本发明涉及以纯cu为过渡层的钛钢复合板送粉式激光增材制造工艺，属于金属增材制造领域。
背景技术：
钛及钛合金由于具有密度小、强度高、耐热耐蚀等优良性能，被广泛应用于石油化工、航天航空和海洋工程等领域。由于钛及其合金的价格昂贵，在保证使用安全性和经济性的前提下，许多大型结构件通常采用双层复合结构。钛钢复合板既能保持钛优异的耐蚀性，又具有钢板作为结构件的高强度和良好塑性，且能大幅降低生产成本。目前，传统钛钢复合板由于爆炸成型的局限性，产品界面质量难以控制，极易产生各种裂纹，失效后将造成无法挽回的损失。因此改进现有钛钢复合板的焊接制造工艺，研究送粉式激光增材制造钛钢复合板方法，对于提升重大装备的制造水平具有重要意义。
送粉式激光增材制造技术是一种根据零件的三维实体模型，采用分层堆积的思想，以激光作为成形热源将金属粉末熔化，逐层堆积成形出实体零件的新兴技术。采用激光作为热源成形的金属制件，具有成分可调、热输入小，稀释率低和零件力学性能优异的特点，因此可作为钛钢复合板高质量制造的优选方式。
技术实现要素：
为了克服用现有技术中钛钢异种金属无法直接熔化焊接的难题，本发明提供一种高智能化、工艺稳定且性能优良的钛钢复合板的制备方法，具体来说是以纯cu为过渡层的钛钢复合板送粉式激光增材制造方法，以纯cu作为钛钢复合板成形过程中的中间层，并采用送粉式激光增材制造方法成形复合板，可以减少tife或者tife2等脆性的金属间化合物的生成，可以提高复合板的焊合率并降低裂纹出现的概率。
技术方案：本发明所述的以纯cu为过渡层的钛钢复合板送粉式激光增材制造方法，包括如下步骤：
（1）将酒精清洁后的符合复合板要求的不锈钢板固定在工作台上，用酒精擦洗表面。
（2）利用激光同轴送粉工艺规划软件将建立的目标件进行切片，切片厚度在0.3～0.5mm，并规划出成形路径。
（3）纯cu过渡层的制备：将成形路径导入控制系统，开始进行中间纯cu过渡层的堆积。其中，中间纯cu过渡层分两次沉积，总厚度控制在1～1.2mm。工艺参数设置为：送粉速度0.8～1r/min，扫描速度360～540mm/min，激光功率1500～1800w，保护气体流量15～20l/min。成形铜层过程中可以通过降低离焦量、减少热输入来控制稀释率，避免熔深过大造成cu和fe生成脆性化合物。纯cu过渡层采用多层沉积的，需要采用往复路径来保证两端的平整度。
纯铜层的厚度在起到阻止fe向ti扩散作用的同时，要尽可能的低，避免降低整体复合板的强度。
（4）ta2纯钛层的熔覆：在纯cu过渡层表面进行纯钛层的熔覆，工艺参数设置为：送粉速度0.8～1r/min，扫描速度420～600mm/min，激光功率1400～1800w，保护气体流量15～20l/min，钛层厚度不低于2mm。
高温环境中钛与氧气接触容易被氧化，在熔覆过程中要用保护气隔绝氧气，防止钛被氧化。该保护气可以是氮气。
步骤（3）、（4）激光同轴送粉对象为ta2纯钛粉末和纯cu粉末，粒径75～150μm。
有益效果：本发明与现有技术相比，其显著优势为：
（1）减少tife或者tife2等脆性的金属间化合物的生成，多层沉积的cu过渡层与fe、ti层形成的金属间化合物具有较好塑性，有助于形成良好界面，降低裂纹出现的概率和保证使用安全性。
（2）送粉式激光增材制造方法采用激光作为热源，具有能量集中、成分可调和稀释率低等特点。通过优化激光送粉工艺，可为钛钢复合板的制造提供一种高智能化、工艺稳定且性能优良的制备方法。
附图说明
图1是本发明所用装置的结构示意图；其中：1-工作台、2-基材、3-熔覆头、4-光纤、5-送粉管、6-送粉器、7-计算机、8-激光器、9-气氛保护室；
图2是本发明实施例1制备的中间纯cu过渡层的金相组织图；
图3是本发明对比例1制备的中间纯cu层的金相组织图；
图4是本发明实施例2制备的中间纯cu过渡层的金相组织图；
图5是本发明对比例2制备的中间纯cu过渡层的金相组织图；
图6是本发明对比例3制备的中间纯cu过渡层的金相组织图；
图7是本发明实施例3制备的钛钢复合板铜钛界面处的金相组织图；
图8是本发明对比例4制备的钛钢复合板铜钛界面处的金相组织图；
图9是本发明对比例5制备的钛钢复合板铜钛界面处的金相组织图；
图10是本发明对比例6制备的钛钢复合板铜钛界面处的金相组织图；
图11是本发明实施例4所得钛钢复合板界面处的金相组织图；
图12是本发明实施例4所得钛钢复合板钢铜界面过渡区的显微组织形貌图；
图13是本发明实施例4所得钛钢复合板纯铜过渡区的显微组织形貌图；
图14是本发明实施例4所得钛钢复合板断口宏观形貌图；
图15是本发明实施例4所得钛钢复合板钢铜界面处的断口形貌图；
图16是本发明实施例4所得钛钢复合板铜钛界面处的断口形貌图；
图17是本发明实施例4所得钛钢复合板的结合率检测结果图；
图18是本发明对比例7商用钛钢爆炸复合板界面处的宏观形貌图；
图19是本发明对比例7商用钛钢爆炸复合板剪切断口的宏观形貌图；
图20是本发明实施例4所得钛钢复合板的实物图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步的详细说明。
实施例1：
本发明所用的装置结构示意图，如图1所示。
中间层的制备，分为三个步骤：
（1）将符合复合板要求的不锈钢板基材2固定在工作台1上，用酒精擦洗表面。
（2）利用激光同轴送粉工艺规划软件将建立的工件模型进行切片，切片厚度在0.3～0.5mm，并规划出成形路径为往复路径。
（3）将成形路径导入控制系统，开始进行中间纯cu过渡层的堆积。其中纯cu过渡层分两次沉积，总厚度为1.1mm，工艺参数设置为：送粉器6送粉速度1r/min，扫描速度420mm/min，激光功率1800w，气氛保护室1内的保护气体为氮气，保护气体流量15～20l/min。
对所制备的中间纯cu过渡层进行测试得到以下数据：经金相显微组织观察，制备的中间纯cu过渡层无明显裂纹缺陷，基于熔池流动性，近基材侧熔覆层内发生明显fe原子扩散，而远离基材的表面熔覆层则无明显fe原子扩散行为，如图2所示。
对比例1：操作步骤与实施例1基本相同，不同之处为：操作步骤（3）中纯cu过渡层为单层堆积。
对所制备的中间纯cu层进行测试得到以下数据：经金相显微组织观察，制备的中间纯cu过渡层未见明显裂纹缺陷，但基于熔池流动性，基材侧大量fe原子向熔覆层内扩散，如图3所示。
实施例2：操作步骤与实施例1基本相同：步骤（1）和（2）与实施例1完全一致；步骤（3）中的工艺参数设置为：送粉速度0.8r/min，扫描速度420mm/min，激光功率1600w，保护气体流量15～20l/min，中间纯cu过渡层的厚度为1mm。
对所制备的中间纯cu过渡层进行测试得到以下数据：经金相显微组织观察，制备的中间纯cu过渡层无明显裂纹缺陷，基于熔池流动性，近基材侧熔覆层内发生明显fe原子扩散，而远离基材的表面熔覆层则无明显fe原子扩散行为，如图4所示。
对比例2：操作步骤与实施例2基本相同，不同之处为：激光功率为1800w，中间纯cu过渡层的厚度为1.74mm。
对所制备的中间纯cu过渡层进行测试得到以下数据：经金相显微组织观察，制备的中间纯cu过渡层未见裂纹缺陷，存在少许尺寸较小的气孔缺陷，如图5所示。
对比例3：操作步骤与实施例2基本相同，不同之处为：激光功率为900w，送粉速率为1r/min，中间纯cu过渡层的厚度为0.68mm。
对所制备的中间纯cu过渡层进行测试得到以下数据：经金相显微组织观察，制备的中间纯cu过渡层未见裂纹缺陷，存在少许尺寸较小的气孔缺陷，如图6所示。
实施例3：采用实施例2相同的操作步骤和工艺参数制备中间纯cu过渡层，并增加步骤（4）ta2纯钛层的熔覆：在成形完中间纯cu过渡层后成形表面钛层，工艺参数设置为：送粉速度0.8r/min，扫描速度600mm/min，激光功率1800w，保护气体为氮气，保护气体流量15～20l/min，钛层平均厚度为0.6mm。
对所制备的钛钢复合板铜钛界面进行测试得到以下数据：经金相显微组织观察，制备的钛钢复合板铜钛界面处未发现分层和气孔缺陷，如图7所示。
对比例4：操作步骤与实施例3基本相同，不同之处为：激光功率为1200w。
对所制备的钛钢复合板铜钛界面进行测试得到以下数据：经金相显微组织观察，制备的钛钢复合板铜钛界面边缘处有分层缺陷且界面内部存在少量尺寸较大的气孔缺陷，如图8所示。
对比例5：操作步骤与实施例3基本相同，不同之处为：激光功率为1400w。
对所制备的钛钢复合板铜钛界面进行测试得到以下数据：经金相显微组织观察，制备的钛钢复合板铜钛界面处未发现分层缺陷和明显的气孔缺陷，如图9所示。
对比例6：操作步骤与实施例3基本相同，不同之处为：激光功率为2000w。
对所制备的钛钢复合板铜钛界面进行测试得到以下数据：经金相显微组织观察，制备的钛钢复合板铜钛界面边缘处有分层缺陷且界面内部存在少量尺寸较大的气孔缺陷，如图10所示。
实施例4：操作步骤与实施例3基本相同：步骤（1）、（2）和（3）与实例3完全一致；步骤（4）中ta2纯钛熔覆层的厚度为1.2mm。
对所制备的钛钢复合板进行测试得到以下数据：
经金相显微组织观察，基层与中间过渡层、中间过渡层与钛层结合良好，不存在未融合与分层的现象，存在少量的气孔缺陷，如图11所示。
结合扫描电子显微镜和能谱分析（sem eds），钢铜过渡区内生成fe-cu的固溶体，如图12所示；在靠近基体的纯铜过渡区域内因熔池的流动效应存在大量球形且不规则形状的富fe相，而在远离基体的纯铜层中，富fe相比例和大小明显降低，如图13所示；铜钛过渡区靠铜侧fe含量明显降低，cu能阻止fe向钛层的扩散；靠钛侧过渡区cu元素含量降低，ti元素含量增加。所制备的钛钢复合板界面处元素分布情况，如表1所示。
表1本发明实施例4所得钛钢复合板界面过渡区元素含量分布（wt.%）
对表面钛层取样进行精确的成份分析，其中，c、h、o、n均达到要求，fe元素含量略高于标准要求，如表2所示。
表2本发明实施例4所得钛钢复合板表面钛层的元素含量测试结果
将所制备的钛钢复合板加工成剪切试样，对剪切强度和断口形貌进行测试分析，断口光滑平整，如图14所示；钢铜界面和铜钛界面处的剪切强度分别为253mpa和224mpa，均满足标准要求（不小于140mpa）；断口钢铜界面处分布着均匀的且被拉长的韧窝，呈现良好的塑性，为明显的韧性断裂，如图15所示；断口铜钛界面处存在撕裂台阶及河流花样，断裂方式为准解理断裂，塑性较差，如图16所示。
对钛钢复合板的硬度进行测试，s30408、钢铜界面、铜钛界面和铜钛界面过渡区域的硬度值（hv）分别为175、143、103、244和420，硬度值沿界面的变化规律与sem eds分析结果一致。
对钛钢复合板进行水超声检测，钛钢复合板有分层区域，经剖切后测定缺陷尺寸，未达到缺陷定级，满足标准要求，如图17所示。
对比例7：商用钛钢复合板，与实施例4不同之处为：采用爆炸焊接方式。
商用钛钢爆炸复合板界面呈波浪式连接，其宏观形貌如图18所示；并对商用钛钢爆照复合板进行剪切性能测试，钛钢复合板界面处的剪切强度为230mpa，界面断口不平整，塑性铰差，如图19所示。
上述具体实施方式不以任何形式限制本发明的技术方案，凡是采用等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案均落在本发明的保护范围。
1.一种以纯cu为过渡层的钛钢复合板送粉式激光增材制造方法，其特征在于包括如下步骤：
（1）将清洁后的不锈钢板固定在工作台上，准备待用；
（2）利用工艺规划软件将目标件进行切片，切片厚度0.3～0.5mm，并规划出成形路径；
（3）中间层的制备：将成形路径导入控制系统，开始进行中间纯cu过渡层的堆积，厚度在1～1.2mm，成形铜层过程中通过降低离焦量、减少热输入来控制稀释率，避免熔深过大造成cu和fe生成脆性化合物；
（4）钛层的熔覆：成形完纯cu过渡层后成形表面钛层，钛层厚度不低于2mm。
2.根据权利要求1所述一种以纯cu为过渡层的钛钢复合板送粉式激光增材制造方法，其特征在于：步骤（2）中，纯cu过渡层的堆积工艺参数为：送粉速度0.8～1r/min，扫描速度360～540mm/min，激光功率1500～1800w，保护气体流量15～20l/min。
3.根据权利要求1所述一种以纯cu为过渡层的钛钢复合板送粉式激光增材制造方法，其特征在于：步骤（2）中所述成型路径为往复路径。
4.根据权利要求1所述一种以纯cu为过渡层的钛钢复合板送粉式激光增材制造方法，其特征在于：步骤（3）中，成形表面钛层的工艺参数为：送粉速度0.8～1r/min，扫描速度420～600mm/min，激光功率1400～1800w，保护气体流量15～20l/min。
5.根据权利要求1所述一种以纯cu为过渡层的钛钢复合板送粉式激光增材制造方法，其特征在于：步骤（2）中，中间纯cu过渡层纯采用多层沉积的方式，且采用往复路径来保证两端的平整度。
技术总结