CN108526488A - 一种增减材制备钛合金零件的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种增减材制备钛合金零件的方法，该方法具体包括制备氢化钛颗粒：采用海绵钛为原材料，使其与氢气反应生成氢化钛，反应完成后，将上述生成的氢化钛进行破碎处理；制备球化钛颗粒：将破碎的氢化钛颗粒进行射频等离子球化处理；增减材加工：根据零件生成三维CAD模型，将所述CAD模型导入到增减材混合加工系统的软件程序中；软件生成多个沉积层及沉积模块，设定每个沉积模块的沉积路径及沉积参数；并实时进行检测，根据原始数据及实时检测到的数据，对材料进行减材加工修复。本发明将高精度球化的钛合金颗粒材料与增减材制造技术结合起来，可以产业上得到广泛的应用。

Description

一种增减材制备钛合金零件的方法

技术领域

本发明涉及钛合金先进制造领域，特别涉及一种增减材制备钛合金零件的方法。

背景技术

钛及钛合金由于其具有密度低、比强度高、耐蚀性好、耐热性高、无磁、焊接性能好等优良性能，在汽车、化工、冶金、环保、航空、航天和兵器等领域具有广泛的应用。目前，制备钛合金较成熟的方法主要有真空熔炼、精密铸造和粉末冶金法。熔炼法和精密铸造都存在成分易于偏析、组织不均匀、夹杂引进等缺陷。同样，传统粉末冶金也只能生产形状简单的零件。增材制造可生产成分和组织均匀、近净尺寸的复杂形状零部件，原料利用率高。增材制造俗称3D打印，是融合了计算机辅助设计、材料加工与成形技术，通过软件与数控系统将专用的金属材料、非金属材料以及医用生物材料，按照挤压、烧结、熔融、光固化、喷射等方式逐层堆积，制造出实体物品的制造技术。

随着数字化及智能化的发展，基于CAD模型的产品设计与制造在现代机械制造领域占据了越来越重要的位置。增材制造技术是指基于离散-堆积原理，通过三维模型分层切片的方式自下而上累加制造。与传统的“减材加工”相比，增材制造技术不需要刀具、模具，所需工装、夹具较少；可缩短生产准备周期，加速制造过程，可精确制造出复杂零件，从而有效提高材料利用率。

专利ZLCN201711015935.7公开了一种钛或钛合金选区强化的一体化激光增材制造方法，在惰性气氛加工室中，采用逐层沉积的方法进行钛或钛合金零件的激光增材制造；当沉积到非强化区域时，采用惰性气体作为载粉气体和激光镜头保护气；当沉积到强化区域时，在不改变各项工艺参数的情况下，通过采用含有30％～100％氮气的惰性气体作为载粉气体和激光镜头保护气，改变熔池处的气体氛围，使熔池处的气体氛围中含有30％～100％氮气，使强化区域沉积完成后得到氮化钛强化层。

专利ZL02114474.5公开了一种分级组织可控的激光立体成形方法，根据所要制备的材料，确定需要送进粉末的种类、送粉器的组数和粉末流输入管路的个数，计算机根据加工工艺流程，驱动送粉器送粉，并通过传感器所采集的各路粉末的流量和流态信号，同步精确控制送粉器的送粉量和送粉状态，各路粉末经混流器混合均匀后，经喷嘴送入激光熔池中进行快速成形。

通过对于现有技术的分析可知，钛合金增材制造工艺由于机械系统误差，喷头系统误差，材料成型收缩、变形及固化等误差的存在，增材制备的成形精度不够高。在成型过程中金属粉末多呈熔融态，粉末流速过快时，容易使得沉积粉末沿沉积层流动，而造成零件精度的降低。对于复杂曲面难度系数大，分层效果差，轮廓曲线不平滑，在零件曲面处过渡差，零件局部结构易折断，加工表面不光滑，加工成本高等问题。

此外，钛合金的微观结构也会影响钛产品的优良性能，特别是生物仿生领域，对于钛合金产品的制造精度、仿骨微结构、生物相容性都有较高的要求。在钛合金零件的制备方法中，制备组份均匀、密度均匀、缺陷少、强度高、球形度高的钛粉非常重要。

目前，国内球形钛粉主要通过气雾化方法制造及等离子旋转电极法制造。加拿大的PyroGenesis公司已将等离子体喷雾用于工业规模生产球形钛粉，该公司使用的是直流非转弧等离子喷嘴，等离子喷雾设备由3个与垂直方向成 20°～40°角的喷嘴组成，3个喷嘴对着同一个顶点，形成一个等离子区域，这种工艺设备的优点是热焓量大而电极损耗小，然而该方法生产率较低，粉末成本较高。

专利201280020807.0公开了一种用于制造球形钛和钛合金粉末的低成本方法，该方法包含形成添加有合金元素的钛的熔池或者海绵体流，令惰性气体流冲击穿过熔池表面，或者通过所述海绵体流，从熔池或者流撞出钛合金小滴颗粒，并且冷却并固化所撞出的小滴颗粒以形成球形钛合金粉末，熔池或者流在等离子体加热系统中形成。

专利CN201610581521.X公开了一种球形钛或钛合金粉的制备方法，具体为：采用钛丝或钛合金丝为原料，采用氩气或氮气作为载气，将原料送入等离子体发生器中汽化熔炼，所形成的熔体在反应室中生成金属小液滴，形成微细球形钛或钛合金粉，收集所形成的微细球形钛或钛合金粉，在制备过程终止后，在保护气氛下过筛以收集所需粒度的球形钛或钛合金粉。

专利CN201710930162.9公开了一种近球形钛粉制造工艺以及高性能钛材料，近球形钛粉制造工艺包括如下步骤，步骤一、将钛经过氢化处理形成钛的氢化物；步骤二、将得到的钛的氢化物进行机械破碎产生氢化钛粉末；步骤三、对氢化钛粉末进行脱氢处理，得到氢化脱氢钛粉；步骤四、对得到的氢化脱氢钛粉进行球磨处理，以得到近球形钛粉。

上述工艺方法制备的球形钛粉粒度分布很宽，产品成品率低粉末粒径大于 150μm。球化不充分，难以达到很高的致密度。原料粉末在制备过程中存在团聚现象，而团聚粉末在球化处理过程中未充分分散，造成其整体熔融、球化，形成大颗粒的球形钛粉。对于气雾化方法容易在制备过程中被氧化，而对于等离子旋转电极法存在电极的污染的问题，且设备投资和生产运行成本都很高。对于采用等离子球化处理技术工艺所生产出来的球化粉末，工作气体、边气及携带气体均采用氩气，这需要消耗大量的氩气，工艺方法成本高，并且细粉产量低，制备困难。

发明内容

本发明的主要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提出一种增减材制备钛合金零件的方法。本发明的制备方法简单且成本低，所制备的钛粉球化率高、球化效果好，松装密度及粉末流动性提高，增减材制备的零件成型结构精细，表面粗糙度低，零件的微观组织形态较好，综合性能高。本发明将高精度球化的钛合金颗粒材料与增减材制造技术结合起来，可在产业上得到广泛的应用。

本发明中的增减材制备钛合金零件的方法，具体包括以下步骤：

步骤一、制备氢化钛颗粒：采用海绵钛为原材料，使其与氢气反应生成氢化钛，反应完成后，将上述生成氢化钛进行破碎处理；

步骤二、制备球化钛颗粒：将步骤一所得破碎的氢化钛颗粒进行射频等离子球化处理，主工作气体为氩气，边气为氮气，送粉气体为氮气，氢化钛颗粒吸收高温的等离子所散发的热量，发生脱氢反应，颗粒状的氢化钛在氢气压力的冲击作用下，破碎形成微粒状的颗粒粉末；并且在表面张力的作下，粉末熔化并快速冷凝为球形；

步骤三、增减材加工：根据零件生成三维CAD模型，将所述CAD模型导入到增减材混合加工系统的软件程序中；软件生成多个沉积层，计算沉积层的轮廓曲率，根据系统设定的曲率范围，将沉积层细化为若干沉积模块，并设定每个沉积模块的沉积路径及沉积参数；完成一个沉积模块的沉积后，感应及检测部件对于材料在几何区域内的分布进行检测，根据软件所生成的沉积模块的原始数据及实时检测到的数据，对于不同的基准面生成修正方法，根据所述修正方法进行减材加工修复。

进一步地，在上述步骤一中，氢气流量为1.5～3L/s，在反应过程中保持系统压力为常压，反应温度为330～380℃，加热时间为20～40分钟。

进一步地，在上述步骤二中,主工作气体的输送量为40～50m³/h，边气的输送量为80～100m³/h，送粉气体的输送量为10～20m³/h，抽风负压为80～100kPa，等离子输出功率为70～90kW，输送速率为15～30g/min。

进一步地，在上述步骤二中，球化后的钛粉粒度范围为10～40μm，平均粒度为20μm，钛粉中钛的含量为99％以上。

进一步地，在上述步骤二中，球化后的钛粉球化率大于80％，振实密度大于15.5％，粉末流动性大于7.34s/50g。

进一步地，在上述步骤三中的沉积参数包括：各送粉器的配比，送粉速度，激光扫描路径，激光扫描速度，激光强度，扫描方式、扫描速率，铣削用量、铣削路径，沉积模块尺寸。

进一步地，在上述步骤三中感应及检测装置包括激光扫描仪、结构光扫描仪或锥束CT。

进一步地，在上述步骤三中感应及检测范围为沉积模块的三维尺寸范围，检测对象包括曲面、顶点、孔洞、裂缝、重叠、错位及几何退化。

进一步地，在上述步骤三中，软件根据零件的特性、成型质量、成型效率及切片方向生成多个沉积层。

进一步地，在上述步骤三中，所述修正方法的多尺度参数包括铣削用量、铣削路径。

本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

本发明采用射频感应等离子，利用射频感应等离子体装置制备了低成本、高纯度、高球形的球化钛粉。采用射频等离子体球化工艺制备出的球形粉末基本无孔洞存在，可提高制备成型产品的致密度。经球化的钛粉球化率高、球化效果好，松装密度及粉末流动性提高。

本发明采用工作气体为氩气，边气及携带气体为氮气，在保证球化钛粉质量的同时，可降低30％左右生产成本，可用于实现规模生产。在保证钛粉在制备过程中反应的高效进行，克服了钛粉在球化过程中被氧化，由于设备没有电极，不会因电极蒸发而产中杂质的问题。

增减材复合加工成型工艺，结合了增材加工的准确度、高材料利用率及加工效率高的优点，及减材制造的高精度、柔性好、精度高等优点，克服了单一的增材加工尺寸精度及表面特性差的缺陷。

成型结构精细，表面粗糙度低，零件的微观组织形态较好，分布均匀，减少了零件的内应力分散，硬度好且拉伸强度得到了提升，特别适用于形状复杂的高精度零件。整个成型过程高度自动化，成型零件过程中实时检测和修正，增加了在成型过程中的反馈控制(闭环控制)，提高了沉积定位和控制的准确度。

本发明将高精度球化的钛合金颗粒材料与增减材制造技术结合起来，适用于飞机钛合金结构件，航空及汽车发动机及齿轮构件，多尺度生物医学微系统的设计等领域，可在工业上得到广泛的应用。

附图说明

图1为钛粉球化后的扫描电子显微镜照片。

具体实施方式

下面结合具体实施例及说明书附图对本发明作进一步具体详细描述。

本实施例中增减材制备钛合金零件的方法包括以下步骤：

步骤一、制备氢化钛颗粒：取市售粒度200μm～400μm为海绵钛将其置于反应容器中，所述容器中持续通过入氢气，氢气流量为1.5～3L/s并保持系统压力为常压，缓慢升温至330～380℃，加热20～40分钟，生成疏松状的氢化钛；反应完成后将反应产物进行破碎处理，得到不规则的多面颗粒状氢化钛。

步骤二、制备球化钛颗粒：将步骤一所得的氢化钛颗粒进行射频等离子球化处理，将所述氢化钛颗粒置于供粉室，通入主工作气体为氩气，并产生等离子体炬，氮气为边气，送粉气体为氮气，中心气的输送量为40～50m³/h，边气的输送量为80～100m³/h，送粉气体的输送量为10～20m³/h，抽风负压为80～ 100kPa，等离子输出功率为70～90kW，输送速率为15～30g/min。在射频等离子处理过程中，氢化钛颗粒吸收高温的等离子所散发的热量，发生脱氢反应，释放大量的氢气，颗粒状的氢化钛在氢气压力的冲击作用下，破碎形成微粒状的颗粒粉末；并且在表面张力的作下，粉末熔化并快速冷凝为球形，球形颗粒均匀性好，粉末细化；粒度范围为10～40μm，平均粒度为20μm。球化后的钛粉中钛的含量为99％以上。

步骤三：增减材加工：根据零件生成三维CAD模型，将所述CAD模型导入到增减材混合加工系统的软件程序中。软件根据零件的特性、成型质量、成型效率、切片方向等生成多个沉积层，计算沉积层的轮廓曲率，根据系统设定的曲率范围，将沉积层细化为若干沉积模块，并设定每个沉积模块的沉积路径及沉积参数。完成一个沉积模块的沉积后，感应及检测部件检测材料在几何区域内的分布，根据软件所生成的沉积模块原始数据及实时检测到的数据，对于不同的基准面生成多尺度参数的修正和合成方法，包括生成该沉积模块的铣削用量，铣削路径。铣削可避免表面的凹凸、毛刺等缺陷，并保证该沉积模块的沉积厚度的精确性，并且可消除侧面及边角位置的多余材料，消除台阶效应，并保证每个沉积模块的尺寸精度。

沉积参数包括：各送粉器的配比，送粉速度，激光扫描路径，激光扫描速度，激光强度，扫描方式、扫描速率，铣削用量，铣削路径，沉积模块尺寸。

感应及检测装置包括激光扫描仪、结构光扫描仪及锥束CT等，感应及检测范围为特定三维尺寸的沉积模块范围，特别对于曲面、顶点、孔洞、裂缝、重叠、错位及几何退化等进行检测。

在上述步骤中，采用射频感应等离子制备球化钛颗粒，将形状不规则的钛粉颗粒由氮气通过加料枪喷入等离子体炬中，多面颗粒状氢化钛被迅速加热而熔化，并在极短的时间内迅速凝固，制备得球化钛粉。射频等离子体与普通的高温热源不同，将其应用于球化钛粉的制备。选取氢化钛粉末为原料，等离子体能量高度集中，等离子体炬中心区温度高达10000℃，粉末在高温吸热并迅速分解脱氢，并在脱氢过程中碎裂生成微细钛粉。离开等离子焰后，温度以10⁶℃/s 的速度急剧下降，这特殊的温度场为金属钛粉颗粒表面的迅速熔化和快速冷却定型提供了良好的温度环境；等离子体炬能量高度集中，轴向供粉以及在放电区域内钛粉停留时间相对较长，不需要使钨粉全部熔化，热利用率可以提到高达70％左右。利用射频感应等离子体装置制备了低成本、高纯度、高球形的球化钛粉。采用射频等离子体球化工艺制备出的球形粉末基本无孔洞存在，这对于提高后期粉末烧结致密度有较大的优势。

采用了较快的钛粉的输送加料速率，钛粉球化率高、球化效果好。钛粉的送粉气体及边气流量输送量适中，保证钛粉在输送过程中吸收足够的热量，使钛粉实现充分熔融，防止钛粉的部分表面熔化而导致颗粒粘结。钛粉的加料速度与球化率如下表所示：

如附图1所示，为钛粉球化后的扫描电子显微镜SEM照片。从附图1可以看出，经处理后，钛粉表面光滑，呈均匀的球状，且大小粒度相差不大，钛粉颗粒内部的孔隙和裂缝减小。球化后的钛粉相互接触面积小，架桥现象减少，粒子间的空隙少，颗粒堆积紧密。采用流动仪测定球化后粉体的松装密度，可看出随着球化率的提升，粉体的松装密度变大。原料粉体在球化后，颗粒的形貌由极不规则的形状变为球形，颗粒之间的接触面积小，颗粒堆积较密实，在烧结过程中收缩均匀，可实现良好的尺寸控制。

同时，粉末的形貌规则、光滑，粉末接触面积越小，摩擦力越低，使得粉末的流动性提高。球化后的粉末流动性提高到7.34s/50g。采用霍尔流量计测定等离子体处理前后粉体振实密度，振实密度如下表所述。下表为经处理后的钛粉的振实实密度，经比较经处理的钛粉的振实密度大于原料钛粉的振实密度。

球化率(％)	振实密度(g/cm3)
		80	15.80
85	16.05
		90	16.15
95	16.30

对于上述步骤三增减材复合加工成型工艺，根据零件结构完成局部形状的模块化，优化了零件的曲面特征，提高曲面形状和轮廓的精确性和光滑度，成型速度高且稳定性好。以“建模-离散-堆积-修正”的成型原理，实现三维实体零件的高精度成型。成型结构精细，表面粗糙度低，零件的微观组织形态较好，分布均匀，减少了零件的内应力分散，硬度好且拉伸强度得到了提升，特别适用于形状复杂的高精度零件。整个成型过程高度自动化，成型零件过程中实时检测和修正，增加了在成型过程中的反馈控制(闭环控制)，提高了沉积定位和控制的准确度。

本发明的实施方式不限于此，按照本发明的上述内容，利用本领域的普通技术知识和惯用手段，在不脱离本发明上述基本技术思想前提下，本发明还可以做出其它多种形式的修改、替换或变更，均落在本发明权利保护范围之内。

Claims (10)

1.一种增减材制备钛合金零件的方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：

步骤一、制备氢化钛颗粒：采用海绵钛为原材料，使其与氢气反应生成氢化钛，反应完成后，将上述生成的氢化钛进行破碎处理；

步骤二、制备球化钛颗粒：将上述步骤一所得破碎的氢化钛颗粒进行射频等离子球化处理，主工作气体为氩气，边气为氮气，送粉气体为氮气，氢化钛颗粒吸收高温的等离子所散发的热量，发生脱氢反应，颗粒状的氢化钛在氢气压力的冲击作用下，破碎形成微粒状的颗粒粉末；并且在表面张力的作下，粉末熔化并快速冷凝为球形；

步骤三、增减材加工：根据零件生成三维CAD模型，将所述CAD模型导入到增减材混合加工系统的软件程序中；软件生成多个沉积层，计算沉积层的轮廓曲率，根据系统设定的曲率范围，将沉积层细化为若干沉积模块，并设定每个沉积模块的沉积路径及沉积参数；完成一个沉积模块的沉积后，感应及检测部件检测材料在几何区域内的分布，根据软件所生成的沉积模块原始数据及实时检测到的数据，对于不同的基准面生成修正方法，根据所述修正方法进行减材加工修复。

2.根据权利要求1中所述的一种增减材制备钛合金零件的方法，其特征在于：在上述步骤一中，氢气流量为1.5～3L/s，在反应过程中保持系统压力为常压，反应温度为330～380℃，加热时间为20～40分钟。

3.根据权利要求1中所述的一种增减材制备钛合金零件的方法，其特征在于：在上述步骤二中，主工作气体的输送量为40～50m³/h，边气的输送量为80～100m³/h，送粉气体的输送量为10～20m³/h，抽风负压为80～100kPa，等离子输出功率为70～90kW，输送速率为15～30g/min。

4.根据权利要求1中所述的一种增减材制备钛合金零件的方法，其特征在于：在上述步骤二中，球化后的钛粉粒度范围为10～40μm，平均粒度为20μm，钛粉中钛的含量为99％以上。

5.根据权利要求1中所述的一种增减材制备钛合金零件的方法，其特征在于：在上述步骤二中，球化后的钛粉球化率大于80％，振实密度大于15.5％，粉末流动性大于7.34s/50g。

6.根据权利要求1中所述的一种增减材制备钛合金零件的方法，其特征在于：在上述步骤三中的沉积参数包括：各送粉器的配比，送粉速度，激光扫描路径，激光扫描速度，激光强度，扫描方式，扫描速率，铣削用量，铣削路径，切削参数及沉积模块尺寸。

7.根据权利要求1中所述的一种增减材制备钛合金零件的方法，其特征在于：在上述步骤三中感应及检测装置包括激光扫描仪、结构光扫描仪或锥束CT。

8.根据权利要求1中所述的一种增减材制备钛合金零件的方法，其特征在于：在上述步骤三中感应及检测范围为沉积模块的三维尺寸范围，检测对象包括曲面、顶点、孔洞、裂缝、重叠、错位及几何退化。

9.根据权利要求1中所述的一种增减材制备钛合金零件的方法，其特征在于：在上述步骤三中，软件根据零件的特性、成型质量、成型效率及切片方向生成多个沉积层。

10.根据权利要求1中所述的一种增减材制备钛合金零件的方法，其特征在于：在上述步骤三中，所述修正方法的多尺度参数包括铣削用量和铣削路径。