基于双电子束的TC4钛合金增材制造构件应力缓释方法

摘要

本发明一种基于双电子束的TC4钛合金增材制造构件应力缓释方法，具体指一种基于双电子束的大尺寸TC4钛合金增材制造构件应力缓释控制方法，涉及增材制造技术领域。本发明由步骤A双电子束温度场模型的建立和修正，步骤B利用双电子束进行填丝增材制造组成。本发明采用双电子束技术在增材制造过程中对相变进行实时控制，以控制相变提高构件整体塑性的方式实现了大尺寸TC4钛合金增材制造构件应力的缓释，为大尺寸TC4钛合金增材制造构件制造的关键技术难题提供了一种新方法，提升了增材制造技术在航空、航天、石油、化工、冶金等领域的应用潜力，为其它金属材料的增材制造提供了理论与技术指导。

说明书

技术领域

本发明涉及增材制造技术领域，具体指一种基于双电子束的大尺 寸TC4钛合金增材制造构件应力缓释控制方法。

背景技术

TC4钛合金的材料组成为Ti-6Al-4V，属于(α+β)型钛合金，其 具有良好的耐蚀性、低密度、高比强度，优良的韧性和高温力学性能 及焊接性等一系列优点，在航空航天、石油化工、造船、汽车、医药 等部门都得到成功的应用。特别，随着航空航天领域对钛合金需求量 日益突出，使得钛合金增材制造作为一种节约、高效的技术成为未来 钛合金制造的主要方向。

但与此同时，因TC4钛合金相变体积效应小，相变导致的晶体 结构体积变化产生的应力所占比重很小，几乎可以忽略。因此，钛合 金焊接与增材制造的主要问题与难点如下：

第一，钛合金高温熔池极易被氧化。鉴于钛合金活性较大，在高 温下，钛合金极易与氧、氮、氢等元素进行反应，造成气孔、裂纹等 缺陷。

第二，钛合金熔覆层应力集中易变形。由于钛合金导热性较差， 焊缝及热影响区在热源作用下因受热与冷却速度不同会产生热应力， 这是造成钛合金构件应力过大的直接原因。另一方面，常规的增材制 造工艺冷却速度极快，由于缺乏必要的冷却速度控制措施使得凝固后 组织主要由塑性较差的α′马氏体相组成(如附图1所示)，α′马氏体 相由于溶质元素的过饱和固溶使得其晶格畸变严重，造成了其硬脆的 特点，这就导致了凝固后熔覆层的应力无法得到缓释。进一步，由于 单层的应力无法得到及时的改善，在后续的增材制造过程中每一层的 应力效果便会积累下来，当尺寸较大时发生构件变形，甚至出现开裂， 导致了大尺寸件制造困难。这是造成钛合金构件应力过大的间接原因 (如附图2所示)。

针对钛合金增材制造的上述主要难点，以真空电子束作为热源， 有利于防止在增材制造过程中钛合金的氧化。在此基础上如果采用某 种方法，一方面可以降低热应力，另一方面又可以减少α马氏体相含 量，增加塑韧性较好的α相与β相含量，通过实时地改善构件整体塑 性对应力进行缓释，这将对突破大尺寸钛合金增材制造件关键技术瓶 颈具有重要的指导意义。

经对现有技术的文献检索发现，《中国有色金属学报》2007年第 10期发表了胡美娟的一篇题为″12mm厚钛合金平板电子束焊接的 数值模拟″的文章。文中采用了ANSYS有限元软件对12mm厚钛 合金平板电子束焊接温度场与应力场进行了模拟，其实验结果与模拟 结果吻合较好。但其仅对单束电子束焊接过程进行了模拟。在《敦煌 国际焊接学术论坛》2004年发表的陈芙蓉的一篇题为″TC4钛合金 焊后电子束局部热处理温度场数值模拟″的文章。其中模拟了利用电 子束对焊后接头进行局部热处理，其仅讨论了温度场的特点。又《清 华大学学报》2008年第5期发表了尹昕的一篇题为″双束电子束焊 接温度场的数值模拟″的文章。文中提出了一种双束电子束焊接工艺， 并对双热源耦合作用对温度场的影响进行了模拟，但其并没有涉及或 提及通过控制相变过程对应力进行缓释控制的思路。由检索结果可知， 在增材制造过程中利用双电子束中辅束能量的精确控制通过相转变 控制以实现缓释熔覆层应力集中的方法还未见报道。

发明内容

本发明的目的在于有效地缓释熔覆层应力以解决大尺寸件的应 力累积效应问题，提出了一种大尺寸TC4钛合金增材制造构件应力 实时缓释的控制方法。

本发明的技术思路(如附图3所示)，基于在增材制造过程中对 电子束进行分束，其中，高能量主束熔化焊丝形成熔池，低能量辅束 对刚凝固的熔覆层进行快速扫描加热。结合电子束能量精确可控的特 点，利用双束缓冷控制熔覆层凝固过程温度循环曲线。一方面通过辅 束降低由主束形成的温度梯度，以使熔覆层及附近加热区各部位塑性 变形量均匀，减小热应力；另一方面通过延长α+β双相区停留时间(附 图1中冷却速度降低可以实现延长α+β双相区停留时间)，增加α与β 相含量，抑制α马氏体相来提高构件整体塑性，以改善钛合金构件变 形能力。通过两方面综合作用实现钛合金增材制造单层熔覆层残余应 力的降低与缓释。在第一层应力得到实时改善的基础上，在后续的增 材制造过程中利用该方法逐层实时改善应力，这将极大地削弱层与层 叠加造成的应力累积效应，最终获得低应力的增材制造构件。

本发明一种基于双电子束的大尺寸TC4钛合金增材制造构件应 力缓释方法的技术方案如下：

采用双电子束对大尺寸TC4钛合金进行增材制造，通过辅束的 引入与调节精确控制凝固过程温度梯度，延长α和β双相区高温停留 时间，以增加初生α相与保留更多的残余β相减少并抑制α马氏体相 的生成，通过控制相变的方式提高钛合金构件整体塑性，以改善钛合 金构件变形能力，实现大尺寸TC4钛合金增材制造件的应力缓释控 制，其具体步骤如下：

步骤A双电子束温度场模型的建立和修正；步骤B利用双电子 束进行填丝增材制造组成。

所述的基于双电子束的TC4钛合金增材制造构件应力缓释方法， 其特点，所述步骤A还有如下步骤：

步骤A.1增材制造前，使用Marc有限元模拟软件通过加载TC4 钛合金热物理参数、网格划分、热源模型及边界条件建立双电子束增 材制造过程温度场模型；

步骤A.2将热电偶焊在TC4母材基板上的熔覆层附近区域，其 输出端通过真空室法兰盘的插头与外部测温装置连接，再与计算机连 接；

步骤A.3利用热电偶对增材制造过程温度进行采集，根据热电 偶测温结果对模型参数钛合金热物理参数、网格划分、热源模型和工 艺参数因素进行调整、修正以保证温度场模型的可靠性。

所述步骤B还有如下步骤：

步骤B.1将TC4钛合金板材进行切割，以获得4～10mm厚的 母材基板，对TC4钛合金母材基板表面打磨去除氧化膜、用丙酮清 洗、晾干后装夹固定于真空室内工作台上。

步骤B.2调整送丝角度为30°～60°，将直径为0.8～1.2mm的 TC4钛合金焊丝从真空室内由送丝机构送出，经喷嘴装置送至下束点 位置，焊丝干伸长为1cm。

步骤B.3关闭真空室并抽真空，使真空室的真空度达到5×10^-2Pa 以下。

步骤B.4采用前置填丝方位进行增材制造，根据模型对增材制造 过程的工艺参数，加速电压、主束束流、送丝速度、熔覆速度、辅束 束流与扫描频率进行设定，主束熔化焊丝形成熔覆层，辅束对刚凝固 的熔覆层进行快速扫描加热。

步骤B.5通过对辅束的调整控制熔覆层的冷却速度，以延长α+β 双相区高温停留时间。

步骤B.6当完成一道熔覆层的制造后，使工作台沿垂直于增材制 造方向行走一个熔覆层宽度的70％～80％距离，以与前道熔覆层搭接 一个熔覆层宽度的20％～30％进行下道熔覆层的制造。

步骤B.7当完成同一平面制造后，使升降系统降低一个熔覆层厚 度，并移动工作台回到原下束点位置。

步骤B.8通过对步骤B.2～步骤B.7的重复完成大尺寸钛合金增材 制造过程。

本发明不同于现有的去应力退火处理，使用控制的方法可以逐层 实时地改善应力，该方法填补了焊接及增材制造领域工艺过程中钛合 金相及应力无法实时控制的空白，为航空航天大尺寸TC4钛合金增 材制造构件制造关键技术难题提供了一种新方法。

附图说明

图1为TC4合金连续冷却转变曲线图；

图2为常规增材制造应力积累过程框图；

图3为本发明采用双电子束干预下的应力缓释过程框图；

图4为本发明真空电子束增材制造设备的主视图；

图5为本发明真空电子束增材制造设备的俯视图。

图中标号说明

1.真空室；2.送丝喷嘴；3.送丝机构；4.TC4焊丝；5.主束；6.辅 束；7.熔覆层；8.TC4基板；9.工作台；10.升降系统；11.热电偶； 12.法兰盘；13.测温装置；14.计算机。

A.填丝角度；B.干伸长。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明作进一步描述

本发明实施例(如附图4、5所示)

一、双电子束温度场模型的建立和修正

步骤1、增材制造前，使用Marc有限元模拟软件通过加载TC4 钛合金热物理参数、网格划分、热源及边界条件建立双电子束增材制 造过程温度场模型。

步骤2、将热电偶11焊在TC4母材基板8上的熔覆层7附近 区域，其输出端通过真空室1法兰盘12的插头与外部测温装置13 连接，再与计算机14连接。

步骤3、利用热电偶11对增材制造过程温度进行采集，根据热 电偶测温结果对模型参数如钛合金热物理参数、网格划分、热源模型 与工艺参数等因素进行调整和修正以保证温度场模型的可靠性。

二、利用双电子束进行填丝增材制造

步骤4、将TC4钛合金板材进行切割，以获得4～10mm厚的 母材基板8，对TC4钛合金母材基板8表面打磨去除氧化膜、用丙 酮清洗、晾干后装夹固定于真空室1内工作台9上。

步骤5、调整送丝角度A为30°～60°，将直径为0.8～1.2mm 的TC4钛合金焊丝4从真空室1内由送丝机构3送出，经喷嘴装置 2送至下束点位置，焊丝干伸长B为1cm。

步骤6、关闭真空室1并抽真空，使真空室的真空度达到5× 10^-2Pa以下。

步骤7、采用前置填丝方位进行增材制造，根据模型对增材制造 工艺参数进行如下设定：

加速电压为60～150kV，熔覆速度为100～300mm/min，电子 束分束以20～40mA的主束5熔化焊丝，送丝速度为 0.5m/min～2m/min，以束流为1～5mA、扫描频率为50～500Hz 的辅束6快速扫描对刚凝固的熔覆层7进行加热。

步骤8、通过对辅束6的调整控制熔覆层7的冷却速度，冷却 速度控制在20℃/s～410℃/s范围内以延长α+β双相区高温停留时 间。

步骤9、当完成一道熔覆层7的制造后，使工作台沿垂直于增材 制造方向行走一个熔覆层7宽度的70％～80％距离，以与前道熔覆 层7搭接一个熔覆层7宽度的20％～30％进行下道熔覆层7的制造， 以此方式完成同一平面的增材制造。

步骤10、当完成同一平面制造后，使升降系统10降低一个熔 覆层7厚度，并移动工作台9回到原下束点位置。

步骤11、通过对步骤5～步骤10的重复完成大尺寸钛合金增材 制造过程。

综上所述，本发明采用双电子束技术在增材制造过程中对相变 进行实时控制，以控制相变提高构件整体塑性的方式实现了大尺寸 TC4钛合金增材制造构件应力的缓释，为大尺寸TC4钛合金增材制 造构件制造的关键技术难题提供了一种新方法，提升了增材制造技术 在航空、航天、石油、化工、冶金等领域的应用潜力，为其它金属材 料的增材制造提供了理论与技术指导。