CN117773158A - 一种增材制造钛合金大尺寸薄壁环形零件的热处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于钛合金零件的热处理技术领域，尤其涉及一种增材制造钛合金大尺寸薄壁环形零件的热处理方法。1、将连带基板的激光选区熔化增材制造钛合金零件置入真空热处理炉有效加热区内；2、升温至200～300℃，保温1～2h；3、升温至400～500℃，保温1～2h；4、升温至600～700℃，保温1～2h；5、升温至800～850℃，保温1～2h，炉冷后出炉；6、采用线切割将零件从基板上切下。经上述热处理工艺处理的增材制造钛合金大尺寸薄壁环形零件，可实现零件高度方向上微观组织的均匀转变，且零件内部因增材制造过程积累的热应力可有效消除，避免零件在热处理及后续处理过程中发生形变。

Description

一种增材制造钛合金大尺寸薄壁环形零件的热处理方法

技术领域

本发明属于钛合金零件的热处理技术领域，尤其涉及一种增材制造钛合金大尺寸薄壁环形零件的热处理方法。

背景技术

新一代航空发动机对轻量化及高推重比提出了更高的要求，因此航空发动机零件的设计方向逐渐向整体化、复杂化、大型化发展。特别是针对大尺寸薄壁环形机匣类零件(如筒体、外涵道机匣、中介机匣、圆转方段等)，包含多层壁、多腔、气膜孔等特征结构，采用传统制造方法根本无法制造，只能采用激光增材制造技术进行制造。目前，激光选区熔化增材制造钛合金大尺寸薄壁环形零件已逐步开展工程化应用，但是仍存在以下问题：激光选区熔化成形零件的过程是激光按照特定轨迹逐层、逐道熔化粉末的过程，该过程会不断积累热应力，尤其是针对大尺寸零件。积累的热应力在零件从基板上线切割份里及后续机加工过程中会不断释放，可能导致零件变形开裂。

因此，在钛合金零件采用激光选区熔化技术制备后，需连带基板对其进行热处理以及时消除热应力。常用的热处理工艺一般采用：匀速升温到指定温度，保温一定时长，随后氩气快冷，该工艺适用于小尺寸零件，若采用同样的热处理工艺对大尺寸薄壁环形零件进行热处理，由于零件底部连带大厚度基板，升温速率明显低于零件其他部位，导致整个热处理过程中零件高度方向温度场分布不均匀，加之保温时长较短，且冷却方式采用氩气快冷，使得热应力消除不够充分，可能导致零件薄壁区域在热处理及后续处理过程中发生形变。

发明内容

本发明的目的是：本发明正是针对上述技术需求，提供了一种增材制造钛合金大尺寸薄壁环形零件的热处理方法，能够显著提升零件高度方向上微观组织均匀性，有效消除内应力，避免零件发生形变。

为解决此技术问题，本发明的技术方案是：

一种增材制造钛合金大尺寸薄壁环形零件的热处理方法，包括以下步骤：

步骤一：将连带基板的激光选区熔化增材制造钛合金零件置入真空热处理炉有效加热区内；所述的增材制造钛合金大尺寸薄壁环形零件，直径在800mm以上，高度在300mm以上，壁厚在5mm以下；所述的钛合金为TA15钛合金；

步骤二：升温至200～300℃，保温1～2h；

步骤三：升温至400～500℃，升温速率应小于10℃/min，保温1～2h；

步骤四：升温至600～700℃，升温速率应小于10℃/min，保温1～2h；

步骤五：升温至800～850℃，升温速率应小于10℃/min，保温1～2h，炉冷后出炉；

步骤六：采用线切割将零件从基板上切下，线切割应沿零件底部双向循环切入的方式，每次切入长度为零件径向长度的1/5～1/3。

步骤一中，所述的基板厚度在50mm以上。

步骤一中，真空热处理炉的有效工作区温差在±10℃以内。

步骤二中，升温开始前，热处理炉内的真空压强应小于5×10^-2Pa。

进一步地，步骤五中，炉冷至300℃以下后出炉。

进一步地，步骤五中，零件出炉后静置24h以上，进一步释放热应力。

所述的增材制造钛合金大尺寸薄壁环形零件，采用的增材制造方法为激光选区熔化成形增材制造。

在本发明的工艺中，将连带基板的零件置入真空热处理炉中升温200～300℃，保温1～2h；以小于10℃/min升温至400～500℃，保温1～2h；以小于10℃/min升温至600～700℃，保温1～2h；最后升温至800～850℃，保温1～2h，炉冷后出炉空冷24h以上，并采用循环切入的线切割方式得到最终零件。

针对TA15钛合金大尺寸薄壁环形零件，采用慢速阶梯式升温+炉冷至300℃以下出炉空冷24h以上+双向循环切入线切割结合的方式，慢速阶梯式升温过程平稳，可保证零件组织的转变均匀性，并避免因零件内部温差影响去应力效果，避免零件发生形变；炉冷至300℃以下出炉空冷24h以上可进一步释放热应力；热处理后采用双向循环切入的方式可避免大尺寸薄壁零件在线切割过程中发生翘曲变形，进一步减少零件形变。最终得到组织性能更佳，去应力效果及尺寸精度良好的大尺寸薄壁环形零件。

本发明的有益效果是：

通过本方法对增材制造钛合金大尺寸薄壁环形零件进行热处理，能够取得以下有益效果：

1.采用上述热处理方法中慢速阶梯式升温的方式，使得连带基板的大尺寸薄壁零件在热处理过程中保持均匀升温，以此保证零件组织的转变均匀性，提升零件力学性能，避免因零件内部温差影响去应力效果，避免零件发生形变；

2.采用上述热处理方法中炉冷至300℃以下出炉空冷24h以上的冷却方式，可进一步释放热应力；

3.采用上述热处理方法中双向循环切入的线切割方式，每次线切割切入长度为零件径向长度的1/5～1/3，有效避免了零件热处理后将其从基板上分离的过程中，采用单向切入的线切割时，零件发生翘曲变形的现象。

附图说明

图1为本发明实施例中激光选区熔化TA15钛合金大尺寸薄壁环形零件底部金相组织；

图2为本发明实施例中激光选区熔化TA15钛合金大尺寸薄壁环形零件顶部金相组织.

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域的普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下，所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1：

增材制造钛合金大尺寸薄壁环形零件的热处理方法，包括以下步骤：

1.采用型号EP-M1250激光选区熔化成形设备，在厚度为100mm的基板上成形出TA15钛合金大尺寸薄壁环形零件，零件外径在1222mm，高度在600mm，壁厚1.5mm；

2.将零件连带基板置入VAF-120型真空热处理炉中，待真空压强小于5×10^-2Pa时，开始升温，升温速率20℃/min，当温度升高至200℃时，保温1h；

3.继续升温至400℃时，保温2h，升温速率10℃/min；

4.继续升温至650℃时，保温2h，升温速率10℃/min；

5.继续升温至850℃时，保温2h，升温速率10℃/min；

6.关闭真空热处理炉电源，随炉冷却，当炉温降至300℃时出炉；

7.出炉后将零件在空气中静置48h；

8.线切割沿零件与基板连接的底部一侧切入300mm，随后切换至另一侧切入300mm，循环往复，直至零件完全脱离基板；

9.经上述热处理步骤，激光选区熔化TA15钛合金大尺寸薄壁环形零件沿高度方向组织均匀转变，零件底部与顶部金相组织中板条状α相形貌及尺寸十分接近(图1、图2)；热应力去除效果良好，最大等效应力仅为1.39MPa，出现在零件侧面通道的折角处。

经上述工艺处理的增材制造钛合金大尺寸薄壁环形零件，可实现零件高度方向上微观组织的均匀转变，且零件内部因增材制造过程积累的热应力可有效消除，避免零件在热处理及后续处理过程中发生形变。

最后应该说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可以轻易想到各种等效的修改或者替换，这些修改或者替换都应该涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种增材制造钛合金大尺寸薄壁环形零件的热处理方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：将连带基板的激光选区熔化增材制造钛合金零件置入真空热处理炉有效加热区内；所述的增材制造钛合金大尺寸薄壁环形零件，外径在800mm以上，高度在200mm以上，壁厚在5mm以下；所述的钛合金为TA15钛合金；

步骤二：升温至200～300℃，保温1～2h；

步骤三：升温至400～500℃，保温1～2h；

步骤四：升温至600～700℃，保温1～2h；

步骤五：升温至800～850℃，保温1～2h，炉冷后出炉，炉冷冷却速度＜3℃/min；

步骤六：采用线切割将零件从基板上切下。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤一中，所述的基板厚度在50mm以上。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤一中，真空热处理炉的有效工作区温差在±10℃以内。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤二中，升温开始前，热处理炉内的真空压强应小于5×10^-2Pa。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤三中，升温速率应小于10℃/min。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤四中，升温速率应小于10℃/min。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤五中，升温速率应小于10℃/min。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤五中，炉冷至300℃以下后出炉。

9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤五中，零件出炉后静置24h以上，进一步释放热应力。

10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤六中，线切割应沿零件底部双向循环切入的方式，每次切入长度为零件径向长度的1/5～1/3。