本發明屬于選區激光熔化增材制造領域，涉及一種激光選區熔化TC4原位退火去殘余應力方法。

背景技術：

選區激光熔化增材制造技術(以下簡稱SLM)的出現，減少了傳統機加工方式在TC4鈦合金薄壁件制造過程中的材料浪費，縮短產品研發周期，并且其力學性能優異。然而受制于快速熔凝過程中材料屬性、激光參數、掃描策略等影響，SLM增材制造零部件內部積累極高的殘余應力，特別是針對航空領域應用的TC4薄壁件，逐層累積的殘余應力在打印過程中以變形/開裂的方式釋放，造成試件在成形過程中便產生不可逆的損傷，導致極高的成形失敗率，極大制約了利用SLM技術制備TC4薄壁件。

目前，有兩種方法來應對選區激光融化鈦合金殘余應力釋放問題，一是對試件進行去應力退火，201510508138.7對如何通過控制后期熱處理工藝來消除殘余應力做了詳盡闡述，該方法只適用于已經完成成形的試件，另外一種方法是預熱打印基板，減小成形過程沿粉末沉積方向的溫度梯度，削弱殘余應力積累，但受限于機器內部器件能承受的溫度，目前商用機器預熱溫度加載一般都在200℃左右，而TC4需要近750℃才能實現去應力退火，所以急需一種操作簡單方便的方法來減小制造過程中TC4鈦合金薄壁件殘余應力。

技術實現要素：

本發明所要解決的技術問題是：減小制造過程中TC4鈦合金薄壁件殘余應力積累，解決TC4薄壁件制造過程中的開裂/變形行為。根據去應力退火原理，通過對SLM技術工藝深入研究，提出SLM成形過程中的原位退火方法，即對當前打印層已凝固表面再次輸入能量，實現殘余應力大小調控，減小制造過程中鈦合金薄壁件殘余應力積累。

有鑒于此，本發明的目的是提供一種激光選區熔化TC4原位退火去殘余應力方法達到上述目的，本發明提供如下技術方案：

1.一種激光選區熔化TC4原位退火去殘余應力方法，包括以下步驟：

(1)鋪一層鈦合金粉末，對當前打印鈦合金粉末層熔化并凝固；

(2)對步驟(1)已經熔化并凝固的單層進行激光重熔，所述的重熔次數為1～10次；

(3)重復步驟(1)-(2)直到TC4鈦合金薄壁件制造完畢。

進一步，步驟(1)粉末熔化的工藝條件是：鋪粉厚度0.03～0.05mm，激光功率180～220W，光斑直徑0.05～0.08mm，曝光時間110～130μs，激光點距0.07～0.08mm，掃描間距0.14-0.16mm，5～10mm大小的棋盤格掃描方式。

進一步，步驟(2)重熔條件是：激光功率150～190W，光斑直徑0.14～0.5mm，曝光時間125～300μs，激光點距0.03～0.1mm，掃描間距0.04～0.1mm，5～10mm大小的棋盤格掃描方式，重熔能量密度大于2.22J/mm²。

2.一種激光選區熔化TC4原位退火去殘余應力方法，包括以下步驟：

(1)鋪一層鈦合金粉末，對當前打印鈦合金粉末層熔化并凝固；

(2)重復步驟(1)2～10次，形成多層鈦合金凝固層；

(3)對步驟(2)已經熔化并凝固的多層鈦合金凝固層進行激光重熔，所述的重熔次數為1～10次；

(4)重復步驟(1)-(3)直到TC4鈦合金薄壁件制造完畢。

進一步，步驟(1)粉末熔化的工藝條件是：激光功率180～220W，光斑直徑0.05～0.08mm，曝光時間110～130μs，激光點距0.07～0.08mm，掃描間距0.14-0.16mm，5～10mm大小的棋盤格掃描方式，鋪粉厚度0.03～0.05mm。

進一步，步驟(3)重熔條件是：激光功率150～190W，光斑直徑0.14～0.5mm，曝光時間125～300μs，激光點距0.03～0.1mm，掃描間距0.04～0.1mm，5～10mm大小的棋盤格掃描方式，重熔能量密度大于2.22J/mm²。

本發明的有益效果在于：利用選區激光熔化技術制備TC4薄壁件，分為兩步完成，第一步是將粉末熔化并凝固，第二步為對已經熔化并凝固單層或多層進行激光重融，減小溫度梯度，降低應力積累，改善微觀組織，實現退火功效。實現了TC4薄壁件的快速成型，抑制了打印過程中的開裂變形，有利于選區激光熔化制造技術在航空領域精密薄壁件制造中的推廣應用。

附圖說明

為了使本發明的目的、技術方案和有益效果更加清楚，本發明提供如下附圖進行說明：

圖1為重熔能量密度為2.22～18J/mm²時TC4鈦合金薄壁件；

圖2為重熔能量密度為0～1.79J/mm²時TC4鈦合金薄壁件；

圖3為TC4鈦合金薄壁件殘余應力測試點；

圖4為TC4鈦合金薄壁件殘余應力測試結果。

具體實施方式

下面將結合附圖，對本發明的優選實施例進行詳細的描述。

實施例1

選區激光熔化技術是逐層鋪粉堆積熔化的過程，本實施例步驟如下：

(1)鋪一層鈦合金粉末，鋪粉厚度0.05mm，對當前打印鈦合金粉末層熔化并凝固；粉末的熔化工藝為：激光功率200W，光斑直徑0.075，曝光時間125μs，激光點距0.075mm，掃描間距0.15mm，5mm大小的棋盤格掃描方式；

(2)對步驟(1)已經熔化并凝固的單層進行激光重熔，所述的重熔次數為1次；重熔工藝為：激光功率190W，光斑直徑0.3mm，曝光時間200μs，激光點距0.05mm，掃描間距0.06mm，5mm大小的棋盤格掃描方式，重融能量密度分別設為：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，以每一個重融能量打印一個樣品，共計14個樣品，對應樣品編號見表1，其中0J/mm²代表沒有進行重熔，以便結果對比；

(3)重復步驟(1)-(2)直到TC4鈦合金薄壁件制造完畢。

表1 TC4薄壁件編號和對應的相對能量密度

打印結果如圖1和圖2所示，當重熔能量密度大于2.22J/mm²時，均未出現明顯開裂現象，當重熔能量密度小于2.22J/mm²或者沒有進行重熔，出現不同程度開裂行為。圖3為選取的殘余應力測試點，每個樣品選取3個不同區域的測試點。測試結果如圖4所示，與沒有進行重熔工藝的樣品對比，本發明制備的TC4薄壁件，沿平行于沉積方向的殘余應力減少了85％～97％，沿垂直于沉積方向的殘余應力減少了81％～98％，極大抑制了TC4薄壁件在選區激光熔化過程中的變形開裂行為，大大提升了選區激光熔化成型技術在航空薄壁件中制造應用。

實施例2

可以先形成多層鈦合金凝固層，再對其進行激光重熔，本實施例步驟如下：

(1)鋪一層鈦合金粉末，鋪粉厚度0.035mm，對當前打印鈦合金粉末層熔化并凝固；激光功率190W，光斑直徑0.07mm，曝光時間110μs，激光點距0.07mm，掃描間距0.16mm，8mm大小的棋盤格掃描方式；

(2)重復步驟(1)5次，形成多層鈦合金凝固層；

(3)對步驟(2)已經熔化并凝固的多層鈦合金凝固層進行激光重熔，所述的重熔次數為2次，重熔條件是：激光功率160W，光斑直徑0.3mm，曝光時間200μs，激光點距0.06mm，掃描間距0.08mm，8mm大小的棋盤格掃描方式，能量密度5.7J/mm²；

(4)重復步驟(1)-(3)直到TC4鈦合金薄壁件制造完畢。

最后說明的是，以上優選實施例僅用以說明本發明的技術方案而非限制，盡管通過上述優選實施例已經對本發明進行了詳細的描述，但本領域技術人員應當理解，可以在形式上和細節上對其作出各種各樣的改變，而不偏離本發明權利要求書所限定的范圍。