CN109128171A - 一种细化增材制造钛合金晶粒的装置 - Google Patents

Abstract

一种细化增材制造钛合金晶粒的装置，属于增材制造技术领域。该装置包括气氛保护箱、增材制造系统、外力体积形变系统、气体供应系统和控制系统；气氛保护箱为密闭箱体，箱体一侧设置有混合气体进口，其相对一侧设置有出气口，在混合气体进口处连接有气体供应系统，用于向气氛保护箱提供气体；所述的气氛保护箱的箱体内设置有增材制造系统的工作部分和外力体积形变系统的工作部分。该装置还包括氢气浓度监测设备、氢气浓度报警设备、气压传感器、温度调节板、移动平台和红外线相机；上述设备均设置在气氛保护箱内。采用该装置进行增材制造钛合金晶粒的细化过程，具有细化晶粒、效率高、方便实现的特点。

Description

一种细化增材制造钛合金晶粒的装置

技术领域

本发明涉及3D打印，具体的，涉及一种细化增材制造钛合金晶粒的装置，属于增材制造技术领域。

背景技术

激光增材制造技术发展于上世纪80年代，将激光增材制造技术与快速成型技术的快速成型原理结合起来，形成一种新型快速制造技术。首先在计算机中通过三维CAD软件形成零件的实体模型，然后再按照一定的厚度将CAD建立的模型进行分层，然后将三维实体模型转换为二维轮廓模型，随后在机床或机器人的控制下用同步送粉激光沉积等方法对金属材料在一定的路径进行逐点填充给定的形状，直到形成建模的三维实体形状。

从凝固学原理可知，激光增材制造过程是一个快速冷却的非平衡过程。当熔池凝固时，初始形成的沉积层为马氏体。由于激光增材制造为逐渐堆积的过程可以明显地观察到沿沉积高度方向的柱状晶和平行于激光扫描方向的沉积层间带。在熔池凝固的过程中，熔池中绝大部分热量以热传导的方式通过基体15沿垂直向下的方向流失，熔池上熔体将在熔池底部同质材料上逆着热流方向增长产生粗大的柱状晶组织，不利于金属的各向同性的力学性能，为了得到不同的组织，常通过物理方法去调节合金内部组织，以下为常用方法：

1.超声波振动法，超声波发生器发出超声波驱动超声波换能器，工作台将超声波导入高温的熔池中进而使整个沉积制造过程受到超声波持续作用，从而影响固-液界面胞状晶的生长从一定程度上控制柱状晶的形成、长大，改变胞状晶的形貌使胞状晶按照不同方向生长以达到等轴晶的形成条件，使激光沉积制造钛合金的性能体现出各向异性。

这种方法由于超声波设备功率的限制，沉积金属凝固的过程中，由于熔体金属的流动性不强，且快速凝固，超声波并不能在熔融金属内部产生空化现象，并不能产生足够的形核质点，另一方面由于超声波从工作台向上传导，因此沉积层不同高度上受到超声波的能力不同，控制柱状晶的能力有限。

2.电磁搅拌法，类似超声波振动法，均是通过外力搅拌熔池的作用抑制柱状晶的成型和长大，弊端同超声波振动法，由于熔融金属的流动性不强，且快速凝固，因此对组织性能的改善能力有限。

3.热处理法，这是处理钛合金的常见方法，但是，在激光增材制造时，尤其是制造大而厚零件的过程中，由于制造过程存在极高的能量密度，零件内部产生极强的内应力以至于在零件表面产生裂纹使零件失效，这是在热处理之前需要解决的问题，去应力退火可能使得零件开裂直接失效，因此在制造大型零件时，热处理改变组织性能的方法并不适用。

4.外力形变法，这是最近几年提出的，在增材零件制造的过程中对增材表面施加外力使得成型层形变，减小内应力的同时，破坏生长的柱状晶，进而细化组织达到调控组织性能的效果。但是由于钛合金的屈服强度极高，外力形变常常借助重压和高冲击以使得成型层变形，因此外力形变系统通常非常巨大，例如公开号为CN104313600A的中国发明专利公开了一种利用锻压机对成型表面施加外力产生变形的方法，锻压设备巨大，对整个加工环境的密封性要求较高，并且使用大型锻压机降低了生产效率，提高生产成本。

如何减小激光增材制造钛合金零件的应力以及如何调控激光增材制造钛合金微观组织性能，是激光增材制造领域绕不开难题。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种细化增材制造钛合金晶粒的装置。采用该装置进行增材制造钛合金晶粒的细化过程，相比于现有技术，具有进一步细化晶粒、效率高、方便实现的特点。本发明利用了是钛合金吸氢的特点，通过控制吸氢过程和施加外力，优化了钛合金组织性能，给增材制造钛合金提供了新的思路方法。

本发明的一种细化增材制造钛合金晶粒的装置，包括气氛保护箱、增材制造系统、外力体积形变系统、气体供应系统和控制系统；

所述的气氛保护箱为密闭箱体，箱体一侧设置有混合气体进口，其相对一侧设置有出气口，在混合气体进口处连接有气体供应系统；

所述的气体供应系统用于向气氛保护箱提供气体；

所述的气氛保护箱的箱体内设置有增材制造系统的工作部分和外力体积形变系统的工作部分，所述的气氛保护箱、增材制造系统、外力体积形变系统、气体供应系统均和控制系统相连接。

所述的细化增材制造钛合金晶粒的装置，还包括氢气浓度监测设备、氢气浓度报警设备、气压传感器、温度调节板、移动平台和红外线相机；

其中，所述的氢气浓度监测设备、氢气浓度报警设备和气压传感器均设置在气氛保护箱箱体内壁上；

所述的移动平台设置在气氛保护箱箱体内，在移动平台上方设置有温度调节板，温度调节板上方用于放置基体，所述的温度调节板用于调节基体温度；所述的红外线相机设置在气氛保护箱箱体内，红外线相机的机头对准基体，所述的氢气浓度监测设备、氢气浓度报警设备、气压传感器、温度调节板、移动平台和红外线相机均设置在气氛保护箱箱体内。

所述的氢气浓度报警设备用于检测气氛保护箱中的氢气浓度，防止氢气浓度达到爆燃点。

所述的温度调节板兼顾升温和降温的功能。

所述的气体供应系统包括氢气瓶、氮气瓶和控制气体流量的阀门，所述的氢气瓶和氮气瓶均通过控制气体流量的阀门连接气氛保护箱的混合气体进口。

作为优选，所述的增材制造系统为激光增材制造系统、电子束增材制造系统或电弧增材制造系统中的一种。

作为优选，所述的混合气体进口设置在气氛保护箱的箱体上部。

作为优选，所述的出气口设置在气氛保护箱的箱体下部，其有利于排尽气氛保护箱内空气，因为空气密度比氢气密度大，会沉积在气氛保护箱箱体下部。

作为优选，所述的外力体积形变系统，其作用于沉积层的接触面积为≤2cm²；所述的外力体积形变系统提供快速往复的锤击外力；所述的外力体积形变系统对沉积层表面的最大瞬时压强≥钛合金的屈服强度。

所述的外力体积形变系统的工作过程中，不与增材制造系统发生干涉。

作为优选，所述的控制系统用于控制增材制造系统的工作参数；

所述的控制系统还用于控制外力体积形变系统对基材提供外力的大小和位置；

所述的控制系统还用于收集气氛保护箱内红外线相机得到的加工工件的温度数据；

所述的控制系统还用于收集并反馈气氛保护箱箱体外侧设置的氢气浓度监测设备监测的氢气浓度情况，并将监测数据反馈到控制系统，通过控制系统控制气体供应系统；

所述的控制系统还用于控制气体供应系统中氢气瓶的阀门开闭情况，从而调节钛合金的吸氢情况。

本发明的一种细化增材制造钛合金晶粒的装置的使用方法为：

将待加工基体置于温度调节板上，用气体供应系统调节气氛保护箱中氢气气氛，调节待加工基体下方的温度调节板，采用增材制造系统对待加工基体进行连续沉积，当沉积若干层后，采用外力体积形变系统对沉积层施加压力，排出沉积层中钛合金的氢元素，从而细化增材制造钛合金晶粒。

优选的，本发明的一种细化增材制造钛合金晶粒的装置，其在细化增材制造钛合金晶粒过程中，吸氢反应中，吸氢时间的参考方程为：

-ln(1-c)＝kt

其中：k为反应速率常数，c为反应分数，t为反应时间。

由于钛合金吸氢反应速度影响到沉积层吸氢厚度，根据不同压力对应的反应分数，根据所述的参考方程可对计算出不同压强环境下，钛合金吸氢到平衡状态所需的时间，其中，反应分数c可预先根据不同的压强和温度值计算测量得到。

即通过该参考方程，计算出反应所需时间，通过对氢气关阀门的开闭进行控制，进而间接对吸氢时间进行控制。

本发明一种细化增材制造钛合金晶粒的装置，具有如下优点：

1.创造性地将钛合金在工程应用中容易出现的“氢脆”缺陷转化为增材制造过程中细化组织性能的优点，为增材制造的更广泛应用拓宽思路。

2.本系统引入钛合金吸氢原理，降低了增材制造过程中零件的内部应力，减少了零件开裂的可能性。

3.本系统引入钛合金吸氢原理，增材制造过程中增加形核质点，阻止和影响柱状晶的生长，并且使用外力形变的方法同样增加形核质点，进而大大细化了钛合金在增材制造过程中的晶粒，使得增材制造的零件力学性能趋于各向同性。

附图说明

图1为本发明的一种细化增材制造钛合金晶粒的装置的结构示意图。

图中，1、控制系统；2、气氛保护箱；3、混合气体进口；4、阀门；5、氢气浓度监测设备；6、气压传感器；7、氢气瓶；8、氮气瓶；9、外力体积形变系统；10、激光增材制造系统；11、温度调节板；12、移动平台；13、出气口；14、红外线相机；15、基体；16、氢气浓度报警设备。

具体实施方式

为了使本发明的技术目的、技术方案和有益效果更加清楚，下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案作出进一步的说明，下述实施例不应解释为对本发明的限制，本领域技术人员无需创造性劳动即可将实施例中的技术特征组合形成新的实施例，且这些新的实施例同样涵盖在本发明的保护范围之内。

实施例1

一种细化增材制造钛合金晶粒的装置，其结构示意图见图1，该装置包括气氛保护箱2、激光增材制造系统10、外力体积形变系统9、气体供应系统和控制系统1；

所述的气氛保护箱2为密闭箱体，箱体一侧设置有混合气体进口3，其相对一侧设置有出气口13，在混合气体进口3处连接有气体供应系统；

所述的气体供应系统用于向气氛保护箱提供气体；

所述的气氛保护箱2的箱体内设置有激光增材制造系统10的工作部分和外力体积形变系统9的工作部分，所述的气氛保护箱2、激光增材制造系统10、外力体积形变系统9、气体供应系统均和控制系统1相连接。

所述的混合气体进口3设置在气氛保护箱2的箱体上部。所述的出气口13设置在气氛保护箱2的箱体下部，其有利于排尽气氛保护箱内空气，因为空气密度比氢气密度大，会沉积在气氛保护箱2箱体下部。

所述的细化增材制造钛合金晶粒的装置，还包括氢气浓度监测设备5、氢气浓度报警设备16、气压传感器6、温度调节板11、移动平台12和红外线相机14；

其中，所述的氢气浓度监测设备5、氢气浓度报警设备16和气压传感器6均设置在气氛保护箱2箱体内壁上；

所述的移动平台12设置在气氛保护箱2箱体内的下部，在移动平台12上方设置有温度调节板11，温度调节板11上方用于放置基体15，所述的温度调节板11用于调节基体15温度；所述的红外线相机14设置在气氛保护箱2箱体内的上部，红外线相机14的机头对准基体15，所述的氢气浓度监测设备5、氢气浓度报警设备16、气压传感器6、温度调节板11、移动平台12和红外线相机14均设置在气氛保护箱2箱体内。

所述的氢气浓度报警设备16用于检测气氛保护箱中的氢气浓度，防止氢气浓度达到爆燃点。

所述的温度调节板11兼顾升温和降温的功能。

所述的气体供应系统包括氢气瓶7、氮气瓶8和控制气体流量的阀门4，所述的氢气瓶7和氮气瓶8均通过控制气体流量的阀门4连接气氛保护箱2的混合气体进口3。

所述的外力体积形变系统9，其作用于沉积层的接触面积为≤2cm²；所述的外力体积形变系统9提供快速往复的锤击外力；所述的外力体积形变系统9对沉积层表面的最大瞬时压强≥钛合金的屈服强度。

所述的外力体积形变系统9的工作过程中，不与激光增材制造系统10发生干涉。

所述的控制系统1用于控制激光增材制造系统10的工作参数；

所述的控制系统1还用于控制外力体积形变系统9对基材提供外力的大小和位置；

所述的控制系统1还用于收集气氛保护箱2内红外线相机14得到的加工工件的温度数据；

所述的控制系统1还用于收集并反馈气氛保护箱2箱体外侧设置的氢气浓度监测设备5监测的氢气浓度情况，并将监测数据反馈到控制系统，通过控制系统控制气体供应系统；

所述的控制系统1还用于控制气体供应系统中氢气瓶7的阀门4开闭情况，从而调节钛合金的吸氢情况。

一种细化增材制造钛合金晶粒的装置的使用方法为：

将待加工基体15置于温度调节板11上，用气体供应系统调节气氛保护箱2中氢气气氛，调节待加工基体下方的温度调节板11，采用激光增材制造系统10对待加工基体15进行连续沉积，当沉积若干层后，采用外力体积形变系统9对沉积层施加压力，排出沉积层中钛合金的氢元素，从而细化增材制造钛合金晶粒。

实施例2

一种细化增材制造钛合金晶粒的装置，包括气氛保护箱2、激光增材制造系统10、外力体积形变系统9、气体供应系统和控制系统1；

更具体包括：控制系统1、气氛保护箱2、混合气体进口3、阀门4、氢气浓度监测设备5、气压传感器6、氢气瓶7、氮气瓶8、外力体积形变系统9、激光增材制造系统10、温度调节板11、移动平台12、出气口13、红外线相机14和氢气浓度报警设备16，所述激光增材制造系统10的工作部分和外力体积形变系统9的工作部分安装在气氛保护箱2内，所述气氛保护箱2内壁上安装有高精度氢气浓度监测设备5，同时安装氢气浓度报警设备16，防止氢气浓度达到爆燃点，爆燃点为：空气中，所含氢气占混合气体的体积百分数为4.0％—74.2％时，点燃会发生爆炸。

一种细化增材制造钛合金晶粒的装置，其使用方法为：

S1：将基体15放入气密且耐正负压的气氛保护箱2中温度调节板11上；

S2：所述气氛保护箱2密封后，通入纯氢气和纯氩气(体积分数在99.999％以上)，尽量排出气氛保护箱2内空气避免加工过程中沉积层表面发生氧化影响钛合金吸氢，气氛保护箱2内也含有氢气浓度监测设备5，并且该设备实时将氢气浓度数据反馈到控制系统1，控制系统1可调节氢气瓶7上阀门4开闭情况从而影响钛合金的吸氢情况；

S3：根据钛合金吸氢的热力学条件，在基体15下面设置温度调节板11，温度调节板11放置在三维移动平台12上，三维移动平台12在气氛保护箱2内，所述温度调节板11兼顾降温和升温功能，气氛保护箱2设置红外线相机14实时反馈加工工件的温度至控制系统1，进而通过控制系统1控制激光增材制造参数或者温度调节板11的温度，将温度调节到吸氢的合适温度利于钛合金吸氢；

S4：激光增材制造系统10用于钛合金零件的制造，所述钛合金零件的制造按照“分层”思想逐层制造，激光增材制造系统10和外力体积形变系统9均由所述控制系统1控制，每制造若干层沉积层，外力体积形变系统9介入，控制所述外力体积形变系统9的工作部分锤击沉积层表面，通过控制锤击的速度和锤击遍数进而得到指定的压缩厚度或压缩比；为保持气氛保护箱2的整体性，所述激光增材制造系统10和外力体积形变系统9的工作部分均固定在气氛保护箱体上，一体性的气氛保护箱2气密性更加好，耐压性能更好，基体15和温度调节板11放置在能够三维精准移动的平台上并随着平台移动。

采用本装置进行细化增材制造钛合金晶粒，主要从以下三个方面进行：

第一个方面：未吸氢的单层沉积态的钛合金厚度为5mm-8mm，单层沉积态钛合金吸氢使得单层沉积态钛合金厚度增厚20％，沉积态钛合金吸氢时，氢与钛合金中在高温下合成钛的氢化物，氢化物在钛基体中渗透扩散，组织性能上，一方面阻止粗大的β柱状晶在合金冷却时形成，另一方面产生形核质点，使得沉积的第二层沉积态钛合金β柱状晶无法继续沿着第一层的β柱状晶继续生长，从而起到细化晶粒的作用，从力学性能上，沉积态钛合金吸氢使得沉积态钛合金的屈服强度、硬度、内应力减小，方便外力体积形变系统9对成型层施加压力，有利于减小外力体积形变系统的体积。在外力体积形变系统9创造的压力环境中氢会从钛合金中析出，并且会使得排氢过后的沉积态钛合金体积压缩到吸氢过后高度的30％-40％，以尽量排出沉积态钛合金内部的氢元素，在外力体积形变系统9工作过程中，调节温度调节板11的温度至不利于钛合金吸氢，阻止钛合金继续吸氢；

第二个方面，激光增材制造系统10在沉积第若干层钛合金时，高温会对上一层沉积层重熔，高温也可使得上一层含氢元素的沉积层析出氢元素；

第三个方面，改变气氛保护箱2内部压力进一步促进氢元素从钛合金内部析出；

以上三方面均是为了更好地使钛合金内部的氢元素析出，减少钛合金内的杂质避免影响成型零件的整体性能。

激光增材制造系统10在沉积第若干层时，早先沉积的沉积态钛合金快速冷却，冷却过程中沉积态钛合金再次吸氢，吸氢后的沉积态钛合金再经过外力变形以排出沉积态钛合金的氢，外力变形之后随即沉积第二个若干层沉积层，采用这样的方式周而复始地沉积出每个若干层沉积层，直至制造出所预定的沉积形态。

一种细化激光增材制造钛合金晶粒的装置，具体实施方式如下：

S1:将钛合金基体15放置在细化激光增材制造钛合金晶粒的装置中；

S2:排出气氛保护箱2内的空气，并控制气氛保护箱2内氢气浓度和环境压力；

氢气浓度和环境压力，

S3:通过控制温度调节板的温度，从而控制钛合金基体15温度，至适合钛合金吸氢温度；

所述的适合钛合金吸氢温度根据钛合金的热力学得到。

S4:激光增材制造系统10连续沉积若干层；

S5：外力形变系统介入，对沉积层改变至固定压缩比，并且在外力体积形变系统9工作过程中，控制钛合金基体15温度至不利于钛合金吸氢，阻止钛合金继续吸氢；

S6:重复S3，直至制造出所预定的沉积形态。

外力体积形变系统9能够使小范围(接触面积不大于2cm²)沉积层体积发生形变，并且所述外力体积形变系统9的工作部分不能与激光增材制造系统10发生干涉，所述外力体积形变系统9能够快速往复对已吸氢的沉积层进行锤击，所述外力体积形变系统9对沉积层表面的最大瞬时压强不小于钛合金的屈服强度。

出气口13设置在气氛保护箱2下部，这样有利于密度大的空气排出，利于保护箱排尽空气。

假设吸氢速度与吸氢反应平衡状态压力偏离程度成比例，引入反应分数c，P1为初始压强，Pe为反应平衡时的压力，P为气氛保护箱内环境压力，环境压力随吸氢反应的进行时刻变化，则：

吸氢速度可用压力变化表示，t为反应时间，即：

k为反应速率常数，则吸氢反应可总结方程为：

-ln(1-c)＝kt

吸氢反应参考上述总结方程调节控制系统1，方便控制系统1对沉积层吸氢情况的控制。具体的为：方便控制系统1对吸氢时间、气氛保护箱内的压强的调节，进而对沉积层的吸氢情况进行间接控制。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些发明进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限。

Claims (10)

1.一种细化增材制造钛合金晶粒的装置，其特征在于，所述的细化增材制造钛合金晶粒的装置包括气氛保护箱、增材制造系统、外力体积形变系统、气体供应系统和控制系统；

所述的气氛保护箱为密闭箱体，箱体一侧设置有混合气体进口，其相对一侧设置有出气口，在混合气体进口处连接有气体供应系统；

所述的气体供应系统用于向气氛保护箱提供气体；

所述的气氛保护箱的箱体内设置有增材制造系统的工作部分和外力体积形变系统的工作部分，所述的气氛保护箱、增材制造系统、外力体积形变系统、气体供应系统均和控制系统相连接。

2.如权利要求1所述的细化增材制造钛合金晶粒的装置，其特征在于，所述的细化增材制造钛合金晶粒的装置，还包括氢气浓度监测设备、氢气浓度报警设备、气压传感器、温度调节板、移动平台和红外线相机；

其中，所述的氢气浓度监测设备、氢气浓度报警设备和气压传感器均设置在气氛保护箱箱体内壁上；

所述的移动平台设置在气氛保护箱箱体内，在移动平台上方设置有温度调节板，温度调节板上方用于放置基体，所述的温度调节板用于调节基体温度；所述的红外线相机设置在气氛保护箱箱体内，红外线相机的机头对准基体，所述的氢气浓度监测设备、氢气浓度报警设备、气压传感器、温度调节板、移动平台和红外线相机均设置在气氛保护箱箱体内。

3.如权利要求2所述的细化增材制造钛合金晶粒的装置，其特征在于，所述的氢气浓度报警设备用于检测气氛保护箱中的氢气浓度，防止氢气浓度达到爆燃点。

4.如权利要求2所述的细化增材制造钛合金晶粒的装置，其特征在于，所述的温度调节板兼顾升温和降温的功能。

5.如权利要求1或2所述的细化增材制造钛合金晶粒的装置，其特征在于，所述的增材制造系统为激光增材制造系统、电子束增材制造系统或电弧增材制造系统中的一种。

6.如权利要求1或2所述的细化增材制造钛合金晶粒的装置，其特征在于，所述的混合气体进口设置在气氛保护箱的箱体上部；所述的出气口设置在气氛保护箱的箱体下部。

7.如权利要求1或2所述的细化增材制造钛合金晶粒的装置，其特征在于，所述的气体供应系统包括氢气瓶、氮气瓶和控制气体流量的阀门，所述的氢气瓶和氮气瓶均通过控制气体流量的阀门连接气氛保护箱的混合气体进口。

8.如权利要求1或2所述的细化增材制造钛合金晶粒的装置，其特征在于，所述的外力体积形变系统，其作用于沉积层的接触面积为≤2cm²；所述的外力体积形变系统提供快速往复的锤击外力；所述的外力体积形变系统对沉积层表面的最大瞬时压强≥钛合金的屈服强度。

9.如权利要求1或2所述的细化增材制造钛合金晶粒的装置，其特征在于，所述的控制系统用于控制增材制造系统的工作参数；

所述的控制系统还用于控制外力体积形变系统对基材提供外力的大小和位置；

所述的控制系统还用于收集气氛保护箱内红外线相机得到的加工工件的温度数据；

所述的控制系统还用于收集并反馈气氛保护箱箱体外侧设置的氢气浓度监测设备监测的氢气浓度情况，并将监测数据反馈到控制系统，通过控制系统控制气体供应系统；

所述的控制系统还用于控制气体供应系统中氢气瓶的阀门开闭情况，从而调节钛合金的吸氢情况。

10.如权利要求1或2所述的细化增材制造钛合金晶粒的装置，其特征在于，采用细化增材制造钛合金晶粒的装置进行细化增材制造钛合金晶粒过程中，吸氢反应中，吸氢时间的参考方程为：

-ln(1-c)＝kt

其中：k为反应速率常数，c为反应分数，t为反应时间。