[發(fā)明專利]大尺寸鈦鋁基合金的激光立體成形方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201310395267.0
• 申請日: 2013-09-03
• 公開（公告）號: CN103495729A
• 公開（公告）日: 2014-01-08
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 吳復(fù)堯;劉黎明;羅世敏;許沂;宋劍;戴峰
• 申請（專利權(quán)）人: 航天特種材料及工藝技術(shù)研究所
• 主分類號: B22F3/105
• 分類號: B22F3/105
• 代理公司: 北京君尚知識產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 11200
• 代理人: 余長江

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于金屬特種成形加工技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種鈦鋁基合金激光立體成形方法，特別針對尺寸較大的鈦鋁合金的激光立體成形方法。

背景技術(shù)

鈦鋁合金具有密度低、高彈性模量、高溫強度好和抗氧化性能好等優(yōu)點，是一種在航空航天、汽車等領(lǐng)域具有重要發(fā)展?jié)摿Φ母邷亟Y(jié)構(gòu)材料。但該合金室溫塑性很差，加工成形非常困難，限制了該材料的工程化應(yīng)用。為此，研究人員正積極發(fā)展其近凈成形技術(shù)，如粉末冶金、精密鑄造、定向凝固和激光熔化沉積等。

激光熔覆成形技術(shù)是在無需專用工裝模具的情況下，通過高功率激光熔化同步輸送的各種金屬粉末，逐點逐層堆積來成形金屬零件的過程。該技術(shù)采用增量生長的方式成形零件，可顯著提高材料利用率，而且成形構(gòu)件僅需最終精加工，能大大縮短零件制造和研制周期，提高研制效率，降低成本。另外，在一臺設(shè)備上可進行多種材料和不同外形零件的制造，并可通過再編程方便地改變零件設(shè)計，具有很高的加工柔性，在鈦合金、鎳基合金等高性能零件的快速制備上具有廣闊的開發(fā)應(yīng)用前景。

鈦鋁基合金在激光熔化沉積過程中由于較高熱應(yīng)力的存在，極易發(fā)生開裂。據(jù)國內(nèi)外報道，激光成形制造的鈦鋁合金尺寸只有40mm左右，另外易裂的問題很難通過改變工藝參數(shù)來解決。將鈦合金基體適度預(yù)熱可以避免開裂的發(fā)生，但預(yù)熱會使得工藝變得復(fù)雜。本發(fā)明通過調(diào)整初始熔覆層的成形工藝和對基板的預(yù)熱工藝，制造了無裂紋的鈦鋁合金材料，并在掌握成形該合金工藝的基礎(chǔ)上，制造出尺寸較大的鈦鋁基合金樣品。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明針對上述激光成形鈦鋁基合金容易開裂的問題，提供一種防止激光成形過程中出現(xiàn)裂紋的成形工藝，解決了目前很難進行大尺寸激光成形鈦鋁基合金材料的問題。

本發(fā)明通過調(diào)整初始熔覆層的成形工藝和對基板的預(yù)熱工藝來進行大尺寸無裂紋鈦鋁基合金激光立體成形，采用的具體技術(shù)方案如下：

一種大尺寸鈦鋁基合金的激光立體成形方法，其步驟包括：

1）利用三維建模軟件建立建立鈦鋁基合金的三維模型，并采用剖分軟件對該三維模型進行剖分，根據(jù)剖分結(jié)果編制熔覆控制程序并載入數(shù)控系統(tǒng)；

2）通過數(shù)控系統(tǒng)控制送粉噴嘴的掃描速度為100-200m/h，將送粉系統(tǒng)的送粉速度設(shè)定為5-8g/min，熔覆控制程序中每層的剖分高度設(shè)定為0.1-0.2mm，在基板上熔覆5-10層，形成基礎(chǔ)熔覆層；

3）將送粉噴嘴的掃描速度調(diào)整為200-300m/h，送粉系統(tǒng)的送粉速度調(diào)整為6-10g/min，熔覆控制程序中每層的剖分高度調(diào)整為0.3-0.6mm，在所述基礎(chǔ)熔覆層上進行均勻穩(wěn)定的成形，直至成形過程結(jié)束。

優(yōu)選地，所述基板的材料為鈦合金，進一步優(yōu)選為TC4，厚度為5-10mm。

優(yōu)選地，進行步驟1）和步驟2）所述熔覆的成形室內(nèi)的氧含量低于50ppm。首先在成形室內(nèi)充入氬氣以排除空氣，氬氣流量10-15L/min，當成型室內(nèi)的氧含量約在1000ppm時，開啟凈化系統(tǒng)使氧含量低于50ppm。

優(yōu)選地，所述送粉系統(tǒng)采用的鈦鋁基合金粉末采用等離子旋轉(zhuǎn)電極法生產(chǎn)，粒度約100目-200目。

優(yōu)選地，步驟2）形成所述基礎(chǔ)熔覆層時，設(shè)定激光功率參數(shù)為700-1000W，步驟3）進行所述均勻穩(wěn)定的成形時，設(shè)定激光功率參數(shù)為2000-2500W。

一種大尺寸鈦鋁合金的激光立體成形裝置，包括激光器、送粉系統(tǒng)、數(shù)控系統(tǒng)、反射聚焦鏡、送粉噴嘴、基板、機床臺面、成形室、凈化系統(tǒng)和水冷系統(tǒng)；其中反射聚焦鏡、送粉噴嘴、基板和機床臺面置于成形室內(nèi)，基板固定于機床臺面上；所述激光器用于產(chǎn)生激光束，所述反射鏡用于將產(chǎn)生的激光束聚焦并照射在基板上形成金屬熔池，所述送粉系統(tǒng)用于將鈦鋁基合金粉末經(jīng)過送粉噴嘴匯聚于所述金屬熔池中，所述數(shù)控系統(tǒng)用于控制所述送粉噴嘴和所述機床臺面的運動，所述凈化系統(tǒng)用于降低成形室內(nèi)的氧含量，所述水冷系統(tǒng)用于給激光器和機床臺面進行冷卻。

本發(fā)明采用激光立體快速成形技術(shù)進行制造，該技術(shù)是根據(jù)快速成形原理采用高功率激光束直接將同步輸送的鈦鋁合金粉末熔化，然后快速凝固，隨著激光束和送粉噴嘴的同步運動，連續(xù)逐層熔覆出致密的高性能金屬結(jié)構(gòu)件的制造方法。本發(fā)明通過設(shè)定不同的剖分高度，控制機床的不同運行速度（噴嘴的掃描速度），設(shè)定送粉系統(tǒng)不同的送粉速度，即可制造大尺寸無裂紋的鈦鋁合金材料或鈦鋁基其它易裂合金材料。與傳統(tǒng)工藝相比，采用該工藝方法制造鈦鋁合金材料，可以避免熔覆過程中出現(xiàn)鈦鋁合金容易產(chǎn)生裂紋的現(xiàn)象，制造出大尺寸無裂紋的鈦鋁合金材料，為鈦鋁合金在快速制造領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)工程化奠定了基礎(chǔ)。

附圖說明