一種TiAl合金零件的快速成形方法與流程
2024-02-24 07:21:15 1
本發明屬於材料製備技術領域，具體涉及一種tial合金零件的快速成形方法。
背景技術：
tial作為一種新型的輕質高溫合金，比強度與鈦合金相當，具有高的比剛度及導熱係數，密度低於鈦合金和鎳基高溫合金，被公認為新型航空航天發動機的靜止件、轉動件的首選材料，主要應用於高壓壓氣機導向葉片、壓縮機殼體、活塞蓋、渦輪增壓器轉子、排氣閥座等零件。但是，tial合金室溫脆性大，加工性能差，大大限制了tial合金在航空航天領域的應用。
目前，tial合金零件的成形方法主要有傳統粉末冶金、鑄錠冶金法、物理氣相沉積法、流延法等，這些方法主要存在以下缺點：
1)這些方法屬於熱加工方法，產品易開裂，需要結合其他後期處理來成形零件，後期處理工序複雜，生產時間周期較長，製備成本高，不適合批量生產；
2)組織內部存在較嚴重的疏鬆、縮孔和成分偏析問題；
3)依賴模具成形，製備成品結構單一，難以實現複雜零件的成形。
以上缺點使得現有製備方法不適用於批量及複雜形狀tial合金零件的生產。
技術實現要素：
本發明的目的是提供一種tial合金零件的快速成形方法，解決了現有製備方法不適用於批量及複雜形狀tial合金零件生產的問題。
本發明所採用的技術方案是，一種tial合金零件的快速成形方法，包括以下步驟：
將tial合金粉末和添加元素粉末，得到固體混合粉末，通過球磨機對所述固體混合粉末進行解離、球磨，球磨的同時加入分散劑；將球磨後的固體混合粉末加入到光固化單體溶劑中，再加入分散劑、光引發劑、消泡劑，混合均勻得到漿料；
將製備好的所述漿料裝入光固化設備，利用紫外線光束，根據零件的三維模型逐層、逐點進行固化列印，得到固化成形的tial合金坯體；
通過燒結爐對所述固化成形的tial合金坯體進行脫脂和熱等靜壓，得到tial合金零件。
本發明的特點還在於：
優選地，上述添加元素粉末為nb、w、mo、y、si中任一種，添加元素粉末的含量為固體粉末總質量的5％～10％。添加此類β相穩定元素可以降低相轉變溫度，有效地改善tial合金內部組織。
優選地，光固化單體溶劑為環氧丙烯酸酯、聚氨酯丙烯酸酯、聚酯丙醚丙烯酸酯、丙烯酸酯化聚丙烯酸酯、縮水甘油基類、縮水甘油醚類、縮水甘油酯類、脂環族環氧、聚氨酯類環氧、不飽和雙鍵氧化類環氧、芳香族環氧中任一種或其中至少兩種的混合物，光固化單體溶劑的質量與固體粉末的質量比為1:1～9:1。這類光固化單體固化交聯密度較高，體積收縮率小、層與層間附著力強，有助於提高合金性能，且固化速度快，能夠減少達到完全固化所需的時間。
優選地，光引發劑為重氮鹽、芳茂鐵鹽、碘鎓鹽、硫鎓鹽、安息香類、苯乙酮類或苯乙酮縮酮類，光引發劑的質量為光固化單體質量的0.4％～2％。上述光引發劑的固化效率高。
優選地，分散劑為聚丙酸鈉、聚丙烯、聚苯乙烯、四元醋酸銨、己烯基雙硬脂醯胺、三硬脂酸甘油酯中的任一種，兩次添加的分散劑的總質量佔固體混合粉末總質量的0.5％～5％，球磨過程中加入分散劑總質量的0.3％～2％，漿料混合過程中加入分散劑總質量0.2％～3％。
優選地，消泡劑為乙醇、聚丙烯酸酯、聚二甲基矽油、改性聚矽氧烷、金屬皂或磷酸三丁酯，消泡劑的質量為漿料質量的0.4％～0.9％，可以有效降低氣泡周圍的張力，促使氣泡聚集成大的氣泡，最終氣泡破裂消失。
進一步地，第二次加入所述分散劑、光引發劑、消泡劑時，還加入稀釋劑，稀釋劑為甲乙酮、環己酮、甲苯、正丁醇或苯乙烯，稀釋劑的質量為漿料質量的0.5％～1％。加入稀釋劑可降低漿料粘度，加快固化速度。
優選地，固體粉末加入到光固化單體溶劑中混合時，對固體粉末及光固化單體溶劑進行預熱，預熱溫度在40℃～70℃之間，提高固體粉末在漿料中的溶解度，有助於增加固體粉末的含量，改善成形零件的質量。
優選地，通過燒結爐對固化成形的tial合金坯體進行脫脂時的脫脂溫度為200℃～450℃，保溫時間為2h～4h。該溫度和時間可以保證樹脂可以脫除，保溫時間可以充分的進行脫脂。
優選地，熱等靜壓為在1000℃～1300℃，壓強40mpa～170mpa條件下保溫1h～3h，該參數能使合金零件緻密性更好。
本發明的有益效果是，本發明採用光固化的手段進行tial合金零件坯體的生成，1)實現複雜零件的近淨成形，解決tial合金現有加工方法易開裂等性能差的缺點，同時無需後續加工，縮短加工時長，節約成本；2)結合脫脂和熱等靜壓技術，有效消除成形過程中產生的疏鬆、縮孔等缺陷，達到零件緻密化的效果；3)擺脫了傳統加工方式對模具的依賴性，可以實現tial合金零件的批量製備以及複雜零件的成形。
具體實施方式
下面結合具體實施方式對本發明作進一步的詳細說明，但本發明並不限於這些實施方式。
本發明的tial合金的快速成形方法具體按照以下步驟實施：
步驟1，原材料製備
(1)球磨
選取tial合金粉末和添加元素粉末，混合得到固體粉末，放入球磨機中進行解離、球磨，添加元素粉末可以為nb、w、mo、y、si等，用於提高合金的高溫抗氧化性能，其含量為固體粉末總質量的5％～10％。球磨的同時加入分散劑，促進粉末的均勻分散和混合。
(2)漿料製備
將球磨後的固體粉末加入到光固化單體溶劑中，再逐步加入適量分散劑，促進固體粉末的分散，混合過程中進行預熱，預熱溫度在30℃～50℃之間。攪拌均勻後，加入光引發劑、稀釋劑、消泡劑，混合均勻得到漿料。在引入光引發劑的時候以及後續的混合、儲存過程應該在暗室中進行，避免見光，尤其紫外光，以保證漿料保持良好的流動性以及防止變質。
光固化單體溶劑可採用丙烯酸酯類齊聚物或環氧類齊聚物之一，或者二者的混合物，可以使用的有環氧丙烯酸酯、聚氨酯丙烯酸酯、聚酯丙醚丙烯酸酯、丙烯酸酯化聚丙烯酸酯、縮水甘油基類、縮水甘油醚類、縮水甘油酯類、脂環族環氧、聚氨酯類環氧、不飽和雙鍵氧化類環氧、芳香族環氧等，光固化單體的質量與固體粉末的質量比為1:1～9:1。光引發劑主要包括自由基光引發劑以及陽離子引發劑，如重氮鹽、芳茂鐵鹽、碘鎓鹽、硫鎓鹽、安息香類、苯乙酮類或苯乙酮縮酮類，光引發劑的含量一般為光固化單體質量的0.4％～2％。分散劑可採用聚丙酸鈉、聚丙烯、聚苯乙烯、四元醋酸銨、己烯基雙硬脂醯胺、三硬脂酸甘油酯中的任一種，兩次添加的分散劑相同，總質量一共佔固體粉末總質量的0.5％～5％，球磨過程中加入其中的0.3％～2％，漿料混合過程中加入0.2％～3％。消泡劑可採用乙醇、聚丙烯酸酯、聚二甲基矽油、改性聚矽氧烷、金屬皂或磷酸三丁酯，添加量為漿料質量的0.4％～0.9％。稀釋劑可以採用甲乙酮、環己酮、甲苯、正丁醇或苯乙烯，添加量為漿料質量的0.5％～1％。
對於有機溶劑，在保證漿料優異性能的條件下，儘量選取少劑量，以防後期脫脂燒結過程中，由於過度收縮而引發零件變形。
步驟2，坯體製備
將製備好的漿料裝入光固化設備，利用紫外線光束，採用面曝光或者點掃描的方式，根據零件的三維模型逐層、逐點進行固化列印，得到固化成形的tial合金坯體。光固化層厚控制在30～60μm。
步驟3，後處理
將光固化成形的tial合金坯體放入到燒結爐中進行脫脂，脫脂溫度可以根據熱重(tg)曲線進行確定，一般選取質量變化較為嚴重的溫度區間作為脫脂溫度，一般為200℃～450℃。為保證脫脂過程的完全性，保溫時間為2h～4h，確保有機粘結劑完全去除。然後在1000℃～1300℃，壓強40mpa～170mpa，時間為1h～3h的條件下進行熱等靜壓。
為減小升溫過程對毛坯性能的影響，可以選擇梯度式升溫模式，在達到脫脂溫度前升溫速率控制在5℃/min以上，接近脫脂溫度時，升溫速率減小到2℃/min以下。
後處理過程具體為：脫脂過程中以8℃/min～15℃/min的速度升溫到100℃，以0.5℃/min～2℃/min升溫到200℃～450℃，保溫1h～2h，進行脫脂。熱等靜壓過程中，以5℃/min～10℃/min升溫到600℃，以10℃/min～15℃/min升溫到800℃，保溫1h～2h，以5℃/min～10℃/min升溫到900℃，保溫1h～2h，以0.5℃/min～3℃/min升溫到1000℃～1300℃，保溫1h～3h，最終冷卻得到tial合金。
採用本發明方法製備出的tial合金零件緻密度較高，快速形成結構複雜的零件，大大縮短加工的時長，適合批量生產。
實施例1
一種tial合金的成形方法，具體包括以下步驟：
1.原材料製備
選取tial合金(ti-47.5al-2.5v-1.0cr，at％)粉末700g，粉末粒度位於1μm～3μm，d50＝1.5μm。選取35g的mo粉末(鉬粉末)，粒徑在1μm～3μm，8.4g的四元醋酸銨分散劑，將tial粉末與mo粉末混合，混合後的粉末與四元醋酸銨均平分為四份，取其一份放入球磨機中，進行球磨，時間為3h，再將剩餘粉末依次加入，混合均勻。
選取130g的聚氨酯丙烯酸酯與環氧丙烯酸酯單體混合物，混合比例1:2，選取14g的四元醋酸銨分散劑，將固體粉末與分散劑逐漸加到聚氨酯丙烯酸酯與環氧丙烯酸酯混合物中，均勻混合。在進行漿料混合的過程中，需要進行加熱，加熱的溫度為45℃。在暗室中，加入2.5g的二苯基乙二酮光引發劑，加入5g的正丁醇稀釋劑，混合。在整個漿料混合過程，不斷進行攪拌，直至漿料混合均勻。為了消除漿料在混合過程中由於攪拌而產生的氣泡，加入8g的金屬皂消泡劑。
2.生坯製備
將漿料加到光固化設備中，利用可控的紫外線光束，波長為337nm，採用面曝光的方式，調整參數，光固化層厚控制在30μm，根據3d列印模型，逐層固化，製成tial合金零件坯體。
3.後處理
將零件坯體室溫放入燒結爐中，脫脂溫度為400℃，以10℃/min的速度升溫到100℃，以4℃/min升溫到200℃，以2℃/min升溫到300℃，保溫0.5h，以0.5℃/min升溫到400℃，進行脫脂，保溫時間為2.5h。
在1200℃、40mpa、保溫時間為2h的條件下，進行熱等靜壓，獲得高緻密tial合金零件。升溫採用階梯式升溫方式，以8℃/min升溫到600℃，以10℃/min升溫到800℃，保溫1h，以5℃/min升溫到900℃/min，保溫1.5h，以2.5℃/min升溫到1100℃，以0.5℃/min升溫到1200℃，壓力為40mpa，保溫3h，冷卻後得到tial合金。
實施例2
一種tial合金的成形方法，具體包括以下步驟：
1.原材料製備
選取tial合金(ti-47.5al-2.5v-1.0cr，at％)粉末700g，粉末粒度位於1μm～3μm，d50＝1.5μm。選取40g的w粉末(鎢粉末)，粒徑在1μm～3μm，8.4g的四元醋酸銨分散劑，將tial粉末與w粉末混合，混合後的粉末與四元醋酸銨均平分為四份，取其一份放入球磨機中，進行球磨，時間為3h，將剩餘粉末依次加入，混合均勻。
選取90g的聚氨酯丙烯酸酯單體，選取13g的四元醋酸銨分散劑，將固體粉末與分散劑逐漸加到聚氨酯丙烯酸酯混合物中，均勻混合。在進行漿料混合的過程中，需要進行加熱，加熱的溫度為45℃。在暗室中,加入1.5g的安息香雙甲醚光引發劑，混合，加入5g的正丁醇稀釋劑。在整個漿料混合過程，不斷進行攪拌，直至漿料混合均勻。為了消除漿料在混合過程中由於攪拌而產生的氣泡，加入6g的改性聚矽氧烷消泡劑。
2.生坯製備
將漿料加到光固化設備中，利用可控的紫外線光束，波長為253nm，採用面曝光的方式，調整參數，光固化層厚控制在60μm，根據3d列印模型，逐層固化，製成tial合金零件坯體。
3.後處理
將零件坯體室溫放入燒結爐中，脫脂溫度為420℃，以10℃/min的速度升溫到100℃，以4℃/min升溫到200℃，以2℃/min升溫到300℃，保溫0.5h，以0.5℃/min升溫到420℃，進行脫脂，保溫時間為2.0h。
在1250℃、70mpa、保溫時間為2h的條件下，進行熱等靜壓，獲得高緻密tial合金零件。升溫採用階梯式升溫方式，以8℃/min升溫到600℃，以10℃/min升溫到800℃，保溫1h，以5℃/min升溫到900℃/min，保溫1.5h，以2.5℃/min升溫到1100℃，以0.5℃/min升溫到1250℃，壓力70mpa，保溫2h。
實施例3
一種tial合金的成形方法，具體包括以下步驟：
1.原材料製備
選取tial合金(ti-33al-3cr-0.5mo，at％)粉末800g，粉末粒度位於0.5μm～2.5μm，d50＝1.5μm。選取45g的nb粉末(鈮粉末)，粒徑在0.8μm～2μm，8g的聚丙酸鈉分散劑，將tial粉末與nb粉末混合，混合後的粉末與聚丙酸鈉均平分為三份，取其一份放入球磨機中，進行球磨，時間為2.5h，將剩餘粉末依次加入，混合均勻。
選取270g的環氧丙烯酸酯和脂環族環氧樹脂單體混合物，混合比例為1:1，選取16g的聚丙酸鈉分散劑，將固體粉末與分散劑逐漸加到環氧丙烯酸酯和脂環族環氧樹脂混合物中，均勻混合。在進行漿料混合的過程中，需要進行加熱，加熱的溫度為40℃。在暗室中，加入4g的安息香雙甲醚及二烷基苯甲醯甲基硫鎓鹽光引發劑，混合比例1:1。在整個漿料混合過程，不斷進行攪拌，直至漿料混合均勻。為了消除漿料在混合過程中由於攪拌而產生的氣泡，加入9g的聚二甲基矽油消泡劑，同時加入9g的甲乙酮及環己酮稀釋劑，混合比例1:1，減小漿料粘度。
2.生坯製備
將漿料加到光固化設備中，利用可控的紫外線光束，波長為250nm，採用點曝光的方式，調整參數，光固化層厚控制在30μm，根據3d列印模型，逐層固化，製成tial合金零件坯體。
3.後處理
將零件坯體室溫放入燒結爐中，脫脂溫度為430℃，以10℃/min的速度升溫到100℃，以4℃/min升溫到200℃，以2℃/min升溫到300℃，保溫0.5h，以0.5℃/min升溫到430℃，進行脫脂，保溫時間為2.0h。
在1250℃、170mpa、保溫時間為1h的條件下，進行熱等靜壓，獲得高緻密tial合金零件。升溫採用階梯式升溫方式，以8℃/min升溫到600℃，以10℃/min升溫到800℃，保溫1h，以5℃/min升溫到900℃，保溫1.5h，以2.5℃/min升溫到1150℃，壓力為80mpa，保溫1h，以0.5℃/min升溫到1250℃，壓力為170mpa，保溫1h。
實施例4
一種tial合金的成形方法，具體包括以下步驟：
1.原材料製備
選取tial合金(ti-33al-3cr-0.5mo，at％)粉末800g，粉末粒度位於0.5μm～2.5μm，d50＝1.5μm。選取45g的nb粉末(鈮粉末)，粒徑在0.8μm～2μm，8g的聚丙酸鈉分散劑，將tial粉末與nb粉末混合，混合後的粉末與聚丙酸鈉均平分為三份，取其一份放入球磨機中，進行球磨，時間為3h，將剩餘粉末依次加入，混合均勻。
選取343g的環氧丙烯酸酯和脂環族環氧樹脂單體混合物，混合比例為1:1，選取16g的聚丙酸鈉分散劑，將固體粉末與分散劑逐漸加到環氧丙烯酸酯和脂環族環氧樹脂混合物中，均勻混合。在進行漿料混合的過程中，需要進行加熱，加熱的溫度為50℃。在暗室中,加入6g的安息香雙甲醚及二烷基苯甲醯甲基硫鎓鹽光引發劑，混合比例1:1。在整個漿料混合過程，不斷進行攪拌，直至漿料混合均勻。為了消除漿料在混合過程中由於攪拌而產生的氣泡，加入9g的聚二甲基矽油消泡劑，同時加入9g的甲乙酮及環己酮稀釋劑，混合比例1:1，減小漿料粘度。
2.生坯製備
將漿料加到光固化設備中，利用可控的紫外線光束，波長為250nm，採用點曝光的方式，調整參數，光固化層厚控制在50μm，根據3d列印模型，逐層固化，製成tial合金零件坯體。
3.後處理
將零件坯體室溫放入燒結爐中，脫脂溫度為450℃，以10℃/min的速度升溫到100℃，以4℃/min升溫到200℃，以2℃/min升溫到300℃，保溫1h，以0.5℃/min升溫到450℃，進行脫脂，保溫時間為2.5h。
在1250℃、130mpa、保溫時間為1.5h的條件下，進行熱等靜壓，獲得高緻密tial合金零件。升溫採用階梯式升溫方式，以8℃/min升溫到600℃，以10℃/min升溫到800℃，保溫0.5h，以5℃/min升溫到900℃/min，保溫1h，以2.5℃/min升溫到1150℃，壓力為60mpa，保溫1h，以0.5℃/min升溫到1250℃，壓力為130mpa，保溫1.5h。
實施例5
一種tial合金的成形方法，具體包括以下步驟：
1.原材料製備
選取tial合金(ti-48al，at％)粉末550g，粉末粒度位於0.5μm～3μm，d50＝1.5μm。選取30g的mo粉末及20g的nb，粒徑在0.8μm～2μm，9g的聚苯乙烯分散劑，將tial粉末與mo、nb粉末(鉬粉末、鈮粉末)混合，混合後的粉末與聚苯乙烯分散劑均平分為三份，取其一份放入球磨機中，進行球磨，時間為4h，將剩餘粉末依次加入，混合均勻。
選取450g的丙烯酸酯化聚丙烯酸酯和芳香族環氧樹脂單體混合物，混合比例為1:1，選取14g的聚苯乙烯分散劑，將固體粉末與分散劑逐漸加到丙烯酸酯化聚丙烯酸酯和芳香族環氧樹脂混合物中，均勻混合。在進行漿料混合的過程中，需要進行加熱，加熱的溫度為50℃。在暗室中，加入6g的二烷基苯甲醯甲基硫鎓鹽光引發劑。在整個漿料混合過程，不斷進行攪拌，直至漿料混合均勻。為了消除漿料在混合過程中由於攪拌而產生的氣泡，加入9g的磷酸三丁酯消泡劑，同時加入8g的甲乙酮及環己酮稀釋劑，混合比例1:1，減小漿料粘度。
2.生坯製備
將漿料加到光固化設備中，利用可控的紫外線光束，波長為250nm，採用點曝光的方式，調整參數，光固化層厚控制在60μm，根據3d列印模型，逐層固化，製成tial合金零件坯體。
3.後處理
將零件坯體室溫放入燒結爐中，脫脂溫度為400℃，以10℃/min的速度升溫到100℃，以4℃/min升溫到200℃，以2℃/min升溫到300℃，保溫1h，以0.5℃/min升溫到400℃，進行脫脂，保溫時間為2h。
在1300℃、50mpa、保溫時間為1h的條件下，進行熱等靜壓，獲得高緻密tial合金零件。升溫採用階梯式升溫方式，以8℃/min升溫到600℃，以10℃/min升溫到800℃，保溫0.5h，以5℃/min升溫到900℃/min，保溫1h，以2.5℃/min升溫到1200℃，保溫1h，以0.5℃/min升溫到1350℃，壓力為50mpa，保溫1h。
實施例6
一種tial合金的成形方法，具體包括以下步驟：
1.原材料製備
選取tial合金(ti-46.2al-3nb-2cr-0.2w-0.2b-0.2c，at％)粉末750g，粉末粒度位於1μm～3μm，d50＝1.5μm。選取8g的己烯基雙硬脂醯胺分散劑，將合金粉末與己烯基雙硬脂醯胺均分為三份，取其一份放入球磨機中，進行球磨，時間為4h，將剩餘粉末依次加入，混合均勻。
選取250g的脂環族環氧樹脂單體，選取15g的己烯基雙硬脂醯胺分散劑，將固體粉末與分散劑逐漸加到脂環族環氧樹脂中，均勻混合。在進行漿料混合的過程中，需要進行加熱，加熱的溫度為50℃。在暗室中,加入5g的4-甲基二苯甲酮光引發劑。在整個漿料混合過程，加入8g的甲苯稀釋劑，不斷進行攪拌，直至漿料混合均勻。為了消除漿料在混合過程中由於攪拌而產生的氣泡，加入9g的聚二甲基矽油消泡劑。
2.生坯製備
將漿料加到光固化設備中，利用可控的紫外線光束，波長為245nm，採用面曝光的方式，調整參數，光固化層厚控制在40μm，根據3d列印模型，逐層固化，製成tial合金零件坯體。
3.後處理
將零件坯體室溫放入燒結爐中，脫脂溫度為350℃，以10℃/min的速度升溫到100℃，以4℃/min升溫到200℃，以2℃/min升溫到300℃，保溫1h，以0.5℃/min升溫到350℃，進行脫脂，保溫時間為3h。
在1250℃、70mpa、保溫時間為1.5h的條件下，進行熱等靜壓，獲得高緻密tial合金零件。升溫採用階梯式升溫方式，以8℃/min升溫到600℃，以10℃/min升溫到800℃，保溫0.5h，以5℃/min升溫到900℃/min，保溫1h，以2.5℃/min升溫到1150℃，保溫1h，以0.5℃/min升溫到1250℃，壓力為70mpa，保溫1.5h。