[發(fā)明專利]一種基于鈦及鈦合金金屬絲材的增材制造方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201510541630.4
• 申請日: 2015-08-31
• 公開（公告）號: CN105108339B
• 公開（公告）日: 2017-04-19
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 劉立輝
• 申請（專利權(quán)）人: 沈陽海納鑫科技有限公司
• 主分類號: B23K26/342
• 分類號: B23K26/342;B23K26/70;B23K37/00;C22B9/20;C22C14/00;B23K103/14
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技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于金屬成形和制造技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于鈦及鈦合金金屬絲材的增材制造方法。

背景技術(shù)

金屬的近凈成形技術(shù)一般包括：鑄造（精密鑄造），等溫鍛造，粉末冶金制造方法，屬于減材制造，近年來快速發(fā)展的是金屬增材制造技術(shù)（金屬3D打印）是近凈成形技術(shù)的熱門研究領(lǐng)域;鈦及鈦合金增材制造技術(shù)更是國內(nèi)外研究的重點，國內(nèi)以北京航空航天大學(xué)，西北工業(yè)大學(xué)為主的大專院校和科研院所在這個領(lǐng)域取得了很大成果，有一些鈦合金部件已經(jīng)成功應(yīng)用在重點型號的飛機和火箭上；但是，國內(nèi)外用的近凈成形增材制造的原材料都是鈦合金的粉末，用鈦及鈦合金粉末作為原材料有以下缺點：①鈦合金粉末生產(chǎn)困難。鈦及鈦合金按組織分為α，近α，α+β，近β，β型鈦合金，國內(nèi)現(xiàn)在α型鈦—純鈦粉末已經(jīng)能夠穩(wěn)定生產(chǎn)外，其它型號鈦合金粉末由于生產(chǎn)鈦合金粉末技術(shù)工藝和設(shè)備水平的限制尚不能穩(wěn)定生產(chǎn)；由于用于增材制造的鈦合金粉末成分要求嚴格，粒度和形狀對制造工藝有決定性影響，鈦合金部件大多用在航空航天等重要領(lǐng)域，機械性能要求高，需要穩(wěn)定和超低間隙雜質(zhì)元素含量的鈦合金粉末，而鈦合金粉末化學(xué)活性高，比表面積大，生產(chǎn)技術(shù)很難突破；②原材料來源受限：國內(nèi)主要用于增材制造使用的TC4(Ti-6Al-4V, α+β型)鈦合金粉末還需要進口，價格昂貴，成本高。特別是對于用在航空航天發(fā)動機上的耐高溫鈦合金和高強度高韌性的結(jié)構(gòu)鈦合金粉末，屬于高度敏感材料，幾乎無進口可能性。這也是我國沒有大面積應(yīng)用增材制造鈦合金部件的原因；α型純鈦粉末國內(nèi)一些單位雖然可以穩(wěn)定生產(chǎn)，但其主要制品主要應(yīng)用在民用耐腐蝕領(lǐng)域，和其它近凈成形技術(shù)比，價格明顯沒有優(yōu)勢。③粉末利用率問題。用鈦及鈦合金粉末增材制造過程中，不可避免的要有一部分粉末要損耗掉，不能再利用，造成成本進一步增加。

發(fā)明內(nèi)容

針對上述存在的問題，本發(fā)明提供一種基于鈦及鈦合金金屬絲材的增材制造方法。

本發(fā)明的基于鈦及鈦合金金屬絲材的增材制造方法，要點在于包括三個關(guān)鍵流程工藝方法，首先為高品質(zhì)鈦及鈦合金絲材制備工藝，其次為用絲材作原料，激光作加熱源的增材制造熔敷工藝，最后為鈦合金部件制造過程中的組織控制和熱處理工藝。

高品質(zhì)鈦合金絲是制造高品質(zhì)增材鈦合金部件的基礎(chǔ)，而原材料和鈦合金錠的熔鑄是生產(chǎn)鈦合金絲的核心工藝；其生產(chǎn)工藝步驟為：①需選用超0級海綿鈦和超低雜質(zhì)含量的中間合金及純金屬；②根據(jù)各個鈦合金牌號的具體要求配料，用液壓擠壓機壓制成熔煉用的自耗電極塊；③用等離子焊機在真空狀態(tài)下組焊成自耗用電極；④根據(jù)鈦合金牌號合金含量的不同，采用不同的熔煉方法：合金含量＜10%，采用兩次真空自耗電弧爐熔煉成鈦錠；10%＜合金含量＜20%的鈦合金，采用三次真空自耗電弧爐熔煉成鈦錠；合金含量＞20%的高合金含量鈦合金，為防止合金偏析，需采用兩次真空自耗電弧爐＋ 一次真空自耗凝殼爐的熔煉方法熔煉成鈦錠，熔煉成的鈦合金錠除滿足其主成分的合金要求外，其雜質(zhì)成分的要求必須控制在O＜0.08%，N＜0.002%，H＜0.001%,C＜0.002%，有加入≤0.005%的細化晶粒的元素；

熔煉成的鈦合金錠按其牌號的要求進行熱鍛開坯，熱軋盤圓，修磨，冷拉，真空退火一系列正常工序加工成φ2mm的鈦合金軟態(tài)盤絲；根據(jù)制造的鈦合金零部件的大小和精度不同，需要生產(chǎn)0.01mm＜φ＜1.0mm的鈦合金絲才能滿足工藝要求。需在滾模拉伸機上，以φ2mm盤絲為原料進一步加工；以自制的氬氣保護連續(xù)加熱設(shè)備在軋絲機上溫拉為工藝要點，溫度控制依據(jù)其鈦合金的相變點不同而不同，600℃——950℃；成品絲要無應(yīng)力狀態(tài)絲，表面光滑無污染物，繞制在自動送絲機用的軸盤上。

選擇以激光作為熱源是因為其熔化速度快，穩(wěn)定，熱敷成形熱影響區(qū)小，鈦合金部件變形小；激光熔敷成形機是以能自動送絲的激光源為基礎(chǔ)，且工作臺行程尺寸為200mm×200mm×300mm；或用電子束，等離子，電弧作為熱源進行以絲材為原料的增材制造成形。

以絲材為原料激光熔敷成形的技術(shù)工藝過程為：①把待制造的鈦合金部件圖紙進行數(shù)字化處理切片，編程；②根據(jù)鈦合金的牌號，組織特點，熱力學(xué)數(shù)據(jù)和該部件的結(jié)構(gòu)特點建立凝固溫度場數(shù)字模型，選用合理的鈦絲規(guī)格和熔敷速度；③選取激光機的電壓，電流和光學(xué)參數(shù)；④調(diào)定激光熔敷部位保護氣體的流量壓力；⑤調(diào)定成形的鈦合金金屬部件包護套的保護氣體的流量和壓力；⑥開始熱敷成形。