一种激光选区熔化TC4原位退火去残余应力方法

技术领域

本发明属于选区激光熔化增材制造领域，涉及一种激光选区熔化TC4原位退火去残余应力方法。

背景技术

选区激光熔化增材制造技术(以下简称SLM)的出现，减少了传统机加工方式在TC4钛合金薄壁件制造过程中的材料浪费，缩短产品研发周期，并且其力学性能优异。然而受制于快速熔凝过程中材料属性、激光参数、扫描策略等影响，SLM增材制造零部件内部积累极高的残余应力，特别是针对航空领域应用的TC4薄壁件，逐层累积的残余应力在打印过程中以变形/开裂的方式释放，造成试件在成形过程中便产生不可逆的损伤，导致极高的成形失败率，极大制约了利用SLM技术制备TC4薄壁件。

目前，有两种方法来应对选区激光融化钛合金残余应力释放问题，一是对试件进行去应力退火，201510508138.7对如何通过控制后期热处理工艺来消除残余应力做了详尽阐述，该方法只适用于已经完成成形的试件，另外一种方法是预热打印基板，减小成形过程沿粉末沉积方向的温度梯度，削弱残余应力积累，但受限于机器内部器件能承受的温度，目前商用机器预热温度加载一般都在200℃左右，而TC4需要近750℃才能实现去应力退火，所以急需一种操作简单方便的方法来减小制造过程中TC4钛合金薄壁件残余应力。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：减小制造过程中TC4钛合金薄壁件残余应力积累，解决TC4薄壁件制造过程中的开裂/变形行为。根据去应力退火原理，通过对SLM技术工艺深入研究，提出SLM成形过程中的原位退火方法，即对当前打印层已凝固表面再次输入能量，实现残余应力大小调控，减小制造过程中钛合金薄壁件残余应力积累。

有鉴于此，本发明的目的是提供一种激光选区熔化TC4原位退火去残余应力方法达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

1.一种激光选区熔化TC4原位退火去残余应力方法，包括以下步骤：

(1)铺一层钛合金粉末，对当前打印钛合金粉末层熔化并凝固；

(2)对步骤(1)已经熔化并凝固的单层进行激光重熔，所述的重熔次数为1～10次；

(3)重复步骤(1)-(2)直到TC4钛合金薄壁件制造完毕。

进一步，步骤(1)粉末熔化的工艺条件是：铺粉厚度0.03～0.05mm，激光功率180～220W，光斑直径0.05～0.08mm，曝光时间110～130μs，激光点距0.07～0.08mm，扫描间距0.14-0.16mm，5～10mm大小的棋盘格扫描方式。

进一步，步骤(2)重熔条件是：激光功率150～190W，光斑直径0.14～0.5mm，曝光时间125～300μs，激光点距0.03～0.1mm，扫描间距0.04～0.1mm，5～10mm大小的棋盘格扫描方式，重熔能量密度大于2.22J/mm²。

2.一种激光选区熔化TC4原位退火去残余应力方法，包括以下步骤：

(1)铺一层钛合金粉末，对当前打印钛合金粉末层熔化并凝固；

(2)重复步骤(1)2～10次，形成多层钛合金凝固层；

(3)对步骤(2)已经熔化并凝固的多层钛合金凝固层进行激光重熔，所述的重熔次数为1～10次；

(4)重复步骤(1)-(3)直到TC4钛合金薄壁件制造完毕。

进一步，步骤(1)粉末熔化的工艺条件是：激光功率180～220W，光斑直径0.05～0.08mm，曝光时间110～130μs，激光点距0.07～0.08mm，扫描间距0.14-0.16mm，5～10mm大小的棋盘格扫描方式，铺粉厚度0.03～0.05mm。

进一步，步骤(3)重熔条件是：激光功率150～190W，光斑直径0.14～0.5mm，曝光时间125～300μs，激光点距0.03～0.1mm，扫描间距0.04～0.1mm，5～10mm大小的棋盘格扫描方式，重熔能量密度大于2.22J/mm²。

本发明的有益效果在于：利用选区激光熔化技术制备TC4薄壁件，分为两步完成，第一步是将粉末熔化并凝固，第二步为对已经熔化并凝固单层或多层进行激光重融，减小温度梯度，降低应力积累，改善微观组织，实现退火功效。实现了TC4薄壁件的快速成型，抑制了打印过程中的开裂变形，有利于选区激光熔化制造技术在航空领域精密薄壁件制造中的推广应用。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：

图1为重熔能量密度为2.22～18J/mm²时TC4钛合金薄壁件；

图2为重熔能量密度为0～1.79J/mm²时TC4钛合金薄壁件；

图3为TC4钛合金薄壁件残余应力测试点；

图4为TC4钛合金薄壁件残余应力测试结果。

具体实施方式

下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。

实施例1

选区激光熔化技术是逐层铺粉堆积熔化的过程，本实施例步骤如下：

(1)铺一层钛合金粉末，铺粉厚度0.05mm，对当前打印钛合金粉末层熔化并凝固；粉末的熔化工艺为：激光功率200W，光斑直径0.075，曝光时间125μs，激光点距0.075mm，扫描间距0.15mm，5mm大小的棋盘格扫描方式；

(2)对步骤(1)已经熔化并凝固的单层进行激光重熔，所述的重熔次数为1次；重熔工艺为：激光功率190W，光斑直径0.3mm，曝光时间200μs，激光点距0.05mm，扫描间距0.06mm，5mm大小的棋盘格扫描方式，重融能量密度分别设为：0J/mm²、0.25J/mm²、0.49J/mm²、0.60J/mm²、0.74J/mm²、1.19J/mm²、1.79J/mm²、2.22J/mm²、4.0J/mm²、7.5J/mm²、7.5J/mm²、14J/mm²、14J/mm²、18J/mm²，以每一个重融能量打印一个样品，共计14个样品，对应样品编号见表1，其中0J/mm²代表没有进行重熔，以便结果对比；

(3)重复步骤(1)-(2)直到TC4钛合金薄壁件制造完毕。

表1 TC4薄壁件编号和对应的相对能量密度

打印结果如图1和图2所示，当重熔能量密度大于2.22J/mm²时，均未出现明显开裂现象，当重熔能量密度小于2.22J/mm²或者没有进行重熔，出现不同程度开裂行为。图3为选取的残余应力测试点，每个样品选取3个不同区域的测试点。测试结果如图4所示，与没有进行重熔工艺的样品对比，本发明制备的TC4薄壁件，沿平行于沉积方向的残余应力减少了85％～97％，沿垂直于沉积方向的残余应力减少了81％～98％，极大抑制了TC4薄壁件在选区激光熔化过程中的变形开裂行为，大大提升了选区激光熔化成型技术在航空薄壁件中制造应用。

实施例2

可以先形成多层钛合金凝固层，再对其进行激光重熔，本实施例步骤如下：

(1)铺一层钛合金粉末，铺粉厚度0.035mm，对当前打印钛合金粉末层熔化并凝固；激光功率190W，光斑直径0.07mm，曝光时间110μs，激光点距0.07mm，扫描间距0.16mm，8mm大小的棋盘格扫描方式；

(2)重复步骤(1)5次，形成多层钛合金凝固层；

(3)对步骤(2)已经熔化并凝固的多层钛合金凝固层进行激光重熔，所述的重熔次数为2次，重熔条件是：激光功率160W，光斑直径0.3mm，曝光时间200μs，激光点距0.06mm，扫描间距0.08mm，8mm大小的棋盘格扫描方式，能量密度5.7J/mm²；

(4)重复步骤(1)-(3)直到TC4钛合金薄壁件制造完毕。

最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。