CN106735209A - 钛基石墨烯合金轻量化结构件的增材制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了钛基石墨烯合金轻量化结构件的增材制造方法，不需要传统的模具、刀具、夹具及多道加工工序，在一台设备上可快速而精密地制造出任意复杂形状的零件，从而实现自由制造，解决许多过去难以制造的复杂结构零件，并大大减少了加工工序，缩短了加工周期，而且越是复杂结构产品，其优势越为凸显，适用于钛基烯合金轻量化结构件的制造。通过本发明方法，可以实现一种钛基石墨烯合金轻量化结构件的增材制造，很好地解决了钛基烯合金轻量化结构件难以加工的问题，既实现了减重又提高了性能。

Description

钛基石墨烯合金轻量化结构件的增材制造方法

技术领域

本发明涉及一种钛基石墨烯合金轻量化结构件的增材制造方法，属于增材制造技术领域。

背景技术

在满足航空器任务需求前提下，降低航空器重量是设计师一直追求的目标。对于航空器而言，轻量化结构设计已成为整个产品开发的主要方向，轻量化结构设计，意味着航空器能耗更低和更为优越的性能。因此，越来越多的航空器结构件采用轻量化设计，并采用钛合金材料进行制造。

钛合金具有低的密度、高的强度和良好的稳定性，作为结构材料，在航空、航天等领域得到广泛应用。而目前钛合金轻量化结构件往往整体强度不太理想，甚至不能满足性能要求，如何提高钛合金强度一直是其研究者的主攻方向。目前来看，利用改变合金熔炼方式、调控成分、调整热处理和变形工艺等方法在进一步大大提高钛合金性能难有突破，钛基复合材料应运而生。在钛合金中填加石墨和碳纳米管制备钛基复合材料，来提高合金强度成为学者们研究方向，但增强效果不尽人意。石墨烯纳米片具有高的强度，和较好的塑性，很多国内外研究机构已经开展了研究，将石墨烯添加到钛合金中形成石墨烯增强钛基复合材料（钛基烯合金），可使材料与塑性同时得到大幅度提升。而该材料适用于制造轻量化结构件，例如蜂窝接头，既能提升综合性能又能减轻重量。

采用传统方法难以制造钛基烯合金，由于钛基烯合金硬度和耐磨性太高，难以加工；工序繁琐，生产周期长；一致性差，合格率低。

发明内容

本发明的目的是提供一种钛基石墨烯合金轻量化结构的增材制造方法，用以钛基烯合金轻量化结构件，使其能满足减重以及性能要求。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明提供了一种钛基石墨烯合金轻量化结构件的增材制造方法，其包括如下步骤：

S1：制备钛基烯合金粉末；

S2：将所述钛基烯合金粉末干燥后添加到增材制造设备的料缸中；

S3：将基板安装在增材制造设备的成形平台上，将刮刀安装在增材制造设备的刀架上；

S4：将所述基板预热至195~205℃，用刮刀将钛基烯合金粉末均匀地铺在基板上；

S5：将轻量化结构件的三维数模以stl格式导出，并对stl格式的三维数模进行修复，以满足增材制造的要求；

S6：对轻量化结构件进行悬臂角度分析、成型摆放角度分析、添加支撑以及做底部倒角；

S7：设定增材制造设备的工艺参数以及扫描策略；

S8：对三维数模进行切片，转化成二维切片数据信息，生成加工程序文件，并将所述加工程序文件导入增材制造设备中；

S9：开启增材制造设备，调整增材制造设备的成形舱室的氧气含量，并对基板表面进行毛化处理；

S10：根据轻量化结构件的加工程序的第一层轨迹，增材制造设备自动开启激光，对基板上的钛基烯合金粉末进行选择性熔化，与基板形成冶金结合，第一层零件部分扫描两遍，而网格支撑部分只扫描一遍，形成轻量化结构件的首层截面；

S11：分别调整增材制造设备的成形缸和料缸的高度，进行第二层零件部分的熔化叠加；

S12：按照步骤S11的操作，进行剩余层零件部分的熔化叠加，控制奇数层网格支撑扫描，偶数层网格支撑不扫描，直至整个轻量化结构件的制造完成。

作为优选方案，步骤S1中所述的钛基烯合金粉末的制备方法为：

采用气雾化的方法制备钛合金粉末，并同时向所述钛合金粉末表面喷射尺寸为不超过5μm的石墨烯纳米片，使所述石墨烯纳米片附着在钛合金粉末颗粒表面，控制石墨烯纳米片的用量为钛合金粉末重量的0.37%。

作为优选方案，所述钛基烯合金粉末的粒度范围不超过62μm，其中10~55μm的粉末占92%以上，粉末形状为球形或类球形。

作为优选方案，步骤S3中所述的基板的材料与钛合金的材料相同，且基板的厚度不低于30mm，基板的上平面和下平面的平行度不大于0.02mm，上平面平面度不大于0.03mm，基板在成形平台上的安装水平度为±0.02mm。

作为优选方案，步骤S3中所述的刮刀下底面与基板上表面的间隙不大于0.04mm。

作为优选方案，步骤S6中所述的悬臂角度不低于25°，成形摆放角度为20~25°，添加支撑为网格支撑，规格为0.4~0.6mm，底部倒角的大小为，其中的a为底部拉伸的余量。

作为优选方案，所述增材制造设备的工艺参数为：激光功率为150~380W，扫描速度为600~1700mm/s，激光搭接为0.85~0.10mm，铺粉层厚为0.03~0.06mm，补粉量为0.05~0.08mm，光斑补偿系数为0.10~0.15mm。

作为优选方案，所述设定增材制造设备的扫描策略为：采用5×5mm离散分区扫描，激光先扫描支撑，再扫描零件内部，最后扫描零件轮廓，相邻层沿逆时针方向旋转45~55°扫描。

作为优选方案，还包括如下步骤：

取出轻量化结构件后，将带基板的零件放进真空热处理炉进行去应力退火，选择温差为±5℃的真空热处理炉，热处理制度：温度为600~900℃，保温时间3~6小时，真空度不低于2.5×10^-3Mpa，随炉冷却到50℃以下出炉；

取出后，对轻量化结构件进行线切割、清洗以及表面处理，结构件重量减轻了2~4%；

以同炉制造的随炉试棒代替轻量化结构件的性能检测，室温拉伸强度提高25~40%，室温延伸率提高30~45%；对轻量化结构件进行测试，整体结构强度提高10~25%。

增材制造技术，不需要传统的模具、刀具、夹具及多道加工工序，在一台设备上可快速而精密地制造出任意复杂形状的零件，从而实现自由制造，解决许多过去难以制造的复杂结构零件，并大大减少了加工工序，缩短了加工周期，而且越是复杂结构产品，其优势越为凸显，适用于钛基烯合金轻量化结构件的制造。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

通过本发明方法，可以实现一种钛基石墨烯合金轻量化结构件的增材制造，很好地解决了钛基烯合金轻量化结构件难以加工的问题，既实现了减重又提高了性能。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

本实施方式提供了一种钛基石墨烯合金轻量化结构件的增材制造方法，其包括如下步骤：

步骤1：采用气雾化的方法制备钛合金粉末，并同时向钛合金粉末表面喷射尺寸为不超过5μm的石墨烯纳米片，使其附着在钛合金粉末颗粒表面，石墨烯含量为0.37%。筛取钛基烯合金粉末，粒度不超过62μm，其中10~55μm的粉末占92%以上，粉末形状为球形或类球形。

步骤2：将钛基烯合金粉末放入真空干燥箱，干燥制度为150℃/8小时，真空度不低于1×10^-1Mpa，干燥后添加到增材制造设备料缸中。

步骤3：选择同等钛基材料加工成基板，基板厚度不低于30mm，上下表面平行度不大于0.02mm，上表面平面度不大于0.03mm，将基板装在增材制造设备成形平台上，安装水平度为±0.02mm；

步骤4：采用柔性钢带刮刀，将其安装设备刀架上，使刮刀下底面与基板上表面的间隙不大于0.04mm，保证刮刀在基板上铺粉均匀；

步骤5：将基板预热到195~205℃，采用刮刀将钛基烯合金粉末均匀地铺在基板上；

步骤6：将轻量化结构件的三维数模以stl格式导出，并采用专用三维修复软件，对轻量化结构件的stl格式三维数模进行修复，修复各种缺陷，满足增材制造要求；

步骤7：采用专用三维修复软件对轻量化结构件进行悬臂角度分析、成形拜访角度分析、添加支撑以及做底部倒角。悬臂角度不能低于25°，低于25°的悬臂需要添加支撑；轻量化结构件成形摆放角度为20~25°；采用网格支撑，其规格为0.4~0.6mm，底部倒角大小为，其中a为底部拉伸的余量；

步骤8：设定增材制造设备的工艺参数：激光功率为150~380W，扫描速度为600~1700mm/S，激光搭接为0.85~0.10mm，铺粉层厚为0.03~0.06mm，补粉量为0.05~0.08mm，光斑补偿系数为0.10~0.15mm；

步骤9：设定增材制造设备的扫描策略：采用5×5mm离散分区扫描，激光先扫描支撑，再扫描零件内部，最后扫描零件轮廓，相邻层沿逆时针方向旋转45°~55°扫描；

步骤10：采用专用切片软件对步骤8的三维数模进行切片，转化成一系列的二维切片数据信息，生成相应的加工程序文件，并导入增材制造设备的中；

步骤11：开启增材制造设备，并向设备成形舱室内部充入纯度为99.999%的高纯氩气，使成型舱内部的氧含量降到100ppm以下；

步骤12：采用激光去除方法对基板表面进行去除处理，去除表面氧化皮并达到表面毛化效果，激光功率：100~240W，扫描速度：1800~2000mm/s，扫描间隔：0.15~0.30mm,扫描5~8遍；

步骤13：根据轻量化结构件的加工程序的第一层轨迹，增材制造设备自动开启激光，对基板上的钛基烯合金粉末选择性熔化，与基板的冶金结合，第一层零件部分扫描两遍，而网格支撑部分只扫描一遍，形成轻量化结构件的首层截面；

步骤14：成形缸下降单层高度，料缸上升一定高度，刮刀将粉末均匀地铺在成形基板上，多余粉末进入回收料缸内。激光沿加工程序轨迹扫描，相邻层轻量化结构件扫描成形时，相对于已成形的上一层，第二层零件部分扫描一遍，而第二层网格支撑部分不扫描，第二层与第一层零件部分冶金结合在一起；

步骤15：按照步骤14进行，每层零件部分扫描一遍，奇数层网格支撑扫描，偶数层网格支撑不扫描，逐层扫描熔化叠加，直至整个轻量化结构件零件的制造完成；

步骤16：制造完毕后，继续向设备内充入氩气，并保持设备内氧含量低于100ppm，待冷却12小时后，即可打开设备取出零件；

步骤17：取出零件后，将带基板的零件放进真空热处理炉进行去应力退火，选择温差为±5℃的真空热处理炉，热处理制度：温度为600~900℃，保温时间3~6小时，真空度不低于2.5×10^-3Mpa，随炉冷却到50℃以下出炉。

步骤18：取出后，对轻量化结构件进行线切割、清洗以及表面处理，结构件重量减轻了2~4%；

步骤19：以同炉制造的随炉试棒代替轻量化结构件的性能检测，室温拉伸强度提高25~40%，室温延伸率提高30~45%；对轻量化结构件进行测试，整体结构强度提高10%~25%。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (9)

1.一种钛基石墨烯合金轻量化结构件的增材制造方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1：制备钛基烯合金粉末；

S2：将所述钛基烯合金粉末干燥后添加到增材制造设备的料缸中；

S3：将基板安装在增材制造设备的成形平台上，将刮刀安装在增材制造设备的刀架上；

S4：将所述基板预热至195~205℃，用刮刀将钛基烯合金粉末均匀地铺在基板上；

S5：将轻量化结构件的三维数模以stl格式导出，并对stl格式的三维数模进行修复，以满足增材制造的要求；

S6：对轻量化结构件进行悬臂角度分析、成型摆放角度分析、添加支撑以及做底部倒角；

S7：设定增材制造设备的工艺参数以及扫描策略；

S8：对三维数模进行切片，转化成二维切片数据信息，生成加工程序文件，并将所述加工程序文件导入增材制造设备中；

S9：开启增材制造设备，调整增材制造设备的成形舱室的氧气含量，并对基板表面进行毛化处理；

S10：根据轻量化结构件的加工程序的第一层轨迹，增材制造设备自动开启激光，对基板上的钛基烯合金粉末进行选择性熔化，与基板形成冶金结合，第一层零件部分扫描两遍，而网格支撑部分只扫描一遍，形成轻量化结构件的首层截面；

S11：分别调整增材制造设备的成形缸和料缸的高度，进行第二层零件部分的熔化叠加；

S12：按照步骤S11的操作，进行剩余层零件部分的熔化叠加，控制奇数层网格支撑扫描，偶数层网格支撑不扫描，直至整个轻量化结构件的制造完成。

2.如权利要求1所述的钛基石墨烯合金轻量化结构件的增材制造方法，其特征在于，步骤S1中所述的钛基烯合金粉末的制备方法为：

采用气雾化的方法制备钛合金粉末，并同时向所述钛合金粉末表面喷射尺寸为不超过5μm的石墨烯纳米片，使所述石墨烯纳米片附着在钛合金粉末颗粒表面，控制石墨烯纳米片的用量为钛合金粉末重量的0.37%。

3.如权利要求2所述的钛基石墨烯合金轻量化结构件的增材制造方法，其特征在于，所述钛基烯合金粉末的粒度范围不超过62μm，其中10~55μm的粉末占92%以上，粉末形状为球形或类球形。

4.如权利要求1所述的钛基石墨烯合金轻量化结构件的增材制造方法，其特征在于，步骤S3中所述的基板的材料与钛合金的材料相同，且基板的厚度不低于30mm，基板的上平面和下平面的平行度不大于0.02mm，上平面平面度不大于0.03mm，基板在成形平台上的安装水平度为±0.02mm。

5.如权利要求1所述的钛基石墨烯合金轻量化结构件的增材制造方法，其特征在于，步骤S3中所述的刮刀下底面与基板上表面的间隙不大于0.04mm。

6.如权利要求1所述的钛基石墨烯合金轻量化结构件的增材制造方法，其特征在于，步骤S6中所述的悬臂角度不低于25°，成形摆放角度为20~25°，添加支撑为网格支撑，规格为0.4~0.6mm，底部倒角的大小为，其中的a为底部拉伸的余量。

7.如权利要求1所述的钛基石墨烯合金轻量化结构件的增材制造方法，其特征在于，所述增材制造设备的工艺参数为：激光功率为150~380W，扫描速度为600~1700mm/s，激光搭接为0.85~0.10mm，铺粉层厚为0.03~0.06mm，补粉量为0.05~0.08mm，光斑补偿系数为0.10~0.15mm。

8.如权利要求1所述的钛基石墨烯合金轻量化结构件的增材制造方法，其特征在于，所述设定增材制造设备的扫描策略为：采用5×5mm离散分区扫描，激光先扫描支撑，再扫描零件内部，最后扫描零件轮廓，相邻层沿逆时针方向旋转45~55°扫描。

9.如权利要求1所述的钛基石墨烯合金轻量化结构件的增材制造方法，其特征在于，还包括如下步骤：

取出轻量化结构件后，将带基板的零件放进真空热处理炉进行去应力退火，选择温差为±5℃的真空热处理炉，热处理制度：温度为600~900℃，保温时间3~6小时，真空度不低于2.5×10^-3Mpa，随炉冷却到50℃以下出炉；

取出后，对轻量化结构件进行线切割、清洗以及表面处理，结构件重量减轻了2~4%；

以同炉制造的随炉试棒代替轻量化结构件的性能检测，室温拉伸强度提高25~40%，室温延伸率提高30~45%；对轻量化结构件进行测试，整体结构强度提高10~25%。