[發(fā)明專利]一種在空氣中直接制造鈦合金零件的快速成形方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201410147260.1
• 申請日: 2014-04-14
• 公開（公告）號: CN103952696B
• 公開（公告）日: 2017-04-12
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 張冬云;趙恒;高志鵬;牛雯
• 申請（專利權(quán)）人: 北京工業(yè)大學(xué)
• 主分類號: C23C24/10
• 分類號: C23C24/10;B22F3/105
• 代理公司: 北京思海天達知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司11203
• 代理人: 劉萍

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明提出一種在空氣中直接制造鈦合金零件的快速成形方法，主要采用激光熔覆成形方法（或者激光近凈成形）的技術(shù)特點，在空氣中直接完成鈦合金零部件的制造，以區(qū)別于其他在密閉氣室的真空、過壓或者惰性氣體保護氣氛中進行的鈦合金零部件制造方法。采用該方法制造的鈦合金零部件含氧量低，滿足苛刻的航空航天零部件對鈦合金零部件含氧量的要求，屬于激光先進制造中的快速成形領(lǐng)域。

背景技術(shù)

鈦合金在500℃以下具有高比強度和比疲勞強度，有良好的熱穩(wěn)定性。在中性、氧化性氣氛及眾多惡劣環(huán)境中，鈦合金具有比常用金屬材料更優(yōu)異的耐蝕性。同時，鈦合金與復(fù)合材料的強度、剛度匹配可使飛機結(jié)構(gòu)獲得更好的減重效果。因而，在壓氣機葉盤、燃燒室外殼、噴氣管等部位使用時，可大大減輕飛機重量。所以，在民用航空航天以及戰(zhàn)斗機制造中，鈦合金都占據(jù)著不可或缺的地位。

由于鈦合金高溫活潑而且變形抗力大，在傳統(tǒng)的鑄造和鍛造加工中遇到困難。使用激光快速成形方法制造航空航天鈦合金結(jié)構(gòu)件已經(jīng)成為一種趨勢，飛機結(jié)構(gòu)件中激光快速成形制造零件所占有的比重已經(jīng)成為衡量一個國家科技水平的一種標志。鈦合金激光快速成形技術(shù)較傳統(tǒng)鈦合金零件的加工優(yōu)勢有：無需零件毛胚制備，鍛壓模具加工；較鍛件材料利用率高；加工柔性好，生產(chǎn)周期短等。

然而鈦合金在高溫下具有強烈的吸氫、吸氧、吸氮的能力，并且常溫下即和空氣中的氧發(fā)生反應(yīng)，使其性能顯著下降。因而，在對鈦合金進行激光加工時，處于400攝氏度以上區(qū)域必須進行保護。常用的方法是在加工時通過不同的激光快速成型成套設(shè)備，使工件處于惰性氣體氣氛中，與外界污染氣體隔絕。另外，還可以提升粉末載氣的純度，設(shè)計密封送粉及送氣系統(tǒng)，對成型高溫區(qū)域進行在線溫度監(jiān)控實時閉環(huán)反饋，從源頭上控制污染物混入與鈦合金發(fā)生反應(yīng)。

針對鈦合金成型過程中極易與氮、氫、氧發(fā)生反應(yīng)的現(xiàn)象，各國研究人員分析成形過程，并提出了幾種有效的保護方式。在保護過程中，可以通過觀察鈦合金顏色來判斷保護效果，鈦氧化后，在700℃試樣表面呈淺藍色，900℃試樣表面呈灰色，1000℃試樣表面呈灰白色，1100℃試樣表面呈黃白色。鈦氮化后，氮化鈦覆層具有金黃色光澤。而當鈦吸氫后，其力學(xué)性能將發(fā)生很大變化。這時可以通過力學(xué)測試來判斷吸氫情況。

最常用的氣氛保護裝置是氣體保護箱，美國AeroMet公司最早對鈦合金零件在飛機上的應(yīng)用進行開發(fā)，F(xiàn)G.Arclla和FH.Froes等人通過設(shè)計氣體保護箱，使五軸聯(lián)動加工機床位于氣體保護箱的底部。然后引入送粉通道和激光通道進入保護箱上端，四周用密封圈密封。工作時，從保護箱底部充入Ar氣，使箱體充滿保護氣體后進行激光快速成型。

而Pennsylvania?State?University應(yīng)用與研究實驗室同樣使用說明書圖2所示的氣氛保護箱對鈦合金粉末進行激光成型制造。有趣的是他們在氣氛箱的端蓋部加入保護鏡片，而端蓋通過CNC機床與激光頭的運動軌跡指令保持同步這樣一來，氣氛箱將形成更為封閉的運動結(jié)構(gòu)，使加工過程中的氧含量得到更有效的控制。

國內(nèi)西北工業(yè)大學(xué)的黃衛(wèi)東課題組和北京航空航天大學(xué)王華明課題組所進行的鈦合金激光加工也使用了相似的設(shè)計原理。其中，黃衛(wèi)東等人在保護箱內(nèi)加入了氣體檢測裝置，保證了足夠的的惰性氣體百分比。王華明課題組自主研制成功國內(nèi)首套、具有自主知識產(chǎn)權(quán)的“自由平面接觸／動態(tài)密封／惰性氣氛保護”鈦合金結(jié)構(gòu)件激光快速成形成套工藝裝備系統(tǒng)^[32]。能夠生產(chǎn)出更大型的鈦合金快速成型構(gòu)件，并使鈦合金件的力學(xué)性能達到了鍛件要求，也保證了其正常使用。由于其課題涉及軍工、國防，因而該項技術(shù)的具體工藝細節(jié)均處于保密狀態(tài)。

除氣體保護箱外，王家淳等人對在鈦合金焊接中的氣體保護措施進行了研究和改良。研究出了氣體保護拖罩和焊接用保護器噴嘴。這對激光快速成形時的氣體保護研究也提供了參考。氣體保護拖罩目的在于保護已脫離噴嘴保護區(qū)，但仍處于反應(yīng)溫度區(qū)間的焊縫和熱影響區(qū)表面。說明書圖5是拖罩形式，氣流流經(jīng)氣體均布管，并將空氣擠出，再流入氣體透鏡使惰性氣體氣充滿保護區(qū)域，將熔池及熱影響區(qū)與空氣隔離，達到保護目的。

北京工業(yè)大學(xué)的曹娜在“鈦合金激光焊接工作頭研制”中設(shè)計了一種鈦合金激光焊接保護裝置，由保護焊接熔池的主保護氣噴嘴和附加保護噴嘴組成。但是這種保護氣體噴嘴只能夠保護平行于激光運動方向的熔池窄條，而不能夠保證熔池和熱影響區(qū)整體都處于惰性氣體保護下。