CN103495729B - 大尺寸钛铝基合金的激光立体成形方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种大尺寸钛铝基合金的激光立体成形方法。该方法首先建立钛铝基合金的三维模型并进行剖分，进而编制熔覆控制程序；控制送粉喷嘴的扫描速度为100-200m/h，送粉速度设定为5-8g/min，每层的剖分高度为0.1-0.2mm，在基板上熔覆5-10层，形成基础熔覆层；将送粉喷嘴的扫描速度调整为200-300m/h，送粉系统的送粉速度调整为6-10g/min，每层的剖分高度调整为0.4-0.6mm，进行均匀稳定的成形直至成形过程结束。本发明可以解决钛铝基合金熔覆过程中容易产生裂纹的问题，制造出大尺寸无裂纹的钛铝基合金材料。

Description

大尺寸钛铝基合金的激光立体成形方法

技术领域

本发明属于金属特种成形加工技术领域，涉及一种钛铝基合金激光立体成形方法，特别针对尺寸较大的钛铝合金的激光立体成形方法。

背景技术

钛铝合金具有密度低、高弹性模量、高温强度好和抗氧化性能好等优点，是一种在航空航天、汽车等领域具有重要发展潜力的高温结构材料。但该合金室温塑性很差，加工成形非常困难，限制了该材料的工程化应用。为此，研究人员正积极发展其近净成形技术，如粉末冶金、精密铸造、定向凝固和激光熔化沉积等。

激光熔覆成形技术是在无需专用工装模具的情况下，通过高功率激光熔化同步输送的各种金属粉末，逐点逐层堆积来成形金属零件的过程。该技术采用增量生长的方式成形零件，可显著提高材料利用率，而且成形构件仅需最终精加工，能大大缩短零件制造和研制周期，提高研制效率，降低成本。另外，在一台设备上可进行多种材料和不同外形零件的制造，并可通过再编程方便地改变零件设计，具有很高的加工柔性，在钛合金、镍基合金等高性能零件的快速制备上具有广阔的开发应用前景。

钛铝基合金在激光熔化沉积过程中由于较高热应力的存在，极易发生开裂。据国内外报道，激光成形制造的钛铝合金尺寸只有40mm左右，另外易裂的问题很难通过改变工艺参数来解决。将钛合金基体适度预热可以避免开裂的发生，但预热会使得工艺变得复杂。本发明通过调整初始熔覆层的成形工艺和对基板的预热工艺，制造了无裂纹的钛铝合金材料，并在掌握成形该合金工艺的基础上，制造出尺寸较大的钛铝基合金样品。

发明内容

本发明针对上述激光成形钛铝基合金容易开裂的问题，提供一种防止激光成形过程中出现裂纹的成形工艺，解决了目前很难进行大尺寸激光成形钛铝基合金材料的问题。

本发明通过调整初始熔覆层的成形工艺和对基板的预热工艺来进行大尺寸无裂纹钛铝基合金激光立体成形，采用的具体技术方案如下：

一种大尺寸钛铝基合金的激光立体成形方法，其步骤包括：

1）利用三维建模软件建立建立钛铝基合金的三维模型，并采用剖分软件对该三维模型进行剖分，根据剖分结果编制熔覆控制程序并载入数控系统；

2）通过数控系统控制送粉喷嘴的扫描速度为100-200m/h，将送粉系统的送粉速度设定为5-8g/min，熔覆控制程序中每层的剖分高度设定为0.1-0.2mm，在基板上熔覆5-10层，形成基础熔覆层；

3）将送粉喷嘴的扫描速度调整为200-300m/h，送粉系统的送粉速度调整为6-10g/min，熔覆控制程序中每层的剖分高度调整为0.3-0.6mm，在所述基础熔覆层上进行均匀稳定的成形，直至成形过程结束。

优选地，所述基板的材料为钛合金，进一步优选为TC4，厚度为5-10mm。

优选地，进行步骤1）和步骤2）所述熔覆的成形室内的氧含量低于50ppm。首先在成形室内充入氩气以排除空气，氩气流量10-15L/min，当成型室内的氧含量约在1000ppm时，开启净化系统使氧含量低于50ppm。

优选地，所述送粉系统采用的钛铝基合金粉末采用等离子旋转电极法生产，粒度约100目-200目。

优选地，步骤2）形成所述基础熔覆层时，设定激光功率参数为700-1000W，步骤3）进行所述均匀稳定的成形时，设定激光功率参数为2000-2500W。

一种大尺寸钛铝合金的激光立体成形装置，包括激光器、送粉系统、数控系统、反射聚焦镜、送粉喷嘴、基板、机床台面、成形室、净化系统和水冷系统；其中反射聚焦镜、送粉喷嘴、基板和机床台面置于成形室内，基板固定于机床台面上；所述激光器用于产生激光束，所述反射镜用于将产生的激光束聚焦并照射在基板上形成金属熔池，所述送粉系统用于将钛铝基合金粉末经过送粉喷嘴汇聚于所述金属熔池中，所述数控系统用于控制所述送粉喷嘴和所述机床台面的运动，所述净化系统用于降低成形室内的氧含量，所述水冷系统用于给激光器和机床台面进行冷却。

本发明采用激光立体快速成形技术进行制造，该技术是根据快速成形原理采用高功率激光束直接将同步输送的钛铝合金粉末熔化，然后快速凝固，随着激光束和送粉喷嘴的同步运动，连续逐层熔覆出致密的高性能金属结构件的制造方法。本发明通过设定不同的剖分高度，控制机床的不同运行速度（喷嘴的扫描速度），设定送粉系统不同的送粉速度，即可制造大尺寸无裂纹的钛铝合金材料或钛铝基其它易裂合金材料。与传统工艺相比，采用该工艺方法制造钛铝合金材料，可以避免熔覆过程中出现钛铝合金容易产生裂纹的现象，制造出大尺寸无裂纹的钛铝合金材料，为钛铝合金在快速制造领域实现工程化奠定了基础。

附图说明

图1为实施例中激光立体成形设备的组成结构示意图；

图2为本发明的大尺寸钛铝基合金的激光立体成形方法的步骤流程图；

图3为实施例中激光熔覆成形的尺寸为60mm×150mm×3.5mm的钛铝合金试样图；

图4为实施例中激光熔覆成形的尺寸为10mm×40mm×50mm钛铝合金试样图。

图中标号说明：1-激光器、2-送粉系统、3-数控系统、4-反射聚焦镜、5-送粉喷嘴、6-基板、7-水冷机床台面、8-成形室、9-净化系统、10-水冷系统、11-透镜、12-钛铝合金。

具体实施方式

下面通过具体实施例和附图，对本发明做详细的说明。

本发明采用激光立体成形技术制造大尺寸无裂纹钛铝基合金材料，该方法所用设备为激光立体成形设备（系统），图1为该设备的结构组成示意图。如该图所示，该激光立体成形设备包括激光器1、送粉系统2、数控系统3、反射聚焦镜4、送粉喷嘴5、基板6、水冷机床台面7、成形室8、净化系统9、水冷系统10和透镜11。其中，反射聚焦镜4、透镜11、送粉喷嘴5、基板6和水冷机床台面7置于成形室8内。水冷机床台面7用于固定需要成形的钛合金的基板材料并进行纵向运动，数控系统3用于控制送粉喷嘴5的二维扫描运动和水冷机床台面7的纵向升降运动，激光器1用于产生激光束，反射镜4用于将激光束聚焦并经过透镜11照射在基板6上形成金属熔池，送粉系统2用于将钛铝合金粉末经过送粉喷嘴5汇聚于激光焦点光斑形成的熔池中，成形室8内充满氩气，净化系统9用于降低成形室8内的氧含量，水冷系统10用于给激光器1和水冷机床台面7进行冷却。送粉喷嘴5的数量可以为2个、4个等，优选采用图1所示的对称布置。

优选地，激光器1采用4KW二氧化碳快轴流激光器；基板6采用TC4钛合金材料，在该基板上面进行熔覆；钛铝合金粉末采用等离子旋转电极法生产，粒度约100目-200目。

采用上述设备制备大尺寸无裂纹钛铝合金材料的步骤如图2所示，具体说明下：

第一步：初始化激光成形设备

如图1所示，将要成形材料所用TC4钛合金板材用工装卡具固定在水冷机床台面7上，然后封闭成型室。此时成形室内为空气，由于钛铝合金的熔覆需要在氧含量低于50ppm才能进行熔覆，所以需要先充入氩气以排除空气，流量10-15L/min。当成型室内的氧含量约在1000ppm时，开启净化系统进一步降低氧含量(因为净化系统在氧含量较高时工作容易损坏净化系统)，当氧含量低于50ppm时便可以开启熔覆程序。

首先打开激光器1，将高纯CO₂、高纯He、高纯N₂的压力调节至0.5MPa左右，使激光器1产生的激光束经过反射镜4后在基板6上形成一束光斑并形成熔池；然后打开送粉器2，粉末经过送粉喷嘴5后汇聚于激光光斑焦点上；设定送粉速度为5g/min，送粉气体流量5-6L/min。

第二步：熔覆钛铝合金的基础熔覆层（或称为初始层）

利用三维建模软件建立用于熔覆成形样品的三维模型，采用剖分软件将三维模型剖分根据剖分结果编制熔覆控制程序并载入数控系统3。

比如可以利用UG软件建立试样三维模型。以尺寸为60mm×150mm×3.5mm的试样为例，首先打开UG软件，建立名称为shiyang1.prt的文件，然后建立直角坐标系，输入长宽高分别为60mm、150mm和3.5mm的参数，便建立了试样的三维模型，然后将模型保存为shiyang1.stl格式后存盘退出UG系统。之后采用激光成形设备自带的剖分软件进行三维模型的剖分，打开剖分软件(专用软件)，导入shiyang1.stl文件，设置好剖分参数，将剖分软件自动生成CNC程序输入机床控制计算机3。每层的剖分高度设定为0.1-0.2mm；选取的基板为厚度约5-10mm的TC4钛合金板材。开启设备运行键后，激光器和送粉系统以及机床同时启动，激光束和送粉喷嘴沿着剖分软件生成的运动路径进行扫描运动，粉末输送到激光焦点上并经熔化和凝固后形成熔覆层，这样随着机床的运动便开始了连续的熔覆过程。开始进行第一层熔覆时调整送粉喷嘴的扫描速度为100-200m/h，送粉速度为5-8g/min，连续熔覆5-10层形成钛铝合金初始层。

第三步：完成钛铝合金试样成形

钛铝合金初始层熔覆完成后，采用激光成形设备自带的剖分软件再次对三维模型未成形部分进行剖分。首先打开剖分软件(专用软件)，导入shiyang1.stl文件，设置好剖分参数，将剖分软件自动生成CNC程序输入机床控制系统计算机（数控系统3）。每层的剖分高度设定为0.4mm-0.6mm；调整送粉喷嘴的扫描速度为200-300m/h，送粉速度6-10g/min，使其稳定熔覆成形，熔覆控制程序运行结束后成形样品实体件完成，整个激光熔覆成形过程结束。

之后关闭成形室8的进气阀门和激光器1，调整数控系统3为手动模式，将水冷机床台面7调至原始位置，打开成形室8门对其进行通风换气，20min后操作人员进入成形室，待成形样品冷却后清除多余钛铝合金粉末，打开工装卡具将基板6从水冷机床台面7上取下，基板6上成形的钛铝合金样品即为所成形的钛铝合金材料。

实施例1：本实施例制造高度宽60mm、高150mm、壁厚3.5mm的钛铝合金试样。具体制造步骤如下：

1.选取厚度约10mm的TC4钛合金板材，用工装卡具固定在机床上；

2.开启激光器，设定激光功率参数为700W，高纯CO₂、高纯He、高纯N₂的压力调节至0.5MPa左右，冷却水流量约20L/min；

3.将钛铝合金粉末装入送粉器；

4.利用UG软件建立模型并采用成形设备自带的剖分软件进行三维模型的剖分，每层的剖分高度设定为0.1mm，送粉喷嘴的扫描速度设定为100m/h，送粉速度5g/min；

5.熔覆10层时，采用成形设备自带的剖分软件再次对三维模型未成形部分进行剖分，每层的剖分高度设定为0.5mm，送粉喷嘴的扫描速度设定为200m/h，送粉速度6g/min；功率为2000W，送粉气体流量8L/min；

6.在200-300m/h之间微调整送粉喷嘴的扫描速度使生长速度稳定，当熔覆成形完成时，停止设备；

7.关闭成形室进气阀门和激光器，将水冷机床台面调至原始位置，样品冷却后将基板从水冷机床台面上取下，基板上成形的钛铝合金样品即尺寸为60mm×150mm×3.5mm钛铝合金材料，如图3所示。

实施例2：本实施例制造高度宽40mm、高50mm、壁厚10mm的钛铝合金试样。具体制造步骤如下：

1.选取厚度约10mm的TC4钛合金板材，用工装卡具固定在机床上；

2.开启激光器，设定激光功率参数为1000W，高纯CO₂、高纯He、高纯N₂的压力调节至0.5MPa左右，冷却水流量约20L/min；

3.将钛铝合金粉末装入送粉器；

4.利用UG软件建立模型并采用成形设备自带的剖分软件进行三维模型的剖分，每层的剖分高度设定为0.1mm，送粉喷嘴的扫描速度设定为100m/h，送粉速度5g/min；

5.熔覆10层时，采用成形设备自带的剖分软件再次对三维模型未成形部分进行剖分，每层的剖分高度设定为0.6mm，送粉喷嘴的扫描速度设定为300m/h，送粉速度10g/min；功率为2500W，送粉气体流量8L/min；

6.在200-300m/h之间微调整送粉喷嘴的扫描速度使生长速度稳定，当熔覆成形完成时，停止设备；

7.关闭成形室进气阀门和激光器，将水冷机床台面降低至原始位置，样品冷却后将基板从水冷机床台面上取下，基板上成形的钛铝合金样品即尺寸为40mm×50mm×10mm钛铝合金材料，如图4所示。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，本领域的普通技术人员可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明的精神和范围，本发明的保护范围应以权利要求所述为准。

Claims (7)

1.一种大尺寸钛铝基合金的激光立体成形方法，其步骤包括：

1)利用三维建模软件建立建立钛铝基合金的三维模型，并采用剖分软件对该三维模型进行剖分，根据剖分结果编制熔覆控制程序并载入数控系统；

2)通过数控系统控制送粉喷嘴的扫描速度为100-200m/h，将送粉系统的送粉速度设定为5-8g/min，熔覆控制程序中每层的剖分高度设定为0.1-0.2mm，在基板上熔覆5-10层，形成基础熔覆层；

3)将送粉喷嘴的扫描速度调整为200-300m/h，送粉系统的送粉速度调整为6-10g/min，熔覆控制程序中每层的剖分高度调整为0.4-0.6mm，在所述基础熔覆层上进行均匀稳定的成形，直至成形过程结束。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述基板的材料为钛合金。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于：所述基板的材料为TC4，厚度为5-10mm。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于：进行步骤1)和步骤2)所述熔覆的成形室内的氧含量低于50ppm。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于：首先在成形室内充入氩气以排除空气，氩气流量10-15L/min，当成型室内的氧含量约在1000ppm时，开启净化系统使氧含量低于50ppm。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述送粉系统采用的钛铝基合金粉末采用等离子旋转电极法生产，粒度约100-200目。

7.如权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤2)形成所述基础熔覆层时，设定激光功率参数为700-1000W，步骤3)进行所述均匀稳定的成形时，设定激光功率参数为2000-2500W。