CN105397086B - 一种钛合金空心叶片激光精密成形方法 - Google Patents

一种钛合金空心叶片激光精密成形方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种钛合金空心叶片激光精密成形方法，包括以下步骤：建立三维模型，分层切片，获得激光扫描路径；基材固定，钛合金粉末放入粉末缸；成形室充入氩气，基材上铺设钛合金粉末；启动激光成形设备，扫描加工；成形缸下降一个层厚的距离，粉末缸随之上升一个层厚的距离，铺粉装置在已加工好的当前层上铺设一层钛合金粉末，直至整个空心叶片加工完毕；对其进行退火处理，制得。空心叶片整个制造过程中无须模具，免去模具加工制造与维修工序，缩短了制造周期，大大降低了生产成本；空心叶片材料无须具有超塑性，只要能满足服役条件即可，材料选择范围广。

Description

一种钛合金空心叶片激光精密成形方法
技术领域
本发明属于金属成形技术领域，具体涉及一种钛合金空心叶片激光精密成形方法。
背景技术
目前国内制造空心叶片采用超塑性成形和扩散连接技术，其中，超塑性成形是指在低的应变速率、一定的变形温度和稳定而细小的晶粒度的条件下，利用某些金属或合金的大伸长率特性，对其进行拉伸成形的方法，而扩散连接技术是指相互接触的材料表面，在温度和压力的作用下相互靠近，局部发生塑性变形，界面处的原子间产生相互扩散，形成原子量级上的结合，从而获得一种整体接合的技术。但上述加工成形方法在加工过程中对温度、压力和时间等参数敏感，如果控制不够精确，极易产生连接缺陷，甚至宏观缺陷，对连接面的稳定性造成严重隐患，导致零件出品率低；且成形材料必须具有超塑性，对于其推广应用有很大局限性；同时，这种加工方法，要求模具精度须高于零件精度2个数量级以上才能保证成形后的零件尺寸精度，模具后续维护费用高，导致零件生产周期长，生产成本高。
发明内容
本发明的目的是提供一种钛合金空心叶片激光精密成形方法，解决了现有钛合金空心叶片加工方法易产生连接缺陷的问题。
本发明所采用的技术方案是，一种钛合金空心叶片激光精密成形方法，包括以下步骤：
步骤1：根据空心叶片结构建立其三维模型，并用切分软件对其三维模型进行分层切片离散处理，获得各层激光扫描路径；
步骤2：将基材固定在激光成形设备的成型缸工作台上，将钛合金粉末放入粉末缸中；
步骤3：在成形室中充入氩气，控制成形室内氧气浓度不高于10ppm；启动铺粉装置，在基材上铺设一层钛合金粉末；
步骤4：启动激光成形设备，激光器发出的激光束根据当前层激光扫描路径对基材上的粉末进行旋转扫描，加工出当前层，并对当前层外轮廓进行重复扫描；
步骤5：成形缸下降一个层厚的距离，粉末缸随之上升一个层厚的距离，同时，铺粉装置在已加工好的当前层上铺设一层钛合金粉末；
步骤6：重复步骤4～5，直至整个空心叶片加工完毕；
步骤7：打开成形室，去除粉末，取出经步骤6加工完毕的钛合金空心叶片零件，对成形的钛合金空心叶片零件进行退火处理，制得。
本发明的特点还在于，
钛合金粉末包括以下组分：Al：3.0～7.0％，V：1.0～2.0％，0<Fe≤0.40％，0<Zr≤0.20％，0<Mn≤0.25％，0<O≤0.25％，0<N≤0.08％，0<Cu≤0.15％，其余为Ti，钛合金粉末的粒度为50-100μm。
步骤3中，氩气纯度不低于99.99％。
步骤4中，激光成形设备的加工参数为：激光功率：250-450W，激光光斑直径：0.08-0.15mm，扫描速度：1000-1500mm/s，供粉量：0.07-0.15mm/层，单层层高：0.05-0.09mm，成形室内氩气循环风速控制电压：2.5-2.8V。
步骤7中，退火工艺为：在550～950℃下保温3-7h后，于真空氩气氛围中冷却至室温。
铺粉装置为刮板。
激光器为光纤激光器。
本发明的有益效果是：一种钛合金空心叶片激光精密成形方法，
(1)通过采用激光精密成形方法，零件整个制造过程中无须模具，免去模具加工制造与维修工序，缩短了零件的制造周期，大大降低生产成本；零件材料无须具有超塑性，只要能满足服役条件即可，材料选择范围广，降低了生产成本；
(2)通过采用粉末成形，逐层堆积，生产的钛合金空心叶片组织细小且致密，产品合格率近100％；
(3)通过使用特定组分含量的钛合金粉末，结合快速成形工艺和传统热处理工艺，获得的零件同时具有高强度、高塑性，综合力学性能远远高于铸件。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明一种钛合金空心叶片激光精密成形方法，具体实施步骤如下：
步骤1：根据空心叶片结构建立其三维模型，并用切分软件对其三维模型进行分层切片离散处理，获得各层激光扫描路径；
步骤2：将基材固定在激光成形设备的成型缸工作台上，将钛合金粉末放入粉末缸中，其中，钛合金粉末包括以下组分：Al：3.0～7.0％，V：1.0～2.0％，0<Fe≤0.40％，0<Zr≤0.20％，0<Mn≤0.25％，0<O≤0.25％，0<N≤0.08％，0<Cu≤0.15％，其余为Ti，钛合金粉末的粒度为50-100μm；
步骤3：在成形室中充入氩气，氩气纯度不低于99.99％，并控制成形室内氧气浓度不高于10ppm；启动铺粉装置，在基材上铺设一层钛合金粉末；
步骤4：启动激光成形设备，光纤激光器发出的激光束根据当前层激光扫描路径对基材上的粉末进行旋转扫描，加工出当前层，并对当前层外轮廓进行重复扫描，其中，激光成形设备的加工参数为：激光功率：250-450W，激光光斑直径：0.08-0.15mm，扫描速度：1000-1500mm/s，供粉量：0.07-0.15mm/层，单层层高：0.05-0.09mm，成形室内氩气循环风速控制电压：2.5-2.8V；
步骤5：成形缸下降一个层厚的距离，粉末缸随之上升一个层厚的距离，同时，刮板在已加工好的当前层上铺设一层钛合金粉末；
步骤6：重复步骤4～5，直至整个空心叶片加工完毕；
步骤7：打开成形室，去除粉末，取出经步骤6加工完毕的钛合金空心叶片零件，对成形的钛合金空心叶片零件进行退火处理，退火工艺为：在550～950℃下保温3-7h后，于真空氩气氛围中冷却至室温，制得。
实施例1
根据空心叶片结构建立其三维模型，并用切分软件对其三维模型进行分层切片离散处理，获得各层激光扫描路径；将基材固定在激光成形设备的成型缸工作台上，将钛合金粉末放入粉末缸中，其中，钛合金粉末包括以下组分：Al：3.0％，V：1.0％，Fe：0.2％，Zr：0.1％，Mn：0.1％，O：0.22％，N：0.04％，Cu：0.05％，其余为Ti，钛合金粉末粒度为50μm；在成形室中充入氩气，氩气纯度99.99％，并控制成形室内氧气浓度5ppm；启动铺粉装置，在基材上铺设一层钛合金粉末；启动激光成形设备，光纤激光器发出的激光束根据当前层激光扫描路径对基材上的粉末进行旋转扫描，加工出当前层，并对当前层外轮廓进行重复扫描，其中，激光成形设备的加工参数为：激光功率：250W，激光光斑直径：0.08mm，扫描速度：1000mm/s，供粉量：0.07mm/层，单层层高：0.05mm，成形室内氩气循环风速控制电压：2.5V；成形缸下降一个层厚的距离，粉末缸随之上升一个层厚的距离，同时，刮板在已加工好的当前层上铺设一层钛合金粉末；重复步骤4～5，直至整个空心叶片加工完毕；打开成形室，去除粉末，取出加工完毕的钛合金空心叶片零件，对成形的钛合金空心叶片零件进行退火处理，退火工艺为：在550℃下保温3h后于真空氩气氛围中冷却至室温，制得。
实施例2
根据空心叶片结构建立其三维模型，并用切分软件对其三维模型进行分层切片离散处理，获得各层激光扫描路径；将基材固定在激光成形设备的成型缸工作台上，将钛合金粉末放入粉末缸中，其中，钛合金粉末包括以下组分：Al：5.0％，V：1.5％，Fe：0.3％，Zr：0.15％，Mn：0.2％，O：0.22％，N：0.06％，Cu：0.1％，其余为Ti，钛合金粉末粒度为80μm；在成形室中充入氩气，氩气纯度99.99％，并控制成形室内氧气浓度7ppm；启动铺粉装置，在基材上铺设一层钛合金粉末；启动光纤激光成形设备，激光器发出的激光束根据当前层激光扫描路径对基材上的粉末进行旋转扫描，加工出当前层，并对当前层外轮廓进行重复扫描，其中，激光成形设备的加工参数为：激光功率：350W，激光光斑直径：0.1mm，扫描速度：1200mm/s，供粉量：0.1mm/层，单层层高：0.07mm，成形室内氩气循环风速控制电压：2.6V；成形缸下降一个层厚的距离，粉末缸随之上升一个层厚的距离，同时，刮板在已加工好的当前层上铺设一层钛合金粉末；重复步骤4～5，直至整个空心叶片加工完毕；打开成形室，去除粉末，取出加工完毕的钛合金空心叶片零件，对成形的钛合金空心叶片零件进行退火处理，退火工艺为：在750℃下保温5h后于真空氩气氛围中冷却至室温，制得。
实施例3
根据空心叶片结构建立其三维模型，并用切分软件对其三维模型进行分层切片离散处理，获得各层激光扫描路径；将基材固定在激光成形设备的成型缸工作台上，将钛合金粉末放入粉末缸中，其中，钛合金粉末包括以下组分：Al：7.0％，V：2.0％，Fe：0.4％，Zr：0.2％，Mn：0.25％，O：0.25％，N：0.08％，Cu：0.15％，其余为Ti，钛合金粉末粒度为100μm；在成形室中充入氩气，氩气纯度99.99％，并控制成形室内氧气浓度10ppm；启动铺粉装置，在基材上铺设一层钛合金粉末；启动激光成形设备，光纤激光器发出的激光束根据当前层激光扫描路径对基材上的粉末进行旋转扫描，加工出当前层，并对当前层外轮廓进行重复扫描，其中，激光成形设备的加工参数为：激光功率：450W，激光光斑直径：0.15mm，扫描速度：1500mm/s，供粉量：0.15mm/层，单层层高：0.09mm，成形室内氩气循环风速控制电压：2.8V；成形缸下降一个层厚的距离，粉末缸随之上升一个层厚的距离，同时，刮板在已加工好的当前层上铺设一层钛合金粉末；重复步骤4～5，直至整个空心叶片加工完毕；打开成形室，去除粉末，取出加工完毕的钛合金空心叶片零件，对成形的钛合金空心叶片零件进行退火处理，退火工艺为：在950℃下保温7h后于真空氩气氛围中冷却至室温，制得。
实施例1、2、3使用特定组分含量的钛合金粉末，结合快速成形工艺和传统热处理工艺，获得的零件同时具有高强度、高塑性，综合力学性能远远高于铸件；力学性能结果见表1。
表1 力学性能结果
抗拉强度(Mpa) 屈服强度(Mpa) 延伸率(％) 断面收缩率(％)
实施例1 1081 1008 13 38
实施例2 939 881 16.5 51
实施例3 945 890 18 59
以上内容是结合具体/优选的实施方式对本发明作出的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，其还可以对这些已描述的实施方式做出若干替代或变型，而这些替代或变型方式都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种钛合金空心叶片激光精密成形方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：根据空心叶片结构建立其三维模型，并用切分软件对其三维模型进行分层切片离散处理，获得各层激光扫描路径；
步骤2：将基材固定在激光成形设备的成型缸工作台上，将钛合金粉末放入粉末缸中，钛合金粉末包括以下组分：Al：3.0～7.0％，V：1.0～2.0％，0<Fe≤0.40％，0<Zr≤0.20％，0<Mn≤0.25％，0<O≤0.25％，0<N≤0.08％，0<Cu≤0.15％，其余为Ti，所述钛合金粉末的粒度为50-100μm；
步骤3：在成形室中充入氩气，控制成形室内氧气浓度不高于10ppm，氩气纯度不低于99.99％；启动铺粉装置，在基材上铺设一层钛合金粉末；
步骤4：启动激光成形设备，激光器发出的激光束根据当前层激光扫描路径对基材上的粉末进行旋转扫描，加工出当前层，并对当前层外轮廓进行重复扫描，其中激光成形设备的加工参数为：激光功率：250-450W，激光光斑直径：0.08-0.15mm，扫描速度：1000-1500mm/s，供粉量：0.07-0.15mm/层，单层层高：0.05-0.09mm，成形室内氩气循环风速控制电压：2.5-2.8V；
步骤5：成形缸下降一个层厚的距离，粉末缸随之上升一个层厚的距离，铺粉装置在已加工好的当前层上铺设一层钛合金粉末；
步骤6：重复步骤4～5，直至整个空心叶片加工完毕；
步骤7：打开成形室，去除粉末，取出经步骤6加工完毕的钛合金空心叶片零件，对成形的钛合金空心叶片零件进行退火处理，制得。
2.根据权利要求1所述的一种钛合金空心叶片激光精密成形方法，其特征在于，所述步骤7中，退火工艺为：在550～950℃下保温3-7h后，于真空氩气氛围中冷却至室温。
3.根据权利要求1所述的一种钛合金空心叶片激光精密成形方法，其特征在于，所述铺粉装置为刮板。
4.根据权利要求1所述的一种钛合金空心叶片激光精密成形方法，其特征在于，所述激光器为光纤激光器。
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