本發(fā)明屬于激光增材制造，具體涉及一種鋁/鈦合金梯度結(jié)構(gòu)激光增材制造方法。

背景技術(shù)：

1、梯度結(jié)構(gòu)是指將不同化學(xué)成分、不同力學(xué)性能的兩種或多種金屬合金通過合理的梯度過渡相結(jié)合，用來滿足實(shí)際應(yīng)用條件下復(fù)雜的服役狀態(tài)對于構(gòu)件不同部位的服役溫度、力學(xué)性能的要求，并且通過不同材料的搭配使用來達(dá)到降低成本、減重或性能提升等效果。例如用于某型機(jī)翼蜂窩夾層上的鋁合金/鈦梯度結(jié)構(gòu)材料，將鈦合金的蒙皮和鋁合金的內(nèi)部骨架連接在一起，既能減輕結(jié)構(gòu)的重量又能提高結(jié)構(gòu)的整體強(qiáng)度，保證了較高的抗振極限與穩(wěn)定性。激光增材制造技術(shù)逐點(diǎn)逐層成形的制造原理，也為鋁合金/鈦合金梯度結(jié)構(gòu)制備提供了可行途徑。

2、然而，鈦和鋁在物理、化學(xué)性質(zhì)上的巨大差異使得鋁/鈦梯度結(jié)構(gòu)材料的制備存在著巨大的困難。物理性質(zhì)方面，鈦和鋁在熔點(diǎn)、密度、線膨脹率等方面存在著巨大差異，在二者的結(jié)合區(qū)處易產(chǎn)生較大的殘余應(yīng)力，產(chǎn)生變形甚至開裂；化學(xué)性質(zhì)方面，鈦和鋁較為活潑并且極易產(chǎn)生金屬間化合物，進(jìn)而使得結(jié)合區(qū)處易出現(xiàn)裂紋、孔洞等缺陷，嚴(yán)重降低界面力學(xué)性能。因此采用激光增材制造技術(shù)將鋁合金和鈦合金直接成形梯度材料無法成形。當(dāng)前鋁合金/鈦合金梯度結(jié)構(gòu)的制備方法主要是釬焊，但結(jié)合強(qiáng)度僅僅只有10-30mpa左右。

3、高熵合金作為一種新型合金，突破了傳統(tǒng)合金材料設(shè)計(jì)中以單一元素為主要成分的合金化策略，而采用等摩爾比或近等摩爾比的3-5種及主要元素構(gòu)成合金體系，每種元素在高熵合金中的濃度很高，并且對高熵合金的性能產(chǎn)生著顯著的影響。由于其高的體系混合熵，能夠使得產(chǎn)生不同于傳統(tǒng)合金的優(yōu)異性能。借助高熵合金高混合熵、遲滯擴(kuò)散慢的擴(kuò)散速率以及高的穩(wěn)定性等特點(diǎn)，能夠使得al、ti元素傾向形成固溶體而不析出金屬間化合物，同時(shí)緩解鋁合金和鈦合金的物理性能差異，從而成為鋁合金/鈦合金梯度結(jié)構(gòu)中間過渡層的候選材料。雖然目前已有關(guān)于高熵合金作為鋁合金/鈦合金梯度結(jié)構(gòu)的中間過渡層的相關(guān)報(bào)道，但對于同時(shí)固溶較高含量的al、ti，仍然需要對高熵合金體系進(jìn)行進(jìn)一步探索才能達(dá)到較好的效果。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于提供一種鋁/鈦合金梯度結(jié)構(gòu)激光增材制造方法。通過將兩種優(yōu)選成分的高熵合金中間過渡層優(yōu)化和激光增材制造技術(shù)相結(jié)合，制備出高性能的鋁/鈦合金梯度結(jié)構(gòu)，可有效解決當(dāng)前鋁/鈦合金界面開裂、結(jié)合強(qiáng)度低的問題。

2、為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了如下技術(shù)方案：

3、本發(fā)明技術(shù)方案之一：提供一種鋁/鈦合金梯度結(jié)構(gòu)激光增材的制造方法，包括以下步驟：

4、使用tinbvzr或tinbv高熵合金粉末通過激光增材制造工藝在鈦合金表面制備高熵合金過渡層，再通過激光增材制造工藝在所述高熵合金過渡層表面制備鋁合金層。

5、優(yōu)選地，所述tinbvzr高熵合金粉末中ti、nb、v和zr的原子比為1:0.5-2:0.5-2:0.5-2，粉末粒徑范圍為53-250μm；所述tinbv高熵合金粉末中ti、nb和v的原子比為1:0.5-2:0.5-2，粉末粒徑范圍為53-250μm。

6、更優(yōu)選地，所述tinbvzr高熵合金粉末和所述tinbv高熵合金粉末在使用前進(jìn)行120℃保溫2h的烘干處理。

7、優(yōu)選地，所述鈦合金在激光增材制造前進(jìn)行預(yù)處理。

8、優(yōu)選地，所述鈦合金為α型、α+β型或β型鈦合金，牌號包括但不限于ta2、tc4或tc11。

9、優(yōu)選地，所述高熵合金過渡層的高度為1-4mm。

10、優(yōu)選地，制備所述高熵合金過渡層時(shí)，激光增材制造工藝的工藝參數(shù)為：激光束直徑3-6mm，激光功率為2-6kw，掃描速度500-1500mm/min，單層高度0.3-0.6mm，搭接率30-50％，送粉率800-2000g/h，氧含量低于80ppm。

11、優(yōu)選地，制備所述鋁合金層時(shí)的鋁合金粉末粒徑范圍為53-250μm。

12、更優(yōu)選地，所述鋁合金粉末的材質(zhì)包括但不限于zl105a、alsi10mg、alsi7mg或5a06牌號的鋁合金。

13、更優(yōu)選地，所述鋁合金粉末在使用前進(jìn)行120℃保溫2h的烘干處理。

14、優(yōu)選地，制備所述鋁合金層時(shí)，激光增材制造工藝的工藝參數(shù)為：激光束直徑3-6mm，激光功率為2-6kw，掃描速度500-1500mm/min，單層高度0.3-0.6mm，搭接率30-50％，送粉率500-1000g/h，氧含量低于80ppm。

15、優(yōu)選地，在制備鋁合金層后還包括退火處理步驟。

16、更優(yōu)選地，所述退火處理的溫度為200-500℃，保溫時(shí)間為1-6h，空冷或爐冷。

17、本發(fā)明的有益技術(shù)效果如下：

18、本發(fā)明的高熵合金過渡層優(yōu)化的鋁合金/鈦合金梯度結(jié)構(gòu)激光增材制造方法，首次采用tinbv或tinbvzr高熵合金作為鋁、鈦合金的中間過渡層，避免了鋁合金及鈦合金的直接增材接觸，tinbv或tinbvzr高熵合金作為鋁、鈦合金增材連接的過渡層時(shí)，降低了鈦原子與鋁原子的擴(kuò)散速度，提高了在合金中的固溶度，進(jìn)而可以抑制tial系脆性金屬間化合物的生成，顯著提高鋁合金/鈦合金界面處的結(jié)合強(qiáng)度。

19、相較于傳統(tǒng)的釬焊等方式較適用于規(guī)則的板材連接，本發(fā)明利用激光增材制造成型制備鋁合金/鈦合金梯度結(jié)構(gòu)，可以充分發(fā)揮激光增材制造精細(xì)化、柔性化的特點(diǎn)，大大縮短了研發(fā)周期，降低了生產(chǎn)成本，充分滿足了高性能異種金屬整體化制造的需求。

20、本發(fā)明采用tinbv或tinbvzr高熵合金作為鋁、鈦合金激光增材連接的過渡層并且實(shí)現(xiàn)了二者的無缺陷連接，可為鈦/鋼、鎳/鋼、鈦/鎳等異種金屬的連接提供了新的制備思路，進(jìn)而可以在其相關(guān)領(lǐng)域進(jìn)行推廣。

技術(shù)特征：

1.一種鋁/鈦合金梯度結(jié)構(gòu)激光增材的制造方法，其特征在于，包括以下步驟：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鋁/鈦合金梯度結(jié)構(gòu)激光增材的制造方法，其特征在于，所述tinbvzr高熵合金粉末中ti、nb、v和zr的原子比為1:0.5-2:0.5-2:0.5-2，粉末粒徑范圍為53-250μm；所述tinbv高熵合金粉末中ti、nb和v的原子比為1:0.5-2:0.5-2，粉末粒徑范圍為53-250μm。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鋁/鈦合金梯度結(jié)構(gòu)激光增材的制造方法，其特征在于，所述鈦合金在激光增材制造前進(jìn)行預(yù)處理。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鋁/鈦合金梯度結(jié)構(gòu)激光增材的制造方法，其特征在于，所述鈦合金為α型、α+β型或β型鈦合金。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鋁/鈦合金梯度結(jié)構(gòu)激光增材的制造方法，其特征在于，所述高熵合金過渡層的高度為1-4mm。

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鋁/鈦合金梯度結(jié)構(gòu)激光增材的制造方法，其特征在于，制備所述高熵合金過渡層時(shí)，激光增材制造工藝的工藝參數(shù)為：激光束直徑3-6mm，激光功率為2-6kw，掃描速度500-1500mm/min，單層高度0.3-0.6mm，搭接率30-50％，送粉率800-2000g/h，氧含量低于80ppm。

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鋁/鈦合金梯度結(jié)構(gòu)激光增材的制造方法，其特征在于，制備所述鋁合金層時(shí)的鋁合金粉末粒徑范圍為53-250μm。

8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鋁/鈦合金梯度結(jié)構(gòu)激光增材的制造方法，其特征在于，制備所述鋁合金層時(shí)，激光增材制造工藝的工藝參數(shù)為：激光束直徑3-6mm，激光功率為2-6kw，掃描速度500-1500mm/min，單層高度0.3-0.6mm，搭接率30-50％，送粉率500-1000g/h，氧含量低于80ppm。

9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鋁/鈦合金梯度結(jié)構(gòu)激光增材的制造方法，其特征在于，在制備鋁合金層后還包括退火處理步驟。

10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鋁/鈦合金梯度結(jié)構(gòu)激光增材的制造方法，其特征在于，所述退火處理的溫度為200-500℃，保溫時(shí)間為1-6h，空冷或爐冷。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了鋁/鈦合金梯度結(jié)構(gòu)激光增材制造方法，屬于激光增材制造技術(shù)領(lǐng)域。所述激光增材制造方法的步驟包括：使用TiNbVZr或TiNbV高熵合金粉末通過激光增材制造工藝在鈦合金表面制備高熵合金過渡層，再通過激光增材制造工藝在所述高熵合金過渡層表面制備鋁合金層。本發(fā)明通過將兩種優(yōu)選成分的高熵合金中間過渡層優(yōu)化和激光增材制造技術(shù)相結(jié)合，制備出高性能的鋁/鈦合金梯度結(jié)構(gòu)，可有效解決當(dāng)前鋁/鈦合金界面開裂、結(jié)合強(qiáng)度低的問題。

技術(shù)研發(fā)人員：朱言言,高紅衛(wèi),程序,王玉岱,冉先喆
受保護(hù)的技術(shù)使用者：北京航空航天大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/6