CN105290739A - 基于扩散连接的异型结构钛合金构件的铺层增材制造方法 - Google Patents

基于扩散连接的异型结构钛合金构件的铺层增材制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种基于扩散连接的异型结构钛合金构件的铺层增材制造方法。该方法包括以下步骤：按照异型结构钛合金构件的截面形状及其毛坯的厚度截取各层钛合金板材；按照异型结构钛合金构件的形状将各层钛合金板材进行铺层，铺层结束后，对各层钛合金板材进行封边，得到层合钛合金板材包套，再对该包套进行抽真空处理，得到抽真空后的层合钛合金板材包套；将抽真空后的层合钛合金板材包套进行扩散连接处理，得到钛合金板材铺层结构；检测钛合金板材铺层结构中各层钛合金板材连接界面的扩散焊合情况，以确保各层钛合金板材连接界面的扩散焊合率大于95％；将钛合金板材铺层结构进行机械加工，得到异型结构钛合金构件。

Description

基于扩散连接的异型结构钛合金构件的铺层增材制造方法
技术领域
本发明涉及一种基于扩散连接的异型结构钛合金构件的铺层增材制造方法，属于金属成形技术领域。
背景技术
钛合金具有密度小，强度较高，耐腐蚀性好及高温性能较好等特点，其在航天、航空、医药、化工等领域得到了广泛的应用。采用塑性成形、铸造、锻造、焊接、化铣及机加工等技术均可以加工出不同形状的钛合金构件。
现有加工技术可以制造出各种各样的钛合金制品，然而对于某些异型结构钛合金构件仍有工艺技术改进的空间。对于厚度变化大的异型钛合金构件，可采用厚板加工，但是该方法的材料利用率较低，或者也可以采用锻造或铸造出毛坯再加工厚度变化大的异型钛合金零件，但该方法会增加毛坯锻造或铸造的加工成本，同时增加对毛坯原材料组织性能的控制风险和技术难度。对于钛合金薄板构件，若存在局部厚度变化或连续厚度变化，一般采用化铣或机加工的方法，通过去除多余的钛合金以实现钛合金异型构件的制造，但是钛合金经化铣后存在化学废液处理的问题，而在薄板上进行大面积的机械加工很容易导致板料变形。
因此，寻找一种新的方法来制备上述钛合金异型结构板材已经成为本领域亟需解决的技术问题。
发明内容
为了解决上述的缺点和不足，本发明的目的在于提供一种基于扩散连接的钛合金异型结构板材的铺层增材制造方法。
为达到上述目的，本发明提供了一种基于扩散连接的异型结构钛合金构件的铺层增材制造方法，该方法包括以下步骤：
a、钛合金板材的设计与截取
按照所述异型结构钛合金构件的截面形状及其毛坯的厚度截取各层钛合金板材；
b、铺层及封边
按照异型结构钛合金构件的形状将所述各层钛合金板材进行铺层，铺层结束后，对各层钛合金板材进行封边，得到层合钛合金板材包套，再对该包套进行抽真空处理，得到抽真空后的层合钛合金板材包套；
c、扩散连接
将所述抽真空后的层合钛合金板材包套进行扩散连接处理，得到钛合金板材铺层结构；
d、无损检测
检测钛合金板材铺层结构中各层钛合金板材连接界面的扩散焊合情况，以确保各层钛合金板材连接界面的扩散焊合率大于95％；
e、加工异型结构钛合金构件
将所述钛合金板材铺层结构进行机械加工，得到所述异型结构钛合金构件。
根据本发明所述的方法，步骤a中所述异型结构钛合金构件毛坯的厚度小于等于各层钛合金板材的厚度之和，如：异型结构钛合金构件毛坯的厚度为H，各层钛合金板材的厚度分别为h1、h2、h3…hn，则H≤h1+h2+h3+…+hn。
根据本发明所述的方法，本发明步骤a中对所截取的钛合金板材的层数不作要求，本领域技术人员可以根据现场作业需要合理选择钛合金板材的具体层数。
根据本发明所述的方法，步骤a中各层钛合金板材的截取可以采用本领域常规的手段进行，在本发明优选的实施方式中，是采用线切割的方法截取不同形状和尺寸的钛合金板材。
根据本发明所述的方法，优选地，经步骤b所述的抽真空处理后，层合钛合金板材包套内的真空度应达到0.1MPa以下。
根据本发明所述的方法，在本发明优选的实施方式中，采用氩弧焊对各层钛合金板材进行封边处理。
根据本发明所述的方法，步骤b中在对所述包套进行抽真空处理的同时，需要对包套进行气密性检查，以确保各层钛合金板材之间形成的空腔具有良好的密封性。
根据本发明所述的方法，在本发明优选的实施方式中，步骤c中所述扩散连接处理可以按照以下具体步骤进行：在所述抽真空后的层合钛合金板材包套的表面均匀喷涂止焊剂后将该包套装入扩散连接模具进行扩散连接；或者将所述抽真空后的层合钛合金板材包套放入热等静压炉中进行扩散连接。
根据本发明所述的方法，优选地，步骤c中所述的扩散连接处理的温度为890-920℃，压力为1.5-3.5Mpa，保压时间为60-120min。
根据本发明所述的方法，在本发明优选的实施方式中，步骤d中可以采用超声无损检测法检测钛合金板材铺层结构中各层钛合金板材连接界面的扩散焊合情况。
根据本发明所述的方法，优选地，所述方法还包括在步骤d之后对所述钛合金板材铺层结构进行表面处理以除去其表面氧化膜的操作。
根据本发明所述的方法，在本发明优选的实施方式中可以采用碱崩酸洗的方法去除钛合金板材铺层结构表面的氧化膜；所述碱崩和酸洗均为本领域常规的操作，在本发明优选的实施方式中，碱崩所用的碱液为氢氧化钠水溶液，酸洗所用的酸液为硝酸或氢氟酸。
根据本发明所述的方法，步骤e中所述的机械加工操作为本领域的常规技术手段，本领域技术人员可以根据所需要的异型结构钛合金构件形状对制备出的钛合金板材铺层结构进行机械加工以得到所需要的异型结构钛合金构件。
本发明的基于扩散连接的异型结构钛合金构件的铺层增材制造方法首先按照钛合金零件的外形截取不同厚度及形状尺寸的各层钛合金板材，然后对该各层钛合金板材进行有序铺层，再采用扩散连接的方法实现铺层钛合金板材的高质量扩散连接，最后通过机械加工，得到钛合金零件的最终外形，实现异型结构钛合金构件的制造。
本发明提供的基于扩散连接的异型结构钛合金构件的铺层增材制造方法是制造大厚度的异型结构钛合金构件、变厚度的异型结构钛合金构件及梁(如工字梁)、框、接头等异型结构钛合金构件等的新方法，该方法可以降低零件加工的成本，节约原材料，减少环境污染，而且钛合金在扩散连接后的组织和性能与原始板材接近，即能够保证制备得到的异型结构钛合金构件组织和性能的均匀与稳定性，且明显优于经锻造或铸造得到的钛合金构件。
附图说明
图1为本发明实施例1步骤b中对钛合金板材进行铺层的示意图；
图2为本发明实施例1步骤b中得到的层合钛合金板材包套的示意图；
图3为本发明实施例1加工得到的钛合金薄板构件示意图；
图4为本发明实施例1加工得到的钛合金薄板构件的阶梯状截面局部放大图；
图5为本发明实施例2步骤b中对钛合金板材进行铺层的示意图；
图6为本发明实施例2步骤b中得到的层合钛合金板材包套的示意图；
图7为本发明实施例2加工得到的异型结构钛合金构件示意图。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和有益效果有更加清楚的理解，现结合以下具体实施例及说明书附图对本发明的技术方案进行以下详细说明，但不能理解为对本发明的可实施范围的限定。
实施例1
本实施例提供了一种基于扩散连接的钛合金薄板构件的铺层增材制造方法，其中，该方法包括以下步骤：
a、钛合金板材设计与截取
所述钛合金薄板构件用5层，每层厚度为0.5mm的TC4钛合金平板板材扩散在一起，每层在宽度方向缩进20mm，形成阶梯状截面，5层TC4钛合金平板板材叠在一起的厚度为2.5mm，2.5mm厚度区域的宽度为50mm；
b、板材铺层封焊
将步骤a中得到的钛合金板材依据所设计的零件外形按照次序对正放好进行铺层，其示意图如图1所示，铺层结束后，用氩弧焊将各层钛合金板材进行封边，制成层合钛合金板材包套，然后对层合钛合金板材包套进行抽真空处理使真空度达到0.1MPa以下，同时进行气密性检查，以确保各层空腔内的密封性良好；所述层合钛合金板材包套的示意图如图2所示；
c、扩散连接
将步骤b得到的层合钛合金板材包套装入扩散连接模具中进行扩散连接，扩散连接的温度为890-920℃，最大压力为1.5Mpa，保压时间为60min，扩散连接结束后得到钛合金板材铺层结构；
d、无损检测
采用超声无损检测的方法检测钛合金板材铺层结构各层板材连接界面的扩散焊合情况，检测结果表明各层钛合金板材连接界面的扩散焊合率均大于95％；
e、表面处理
依次采用碱崩及酸洗的方法对所述钛合金板材铺层结构进行表面处理以除去其表面的氧化膜，碱崩所用的碱液为氢氧化钠水溶液，酸洗所用的酸液为硝酸或氢氟酸；
f、钛合金零件加工
按照钛合金薄板构件的图纸对制备出的钛合金板材铺层结构进行机械加工，得到所述钛合金薄板构件，其示意图如图3所示，其阶梯状截面局部放大图如图4所示。
实施例2
本实施例提供了一种基于扩散连接的异型结构钛合金构件的铺层增材制造方法，其中，该方法包括以下步骤：
a、钛合金板材设计与截取
所述异型结构钛合金构件用2层TC4钛合金平板板材(每层厚度均为25mm)及5层TC4钛合金平板板材(每层厚度均为4mm)扩散在一起，该构件的最厚处达到75mm，最大外型尺寸为150mm×800mm；
b、板材铺层及封边
将步骤a中得到的钛合金板材依据所设计的零件外形按照次序对正放好进行铺层，其示意图如图5所示，铺层结束后，用氩弧焊将各层钛合金板材进行封边，制成层合钛合金板材包套，然后对该包套进行抽真空处理使真空度达到0.1MPa以下，同时进行气密性检查，以确保各层空腔内的密封性良好；所述层合钛合金板材包套的示意图如图6所示；
c、扩散连接
将步骤b得到的层合钛合金板材包套装入热等静压炉中进行扩散连接，扩散连接的温度为890-920℃，最大压力为3.5Mpa，保压时间为120min，扩散连接结束后得到钛合金板材铺层结构；
d、无损检测
采用超声无损检测的方法检测步骤c得到的钛合金板材铺层结构各层板材连接界面的扩散焊合情况，检测结果表明各层钛合金板材连接界面的扩散焊合率均大于95％；
e、加工异型结构钛合金构件
按照异型结构钛合金构件的图纸对制备出的钛合金板材铺层结构进行机械加工，得到所述异型结构钛合金构件，其示意图如图7所示。

Claims (4)

1.一种基于扩散连接的异型结构钛合金构件的铺层增材制造方法，其中，该方法包括以下步骤：
a、钛合金板材的设计与截取
按照所述异型结构钛合金构件的截面形状及其毛坯的厚度截取各层钛合金板材；
b、铺层及封边
按照异型结构钛合金构件的形状将所述各层钛合金板材进行铺层，铺层结束后，对各层钛合金板材进行封边，得到层合钛合金板材包套，再对该包套进行抽真空处理，得到抽真空后的层合钛合金板材包套；
c、扩散连接
将所述抽真空后的层合钛合金板材包套进行扩散连接处理，得到钛合金板材铺层结构；
d、无损检测
检测钛合金板材铺层结构中各层钛合金板材连接界面的扩散焊合情况，以确保各层钛合金板材连接界面的扩散焊合率大于95％；
e、加工异型结构钛合金构件
将所述钛合金板材铺层结构进行机械加工，得到所述异型结构钛合金构件。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，经步骤b所述的抽真空处理后，层合钛合金板材包套内的真空度应达到0.1MPa以下。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，步骤c中所述的扩散连接处理的温度为890-920℃，压力为1.5-3.5Mpa，保压时间为60-120min。
4.根据权利要求1-3任一项所述的方法，其中，所述方法还包括在步骤d之后对所述钛合金板材铺层结构进行表面处理以除去其表面氧化膜的操作。
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