CN105904047A - 一种合金材料的层积成形工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种合金材料的层积成形工艺，包括如下步骤：根据实际要求构造金属零件的三维模型，并利用分层软件将其按待加工金属板材的厚度进行分层处理；根据待加工金属零件曲面的分层几何信息，将金属板材切割为一系列金属薄片后，清洗，以除去油污氧化膜；制备非晶钎料，并将其制成碎片状；然后按照金属薄片/非晶钎料/金属薄片/非晶钎料……的形式逐层叠加成所需形状的金属零件，进行钎焊；钎焊时，将加热电流逐渐增加到钎料熔化后迅速调低电流并直至为零，待随炉冷却半小时后，将成形零件取出。本发明可以制造出拉伸强度与合金材料相当或是优于合金材料强度的金属零件，工艺简单可行。

Description

一种合金材料的层积成形工艺
技术领域
本发明涉及金属零件快速成形的新工艺，具体涉及一种合金材料的层积成形工艺。
背景技术
钛合金因具有密度低、比强度高、耐蚀性好、弹性模量低、导热系数小、耐热性好和可焊接等特性而被广泛应用于各个工业领域。但是钛合金进行机械加工时由于高切削温度、与刀具发生化学反应使钛合金难以进行机械加工，因此影响了钛合金的工程应用与推广。目前能够成形金属功能零件的快速成形工艺主要有：选区激光熔化/烧结成形法(SLM/SLS)和激光近终成形法(LENS)、电子束成形法(EBM)、等离子束熔积成形法(PDM)技术。但采用上述金属零件快速成形工艺存在如下问题：(1)层与层之间的结合问题。成形过程中总是不断的形成新的表面，受环境影响，表面的纯净度很难保持，并不断被后层覆盖，容易造成内部质量的恶化，使得成形实体的力学性能带有明显的方向性。(2)零件内部残余应力问题。熔积层在成形过程中经受反复的加热和冷却过程，内部应力状况复杂，常常造成零件的变形、开裂，直至报废。(3)组织致密性问题。送粉精度、能量状况与环境条件直接影响粉末熔化状况、粉末与粉末之间、层与层之间的熔合状况，粉末熔合不好容易造成熔积层内部气孔以及层间孔隙出现。通过上述几种工艺成形的金属零件，最终普遍具有致密度低、机械强度低等工艺缺陷，不能真正用作功能零件。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供了一种合金材料的层积成形工艺，可以制造 出拉伸强度与合金材料相当或是优于合金材料强度的金属零件，工艺简单可行。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：
一种合金材料的层积成形工艺，包括如下步骤：
S1、根据实际要求借助软件构造待加工金属零件的三维模型，并将其按选定金属板材的厚度进行分层处理；根据待加工金属零件曲面的分层几何信息，将选定金属板材数控切割为一系列金属薄片；
S2、将步骤S1所得的金属薄片进行清洗，以除去油污氧化膜；
S3、通过真空电弧熔炼炉和熔体快淬法制备非晶钎料，并将其制成碎片状；
S4、借助相关辅助夹具，将步骤S4所得的金属薄片，按照金属薄片/非晶钎料/金属薄片/非晶钎料……的形式逐层叠加成所需形状的金属零件，放入真空高频感应熔炼炉或真空炉中进行钎焊；
S5、钎焊时，将加热电流按约每分钟增加60℃的速度逐渐增加到钎料熔化后，再按每分钟400℃的速度迅速将电流调低并直至为零，待随炉冷却半小时后，将成形零件取出。
其中，所述非晶钎料为快冷薄带钎料。
其中，所述金属板材为厚度尺寸≤2.0m的合金材料薄板。
本发明具有以下有益效果：
避免了金属零件在用激光或电子束等高能束快速成形过程中，因经历周期性急速加热和冷却、短时非平衡循环固态相变而导致的内部应力状况复杂，零件易变形开裂，致密度低等工艺缺陷，具有较高的机械强度，能满足工业应用。
附图说明
图1为本发明实施例中层积成形试样示意图。
图2为本发明实施例中钎焊拉伸试样尺寸图。
图3为本发明实施例中采用两种钎料制得成形试样的拉伸结果图。
具体实施方式
为了使本发明的目的及优点更加清楚明白，以下结合实施例对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例
TC4合金的层积成形工艺，具体包括以下步骤：
S1.根据实际要求，构造金属零件的三维模型；
S2.利用分层软件对所得三维模型按0.5mm的厚度进行分层处理；
S3.根据造型零件曲面的分层几何信息将0.5mm厚的TC4合金板材切割为一系列金属薄片；
S4.将待焊TC4薄片放入丙酮溶液中超声清洗10min，除去表面污染物后，再通过HF(1％～3％)+HNO3(20％)+H2O(余量)进行化学清洗，以除去TC4表面的氧化膜；
S5.秤取如表1所示成分的金属单质原料，在真空度为4×10-3～6×10-3Pa，并以高纯氩气作保护气体的真空电弧熔炼炉中反复熔炼多次，待合金随炉冷却后，自熔炼设备中取出，采用单辊急冷法制备出厚度为20～50μm，宽为1.5～2mm的TiZrCuNiFeSnSi非晶合金薄带，并在钎焊前将其制成碎片状；
表1钎料化学成分(at％)
S6.如图1所示，将清洗好的金属薄片，按照金属薄片/非晶合金薄带/金属薄片/非晶合金薄带……的形式逐层叠加成所需形状的金属零件，放入真空度为×10-3的真空高频感应熔炼炉中进行钎焊；钎焊时将加热电流按每分钟增加60℃的速度逐渐增加到钎料熔化后，再按每分钟400℃的速度迅速将电流调低并直至为零，，待随炉冷却半小时后，将成形零件取出。
8.将成形试样按图2所示尺寸，加工成拉伸试样，在Instron5565万能试验机上，以1mm/min的拉伸速率进行拉伸强度测试，拉伸曲线如图3所示，拉伸强度见表2所示。
表2两种钎料成形试样和TC4的室温拉伸强度
注：其中1#和2#试样分别采用表1中的1#和2#钎料按相同的制备工艺制得。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种合金材料的层积成形工艺，其特征在于，包括如下步骤：
S1、根据实际要求借助软件构造待加工金属零件的三维模型，并将其按选定金属板材的厚度进行分层处理；根据待加工金属零件曲面的分层几何信息，将选定金属板材数控切割为一系列金属薄片；
S2、将步骤S1所得的金属薄片进行清洗，以除去油污氧化膜；
S3、通过真空电弧熔炼炉和熔体快淬法制备非晶钎料，并将其制成碎片状；
S4、借助相关辅助夹具，将步骤S4所得的金属薄片，按照金属薄片/非晶钎料/金属薄片/非晶钎料……的形式逐层叠加成所需形状的金属零件，放入真空高频感应熔炼炉或真空炉中进行钎焊；
S5、钎焊时，将加热电流按约每分钟增加60℃的速度逐渐增加到钎料熔化后，再按每分钟400℃的速度迅速将电流调低并直至为零，待随炉冷却半小时后，将成形零件取出。
2.根据权利要求1所得的一种合金材料的层积成形工艺，其特征在于，所述非晶钎料为快冷薄带钎料。
3.根据权利要求1所得的一种合金材料的层积成形工艺，其特征在于，所述金属板材为厚度尺寸≤2.0m的合金材料薄板。
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