[發明專利]一種激光直接成形鈦合金零件工藝方法

有效

• 申請號: 201210064294.5
• 申請日: 2012-03-12
• 公開（公告）號: CN103302292A
• 公開（公告）日: 2013-09-18
• 發明（設計）人: 劉偉軍;趙宇輝;王福雨;來佑彬;孔源
• 申請（專利權）人: 中國科學院沈陽自動化研究所
• 主分類號: B22F3/105
• 分類號: B22F3/105
• 代理公司: 沈陽科苑專利商標代理有限公司 21002
• 代理人: 許宗富

技術領域

本發明涉及金屬粉末激光快速成形技術，具體為一種激光直接成形鈦合金零件的工藝方法。

背景技術

激光金屬直接快速成形技術是在80年代末期出現的快速原型技術基礎上結合同步同軸送料激光熔覆技術發展起來的一項先進制造技術。它涉及機械、激光、計算機輔助設計、計算機輔助制造、計算機數字控制、材料科學等領域的關鍵技術。它突破了傳統快速成形工藝方法和成形材料的局限，是目前快速成形諸多方法中研究最多、最有發展前途的新型制造技術。

而鈦合金由于密度小、比強度高、高低溫性能優異，成為軍事工業不可或缺的結構材料。美國四代戰機F-22中鈦合金結構件用量已占機身機構總重量的41％，我國新型戰斗機鈦合金結構件用量也將達到25％以上，鈦合金結構件用量的高低已成為衡量飛機等國防裝備技術先進性的重要標志之一。采用鍛造加機械加工等傳統技術制造大型鈦合金結構件，不僅需要大型重型鍛造工業設備，而且制造工序繁多、工藝復雜，零件機械加工余量很大。材料利用率低(一般小于5～10％)、數控加工時間長、制造成本高，嚴重制約了大型鈦合金結構件在先進工業及國防裝備中的廣泛應用。而激光快速成形技術的獨特優點，為克服大型鈦合金結構件上述制造技術缺點提供了一條新途徑，鈦合金激光快速成形技術對先進國防裝備研制與生產具有廣泛的實用性。

但在鈦合金激光快速成形制造過程中，成形零件經常出現內部質量差、變形和開裂等問題是阻礙其拓展應用的最大障礙。而導致這些問題最根本的原因在于鈦合金激光快速成形機理不明晰，缺少實用的鈦合金激光快速成形工藝，因此，研究一種采用激光快速成形方法直接成形出鈦合金零件的加工工藝，解決鈦合金激光快速成形技術的技術難題具有非常重要的意義。

發明內容

針對上述鈦合金激光快速成形制造過程中，經常出現內部質量差、變形和開裂等問題，本發明目的在于提供一種成形質量好、材料利用率、縮短制造周期及降低相關制造成本的激光直接成形鈦合金零件工藝方法。

為實現本發明的目的，本發明的技術方案為：

確定鈦合金零件基本工藝參數，通過基礎的工藝實驗，采用球形鈦粉成形材料，確定出球形鈦粉的成形工藝參數范圍；

提出新的激光掃描路徑，同時提出激光成形零件內部缺陷控制方法，該方法采用優化掃描間距，變換激光成形零件不同層間加工工藝參數；

根據新的激光掃描路徑、優化的掃描間距及確定的變換激光成形零件不同層間加工工藝參數，對鈦合金零件整個加工過程進行數控編程，再由計算機控制其整個加工過程，實現一次性近凈成形。

確定鈦合金零件基本工藝參數，采用正交實驗法，得到了包括激光功率、掃描速度、送粉速率、掃描間距、分層厚度的各工藝參數對激光快速成形層形貌及尺寸的影響規律，進而確定球形鈦粉的成形工藝參數范圍。

所確定的球形鈦粉的成形工藝參數范圍：激光功率為1500～2200W、掃描速度為1～7mm/s、送粉速率為0.4～7g/min、掃描間距為1～2mm、分層厚度為0.3～0.9mm。

提出新的激光掃描路徑，是采用填充式掃描方式，即奇數層時，先進行激光成形鈦合金零件的外輪廓的掃描，再進行其內部填充；偶數層時，先進行激光成形鈦合金零件的內部填充，再進行其外輪廓的掃描。

本發明與現有技術相比具有如下優點：

(1)成形效率高，成本低

本發明方法主要確定鈦合金零件基本工藝參數，提出新的激光掃描路徑及激光成形零件內部缺陷控制方法；采用本發明的成形工藝加工出的鈦合金成形零件，可極大地提高鈦合金零件的材料利用率、縮短制造周期及降低相關制造成本；消除傳統鍛造加機械加工鈦合金零件的加工成本非常高、制造工序繁多、工藝復雜，零件機械加工余量很大的缺陷。

(2)成形零件內部質量好

本發明利用提出的激光成形零件內部缺陷控制方法，使成形的鈦合金零件的內部缺陷較少，基本解決了內部質量差、變形和開裂等問題，且經過拉伸等力學性能試驗，發現其相關力學性能指標已經達到甚至超過了鈦合金鍛造件的水平。通過分析鈦合金成形零件的內部金相組織發現，成形零件的內部組織呈現籃網狀，且晶粒狀態為力學性能較好的等軸晶體，使得本發明成形的鈦合金零件基本具備了實際工業應用的水平。

(3)自動化程度高，易操作

本發明采用的成形設備是以5000W二氧化碳激光器為核心，輔以送粉裝置、真空保護裝置和移動裝置。成形設備整體自動化水平高，可全程實現計算機控制。且本發明提出的工藝方法，操作步驟簡單，易于實現。

附圖說明