護氣為高純氬氣，氣流為5.0L/min，激光半徑為1mm、激光功率為300W。進行掃描，掃描速率分別為0.5mm/s和lmm/s。
2.根據權利要求1所述的大幅度提高T1-Al合金表面硬度的激光熔凝工藝，其特征在于:合金成分為T1-46at%Al，所述激光熔凝是采用1000W Cff Nd:YAG大功率連續固體激光器，實驗過程中功率為300W。
【文檔編號】C22F3/00GK104233144SQ201410333129
【公開日】2014年12月24日 申請日期:2014年7月10日 優先權日:2014年7月10日
【發明者】姚文靜, 張鳳杰, 武小昭, 王楠 申請人:西北工業大學