[發明專利]一種超低溫環境用鈦合金氫泵葉輪的增材制造方法

有效

• 申請號: 202110369243.2
• 申請日: 2021-04-06
• 公開（公告）號: CN113134626B
• 公開（公告）日: 2022-03-29
• 發明（設計）人: 牛紅志;臧勐超;張海瑞;張德良
• 申請（專利權）人: 東北大學
• 主分類號: B22F10/28
• 分類號: B22F10/28;B22F10/64;B22F1/065;B22F1/142;C22F1/18;C21D1/30;B33Y10/00;B33Y70/00;B33Y80/00;B33Y40/10
• 代理公司: 北京易捷勝知識產權代理事務所(普通合伙) 11613
• 代理人: 韓國勝

本發明涉及一種超低溫環境用鈦合金氫泵葉輪的增材制造方法，其包括如下步驟：S1、制造鈦合金球形粉末；S2、粉末的篩選；S3、構建氫泵葉輪的數字模型；S4、電子束增材制造；S5、后處理。本發明制造的超低溫環境用鈦合金氫泵葉輪，致密度高于99.8％，氧含量低于0.08wt％，成功實現了超高純凈度的復雜結構鈦合金氫泵葉輪的低成本化制造，在液氫(20K)和液氮(77K)溫度的抗拉強度和塑性均超過常規鍛造和熱等靜壓近凈成型葉輪的水平。因此，本發明提出的方法特別適合對冶金質量和力學性能要求極高的超低溫環境用鈦合金氫泵葉輪的低成本化、快速制造。

技術領域

本發明涉及一種超低溫環境用鈦合金氫泵葉輪的增材制造方法，屬于鈦合金的增材制造技術領域。

背景技術

鈦合金具有金屬結構材料中最高的比強度和最佳的耐腐蝕性能，密度低、無磁性，并且在低溫下熱導率和熱膨脹系數很小，是理想的低溫工程用結構材料。開發超低溫(≤77K)環境用的新型鈦合金及其零部件，是發展先進航天飛行器、登月工程裝備、太空武器和低溫超導裝置的關鍵。特別地，超低溫鈦合金在氫氧液體燃料火箭發動機的儲箱、氫泵葉輪、液氫管路和高壓氣瓶等關鍵部位的應用，戰略意義十分重大。

當前，液體燃料火箭發動機用鈦合金氫泵葉輪的主要制造方法有精密鑄造法、粉末熱等靜壓(HIP)近凈成型法，以及鍛造精密機械加工法。精密鑄造法制造鈦合金氫泵葉輪的尺寸精度高，是一種低成本化近凈成型制造方法；但是需要制造結構復雜的石墨或陶瓷型模具，工藝流程長，且鑄態組織粗大，容易產生夾雜缺陷，氧含量普遍高于0.12wt％；另外，鑄件表面存在難于去除的α脆性層。球形粉末HIP近凈成型法制造鈦合金氫泵葉輪縮短了工藝流程短，顯著提高了材料利用率，降低了生產成本，但是成形過程容易出現尺寸收縮、葉輪各部位變形不均勻，造成尺寸精度難于控制，也容易產生殘余顆粒界面和微孔等冶金缺陷；球形粉末HIP近凈成形需要制造結構復雜的包套，粉末真空烘干、振實和包套真空封焊等工藝過程也比較復雜。最后，HIP近凈成型法制造鈦合金氫泵葉輪，對球形粉末的質量要求較高，使用氬氣氣霧化法鈦合金球形粉末進行HIP近凈成型，不能消除原始粉末顆粒內部的氬氣腔，最終造成不可消除的殘留氣孔。鍛造精密機械加工法制造鈦合金氫泵葉輪，構件的顯微組織充分致密，在尺寸精度和純凈度上得到保障。但是，鍛造和機械加工成形鈦合金氫泵葉輪，材料利用率普遍低于30％，造成構件的制造成本太高。

發明內容

(一)要解決的技術問題

為了解決現有鈦合金氫泵葉輪制造技術存在的工藝流程長、材料利用率低、尺寸精度難于控制、致密度和純凈度偏低、制造成本太高、制造過程樣品的開裂、翹曲和分層等問題，本發明提供一種超低溫環境用鈦合金氫泵葉輪的增材制造方法，該方法將為制造超低溫環境用復雜結構鈦合金零部件奠定技術基礎。

(二)技術方案

為了達到上述目的，本發明采用的主要技術方案包括：

一種超低溫環境用鈦合金氫泵葉輪的增材制造方法，其包括如下步驟：

S1、制造鈦合金球形粉末；

S2、粉末的篩選；

S3、構建氫泵葉輪的數字模型；

S4、電子束增材制造；

S5、后處理。

如上所述的制造方法，優選地，在步驟S1中，制造鈦合金球形粉末采用等離子旋轉電極法或無坩堝電極氣霧化法進行。

如上所述的制造方法，優選地，在步驟S1中，所述鈦合金球形粉末的材料為Ti-5Al-2.5Sn、Ti-6Al-4V、Ti-Al-Mo-Zr和Ti-Al-Mo-Sn系列的超低溫鈦合金中的任一種。

如上所述的制造方法，優選地，在步驟S2中，所述球形粉末篩選的粒度為50～130μm。