CN104043831A - 一种钛合金薄壁蜂窝结构的制备方法 - Google Patents

一种钛合金薄壁蜂窝结构的制备方法 Download PDF

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本发明提供一种钛合金薄壁蜂窝结构的制备方法，其步骤：(a)将该钛合金薄壁蜂窝结构模型按20～30μm层厚切片分层；(b)将该钛合金粉末均匀地铺设在钛合金基板上，激光器发射的激光束按照确定的激光束扫描的轨迹对钛合金粉末层进行选择性熔化，完成一层钛合金薄壁蜂窝结构加工；(c)在形成的一层钛合金薄壁蜂窝结构上再次铺设钛合金粉末，激光器发射的激光束按照确定的激光束扫描的轨迹对钛合金粉末层进行选择性熔化；(d)逐层加工钛合金薄壁蜂窝结构，最终形成钛合金薄壁蜂窝结构。本发明方法减小成形过程中的应力累积及成形件的变形，柔性化程度高，能够制备变蜂窝距甚至具有三维点阵结构的薄壁蜂窝结构件。

Description

一种钛合金薄壁蜂窝结构的制备方法
技术领域
本发明属于激光增材制造技术领域，涉及一种钛合金薄壁蜂窝结构的制备方法。
背景技术
蜂窝结构是一种特殊结构，具有抗压、减震、隔音、保温、质轻、比强度高等特点，被广泛应用于航空航天、军事等领域。蜂窝结构的传统制造方法有两种，一种是胶接式，其连接方式为物理结合，其强度、使用寿命以及允许的工作环境在很大程度上受胶粘剂性能制约。为了提高蜂窝结构的强度，压力钎焊成形法逐渐发展起来，此方法采用钎焊，取代了压力成形法中的胶接。压力钎焊成形法柔性化程度低，需要大量成套专用工模具，限制了蜂窝结构几何形状的多样性及零件结构的进一步优化，同时钎料的低熔点也影响了蜂窝结构的高温使用性能。
选区激光熔化成形(Selective Laser Melting，简称SLM)技术是基于快速原型的基本思想，结合激光熔覆技术发展起来的数字化制造技术，十分适合钛合金薄壁蜂窝结构件的快速成形。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种钛合金薄壁蜂窝结构的制备方法，通过选区激光熔化成形技术得到力学强度高、几何形状多样的蜂窝结构。
实现本发明目的的技术方案：一种钛合金薄壁蜂窝结构的制备方法，其采用选区激光熔化成形系统方法钛合金薄壁蜂窝结构，该制备方法包括如下步骤：
(a)首先在计算机中建立钛合金薄壁蜂窝结构的三维CAD模型，将该钛合金薄壁蜂窝结构模型按20～30μm层厚切片分层，从而按照各层钛合金薄壁蜂窝结构逐层加工；
(b)将每层的钛合金薄壁蜂窝结构的三维形状数据转换成一系列二维轮廓数据，然后根据每层的二维轮廓数据确定激光束扫描的轨迹；
通过旋振筛得到粒度小于300目的TC4球形钛合金粉末，将该钛合金粉末均匀地铺设在10～20mm厚的TC4钛合金基板上，钛合金粉末铺设厚度符合步骤(a)中分层的厚度要求；激光器发射的激光束按照确定的激光束扫描的轨迹对钛合金粉末层进行选择性熔化，其中采用的激光功率范围为200～350W、光斑直径为0.1～0.6mm、扫描速度为20～40m/min，完成一层钛合金薄壁蜂窝结构加工；
(c)在形成的一层钛合金薄壁蜂窝结构上再次铺设钛合金粉末，钛合金粉末铺设厚度符合步骤(a)中分层的厚度要求；激光器发射的激光束按照确定的激光束扫描的轨迹对钛合金粉末层进行选择性熔化，相邻层钛合金薄壁蜂窝结构加工时，激光束扫描方向相反，其中采用的激光功率范围为200～350W、光斑直径为0.5～1.0mm、扫描速度为20～40m/min，完成相邻层钛合金薄壁蜂窝结构加工；
(d)按照步骤(c)的加工方法反复进行，逐层加工钛合金薄壁蜂窝结构，最终形成钛合金薄壁蜂窝结构。
如上所述的一种钛合金薄壁蜂窝结构的制备方法，其所述的钛合金薄壁蜂窝结构为六边形蜂窝结构，壁厚为0.15mm～0.8mm。
如上所述的一种钛合金薄壁蜂窝结构的制备方法，其所述的激光束扫描采用局部区域仿形式扫描策略，成形同一层六边形蜂窝结构时，同排每个局部六边形采用相同回转方向，相邻排采用相反的回转方向。
如上所述的一种钛合金薄壁蜂窝结构的制备方法，其选区激光熔化成形时保护气氛为纯度为99.999％的高纯氩气。
如上所述的一种钛合金薄壁蜂窝结构的制备方法，其所述的激光器采用400W光纤激光器，激光束经聚焦镜及扫描振镜射出至钛合金粉末上。
本发明的效果在于：本发明提供一种钛合金薄壁蜂窝结构的制备方法，通过选区激光熔化成形技术得到力学强度高、几何形状多样的蜂窝结构，其不需专用工模具，效率高。本发明方法采用局部区域仿形式扫描策略，减小成形过程中的应力累积及成形件的变形，柔性化程度高，能够制备变蜂窝距甚至具有三维点阵结构的薄壁蜂窝结构件。本发明方法获得的钛合金薄壁蜂窝结构最小壁厚可达0.15mm，材料组织致密、细小均匀，零件的力学性能和耐腐蚀性能优异。
附图说明
图1为本发明所述的一种钛合金薄壁六变形蜂窝结构示意图；
图2为本发明所述的钛合金薄壁蜂窝结构的制备过程示意图；
图3为本发明所述的一种钛合金薄壁六边形蜂窝局部区域仿形式扫描策略示意图。
图中：1.计算机；2.送粉箱；3.刮板；4.成形箱；5.激光器；6.聚焦镜；7.扫描振镜。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明所述的一种钛合金薄壁蜂窝结构的制备方法作进一步描述。
实施例1
本发明所述的钛合金薄壁蜂窝结构的制备方法，其采用选区激光熔化成形方法制备钛合金薄壁蜂窝结构。选区激光熔化成形技术是基于快速原型的基本思想，即逐层熔覆/增量制造的方式。
如图1所示，以一种钛合金薄壁六变形蜂窝结构为例，尺寸：100mm×100mm×50mm，壁厚0.5mm，采用本发明所述的一种钛合金薄壁蜂窝结构的制备方法进行加工具体步骤如下，如图2所示：
(a)首先在计算机1中建立钛合金薄壁蜂窝结构的三维CAD模型，将该钛合金薄壁蜂窝结构模型按25μm层厚切片分层(具体分为2000层)，从而按照各层钛合金薄壁蜂窝结构逐层加工；
(b)将每层的钛合金薄壁蜂窝结构的三维形状数据转换成一系列二维轮廓数据，然后根据每层的二维轮廓数据确定激光束扫描的轨迹；
通过旋振筛得到粒度小于300目的TC4球形钛合金粉末，钛合金粉末放入送粉箱2内；通过刮板3将该钛合金粉末均匀地铺设在15mm厚的TC4钛合金基板上，TC4钛合金基板放在成形箱4内，钛合金粉末铺设厚度限定在步骤(a)中分层的厚度要求；激光器5发射的激光束按照确定的激光束扫描的轨迹对钛合金粉末层进行选择性熔化，其中采用的激光功率范围为300W、光斑直径为0.4mm、扫描速度为30m/min，完成一层钛合金薄壁蜂窝结构加工。
(c)成形箱4按照设定下降一个层厚的距离，送粉箱2按照设定上升一个层厚的距离，通过刮板3在形成的一层钛合金薄壁蜂窝结构上再次铺设钛合金粉末，钛合金粉末铺设厚度符合步骤(a)中分层的厚度要求；激光器发射的激光束按照确定的激光束扫描的轨迹对钛合金粉末层进行选择性熔化，相邻层钛合金薄壁蜂窝结构加工时，激光束扫描方向相反，减小层间的应力集中，其中采用的激光功率范围为300W、光斑直径为0.4mm、扫描速度为30m/min，完成另一层钛合金薄壁蜂窝结构加工。
(d)按照步骤(c)的加工方法再进行上一层钛合金薄壁蜂窝结构加工，如此往复，最终形成钛合金薄壁蜂窝结构。
如图3所示，上述方法中激光束扫描采用仿形式扫描路径，成形同一层六边形蜂窝结构时，同排每个局部六边形采用相同回转方向，相邻排采用相反的回转方向，减小层内的应力集中。
上述选区激光熔化成形时保护气氛为纯度为99.999％的高纯氩气。
上述激光器5采用400W光纤激光器，激光束经聚焦镜6及扫描振镜射7出至钛合金粉末上。
实施例2
如图1所示，以一种钛合金薄壁六变形蜂窝结构为例，尺寸：100mm×60mm×30mm，壁厚0.15mm，采用本发明所述的一种钛合金薄壁蜂窝结构的制备方法进行加工具体步骤如下，如图2所示：
(a)首先在计算机1中建立钛合金薄壁蜂窝结构的三维CAD模型，将该钛合金薄壁蜂窝结构模型按20μm层厚切片分层(具体分1500层)，从而按照各层钛合金薄壁蜂窝结构逐层加工；
(b)将每层的钛合金薄壁蜂窝结构的三维形状数据转换成一系列二维轮廓数据，然后根据每层的二维轮廓数据确定激光束扫描的轨迹；
通过旋振筛得到粒度小于300目的TC4球形钛合金粉末，钛合金粉末放入送粉箱2内；通过刮板3将该钛合金粉末均匀地铺设在10mm厚的TC4钛合金基板上，TC4钛合金基板放在成形箱4内，钛合金粉末铺设厚度限定在步骤(a)中分层的厚度要求；激光器5发射的激光束按照确定的激光束扫描的轨迹对钛合金粉末层进行选择性熔化，其中采用的激光功率范围为200W、光斑直径为0.1mm、扫描速度为20m/min，完成一层钛合金薄壁蜂窝结构加工。
(c)成形箱4按照设定下降一个层厚的距离，送粉箱2按照设定上升一个层厚的距离，通过刮板3在形成的一层钛合金薄壁蜂窝结构上再次铺设钛合金粉末，钛合金粉末铺设厚度符合步骤(a)中分层的厚度要求；激光器发射的激光束按照确定的激光束扫描的轨迹对钛合金粉末层进行选择性熔化，相邻层钛合金薄壁蜂窝结构加工时，激光束扫描方向相反，减小层间的应力集中，其中采用的激光功率范围为200W、光斑直径为0.1mm、扫描速度为20m/min，完成另一层钛合金薄壁蜂窝结构加工。
(d)按照步骤(c)的加工方法再进行上一层钛合金薄壁蜂窝结构加工，如此往复，最终形成钛合金薄壁蜂窝结构。
如图3所示，上述方法中激光束扫描采用仿形式扫描路径，成形同一层六边形蜂窝结构时，同排每个局部六边形采用相同回转方向，相邻排采用相反的回转方向，减小层内的应力集中。
上述选区激光熔化成形时保护气氛为纯度为99.999％的高纯氩气。
上述激光器5采用400W光纤激光器，激光束经聚焦镜6及扫描振镜射7出至钛合金粉末上。
实施例3
以一种钛合金薄壁六变形蜂窝结构为例，尺寸：100mm×40mm×60mm，壁厚0.8mm，采用本发明所述的一种钛合金薄壁蜂窝结构的制备方法进行加工具体步骤如下，如图2所示：
(a)首先在计算机1中建立钛合金薄壁蜂窝结构的三维CAD模型，将该钛合金薄壁蜂窝结构模型按30μm层厚切片分层(具体分2000层)，从而按照各层钛合金薄壁蜂窝结构逐层加工；
(b)将每层的钛合金薄壁蜂窝结构的三维形状数据转换成一系列二维轮廓数据，然后根据每层的二维轮廓数据确定激光束扫描的轨迹；
通过旋振筛得到粒度小于300目的TC4球形钛合金粉末，钛合金粉末放入送粉箱2内；通过刮板3将该钛合金粉末均匀地铺设在20mm厚的TC4钛合金基板上，TC4钛合金基板放在成形箱4内，钛合金粉末铺设厚度限定在步骤(a)中分层的厚度要求；激光器5发射的激光束按照确定的激光束扫描的轨迹对钛合金粉末层进行选择性熔化，其中采用的激光功率范围为350W、光斑直径为0.6mm、扫描速度为40m/min，完成一层钛合金薄壁蜂窝结构加工。
(c)成形箱4按照设定下降一个层厚的距离，送粉箱2按照设定上升一个层厚的距离，通过刮板3在形成的一层钛合金薄壁蜂窝结构上再次铺设钛合金粉末，钛合金粉末铺设厚度符合步骤(a)中分层的厚度要求；激光器发射的激光束按照确定的激光束扫描的轨迹对钛合金粉末层进行选择性熔化，相邻层钛合金薄壁蜂窝结构加工时，激光束扫描方向相反，减小层间的应力集中，其中采用的激光功率范围为350W、光斑直径为0.6mm、扫描速度为40m/min，完成另一层钛合金薄壁蜂窝结构加工。
(d)按照步骤(c)的加工方法再进行上一层钛合金薄壁蜂窝结构加工，如此往复，最终形成钛合金薄壁蜂窝结构。
如图3所示，上述方法中激光束扫描采用仿形式扫描路径，成形同一层六边形蜂窝结构时，同排每个局部六边形采用相同回转方向，相邻排采用相反的回转方向，减小层内的应力集中。
上述选区激光熔化成形时保护气氛为纯度为99.999％的高纯氩气。
上述激光器5采用400W光纤激光器，激光束经聚焦镜6及扫描振镜射7出至钛合金粉末上。

Claims (5)

1.一种钛合金薄壁蜂窝结构的制备方法，其采用选区激光熔化成形方法制备钛合金薄壁蜂窝结构，其特征在于，该制备方法包括如下步骤：
(a)首先在计算机中建立钛合金薄壁蜂窝结构的三维CAD模型，将该钛合金薄壁蜂窝结构模型按20～30μm层厚切片分层，从而按照各层钛合金薄壁蜂窝结构逐层加工；
(b)将每层的钛合金薄壁蜂窝结构的三维形状数据转换成一系列二维轮廓数据，然后根据每层的二维轮廓数据确定激光束扫描的轨迹；
通过旋振筛得到粒度小于300目的TC4球形钛合金粉末，将该钛合金粉末均匀地铺设在10～20mm厚的TC4钛合金基板上，钛合金粉末铺设厚度符合步骤(a)中分层的厚度要求；激光器发射的激光束按照确定的激光束扫描的轨迹对钛合金粉末层进行选择性熔化，其中采用的激光功率范围为200～350W、光斑直径为0.1～0.6mm、扫描速度为20～40m/min，完成一层钛合金薄壁蜂窝结构加工；
(c)在形成的一层钛合金薄壁蜂窝结构上再次铺设钛合金粉末，钛合金粉末铺设厚度符合步骤(a)中分层的厚度要求；激光器发射的激光束按照确定的激光束扫描的轨迹对钛合金粉末层进行选择性熔化，相邻层钛合金薄壁蜂窝结构加工时，激光束扫描方向相反，其中采用的激光功率范围为200～350W、光斑直径为0.5～1.0mm、扫描速度为20～40m/min，完成相邻层钛合金薄壁蜂窝结构加工；
(d)按照步骤(c)的加工方法反复进行，逐层加工钛合金薄壁蜂窝结构，最终形成钛合金薄壁蜂窝结构。
2.根据权利要求1所述的一种钛合金薄壁蜂窝结构的制备方法，其特征在于：所述的钛合金薄壁蜂窝结构为六边形蜂窝结构，壁厚为0.15mm～0.8mm。
3.根据权利要求2所述的一种钛合金薄壁蜂窝结构的制备方法，其特征在于：所述的激光束扫描采用局部区域仿形式扫描策略，成形同一层六边形蜂窝结构时，同排每个局部六边形采用相同回转方向，相邻排采用相反的回转方向。
4.根据权利要求1所述的一种钛合金薄壁蜂窝结构的制备方法，其特征在于：选区激光熔化成形时保护气氛为纯度为99.999％的高纯氩气。
5.根据权利要求1所述的一种钛合金薄壁蜂窝结构的制备方法，其特征在于：所述的激光器采用400W光纤激光器，激光束经聚焦镜及扫描振镜射出至钛合金粉末上。
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