CN109277675B - 基于等离子熔丝增材的高强度ta18钛合金构件制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明为一种基于等离子熔丝增材的高强度TA18钛合金构件制备方法，该方法包括具体步骤如下：确定钛合金构件的成分过渡区域，并依照钛合金构件建立三维CAD实体模型；依据单道沉积层宽度为W，单层厚度为L，搭接率为γ，生成可实施的路径；依照上述路径进行等离子熔丝增材制造，并采用小电流低离子气的等离子束沿垂直于沉积方向快速扫描，按照上述方法，完成所述构件的增材制造，最终切除过渡区域部分，并对构件进行退火处理。本发明采用的方法增材原料来源广、生产效率高，可实现复杂构件直接成形，缩短了复杂构件的制造时间；该方法可实现小批量生产，方便前期零件结构设计试验；该方法得到的TA18钛合金构件内部变形应力较小，抗拉强度高。
Description
技术领域
本发明涉及钛及钛合金构件制备技术领域，具体为一种TA18钛合金构件的增材制造方法。
背景技术
TA18(Ti3Al2.5V)合金是低合金化近α的α+β型钛合金，其不仅具有良好的室温和高温力学性能，而且具有优异的冷、热加工工艺塑性、成型性和焊接性能，可通过热处理实现良好的强度和塑性匹配。因此它以优异的综合性能成为航天航空领域管路系统的首选材料。但是TA18钛合金构件生产难度大，因为变形抗力较大，加工硬化强烈，制备过程极易开裂，成品率低，生产成本高。
增材制造是基于三维数字模型，利用计算机辅助技术实现平层切片、路径规划，并采用相应的数控技术实现金属粉末或丝材堆积制造得到完整实体零件的技术。该技术涵盖技术领域多，应用范围广，被誉为第三次工业革命中数字化制造的重要标志。其中，电弧熔丝增材技术(WAAM)因其生产效率高，能量密度大，气氛保护效果好，广泛应用于金属材料增材制造领域。
目前，TA18钛合金构件制备还是利用铸锭进行挤压、锻造成形。席锦会等人采用一级海绵钛和中间合金铝钒按照设计好的比例配料，经充分混合后压制成块，采用真空熔炼的方法制备出铸锭，通过自由锻造形成棒材，最后使用挤压成形获得管材，其最高拉伸强度为890MPa，延伸率为15％。公开号为CN102304633A的发明专利提供了一种TA18钛合金铸锭的制造方法，该方法才采用了多次真空熔炼方法，减少制备过程中的杂质，但是熔炼过程时间长，工序复杂。公开号为CN102974645A的发明专利提供了一种TA18管材的制备方法，采用多次滚轧处理获得高精度管材，并通过改变润滑油配比的方法实现提高表面光洁度的目的，但多次滚轧，构件内部应力较大，容易开裂变形。上述方法均存在生产成本高，生产周期长，且生产批量大，无法实现小规模样件制备。
目前，TA18钛合金零件主要方式为真空熔炼铸锭，锻造成型，工艺流程复杂，消耗时间较长。同时，采用增材制造制备TA18钛合金构件的方法研究较少，主要是因为对应丝材制备困难。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于等离子熔丝增材的高强度TA18钛合金构件制备方法，用于解决传统TA18钛合金构件制备成本高，制备成形存在大量的变形应力，以及难以实现小批量生产的缺点。
本发明为解决其技术问题所采用的技术方案为：
一种基于等离子熔丝增材的高强度TA18钛合金构件制备方法，该方法包括如下步骤：
1、确定钛合金构件的成分过渡区域，并依照钛合金构件建立三维CAD实体模型，
并沿着该模型成形方向进行切片分层；
2、将上述片层导入计算机中，依据单道沉积层宽度为W，单层厚度为L，搭接率为γ，生成可实施的路径；
3、依照上述路径进行等离子熔丝增材制造，该过程中采用TC4作为增材基板，TC4和TA2作为熔丝材料，同时送丝混合沉积TC4和TA2，完成单层钛合金丝材沉积；
4、依上述步骤完成单层钛合金丝材沉积，采用小电流低离子气的等离子束沿垂直于沉积方向快速扫描；
5、重复步骤(3)(4)的过程，直至沉积完所有片层，完成所述构件的增材制造。
6、切除过渡区域部分，并对构件进行退火处理。
进一步的，由于TC4作为增材基板，沉积前几层成分存在波动，因此钛合金构件需要预设成分过渡区域，厚度为5-10mm，该区域连接基板和增材零件，其形状与零件底面一致。
进一步的，为实现成分控制以及表面成形精度，单道沉积层宽度W范围为3-8mm，单层厚度L取值范围为0.5-2mm，搭接率γ取值范围为0.3-0.6之间。
进一步的，本方法采用TC4作为增材基板，TA2和TC4作为增材原料，TC4基板厚度为10mm-20mm，TC4和TA2丝材直径为0.8mm-1.4mm。
进一步的，所述等离子熔丝增材制造的工艺参数为：等离子熔丝增材系统功率为1000W-3000W，沉积速度为20-40cm/min，送丝速度为0.3-0.7m/min，离子气流量0.6-1.0L/min，保护气流量20L/min，层间温度控制在200-300℃。
进一步的，在单层沉积结束后，采用等离子束扫描表面，采用功率为200-400W，扫描速度为300-600mm/min
进一步的，为减少TA18杂质含量，提高材料塑性，增材过程选择氩气作为保护气和离子气。
进一步的，为减少成分偏析，TA2和TC4丝材与基板距离以及角度均保持一致，TA2和TC4丝材在同一平面，与基板形成角度为30-60°，丝端中心与熔池中心距离为0.2-0.5mm。
本发明相对于现有技术相比具有显著优点如下：
(1)增材原料来源广，均存在成品的TA2和TC4焊丝，不需要特制TA18焊丝；
(2)该方法生产效率高，生产成本低，可实现复杂构件直接成形，缩短了复杂构件的制造时间；
(3)该方法可实现小批量生产，方便前期零件结构设计试验；
(4)该方法得到的TA18钛合金构件内部变形应力较小，抗拉强度高。
附图说明
图1为本发明制备的TA18钛合金构件宏观图片。
图2为本发明制备的TA18钛合金构件横截面局部图片。
图3为本发明制备的TA18钛合金构件的显微组织形貌图。
图4为本发明制备的TA18钛合金构件的断口形貌。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。
基于等离子熔丝增材的高强度TA18钛合金构件制备方法包括如下步骤：
(1)根据实际零件结构设计成分过渡区域，并依照设计好的零件结构建立三维CAD实体模型，并沿着该模型成形方向进行切片分层；
(2)将上述片层导入计算机中，依据单道沉积层宽度为W，单层厚度为L，搭接率为γ，生成可实施的路径；
(3)依照上述路径进行等离子熔丝增材制造，该过程中采用TC4作为增材基板，TC4和TA2作为熔丝材料，同时送丝混合沉积TC4和TA2，完成单层钛合金丝材沉积；
(4)依上述步骤完成单层钛合金丝材沉积，采用小电流低离子气的等离子束沿垂直于沉积方向快速扫描；
(5)重复步骤(3)(4)的过程，直至沉积完所有片层，完成所述构件的增材制造。
(6)切除过渡区域部分，并对构件进行退火处理。
由于TC4作为增材基板，沉积前几层成分存在波动，因此零件三维模型需要预设成分过渡区域，厚度为5-10mm，该区域连接基板和增材零件，其形状与零件底面一致。
为实现成分控制以及表面成形精度，单道沉积层宽度W范围为3-8mm，单层厚度L取值范围为0.5-2mm，搭接率γ取值范围为0.3-0.6之间。
本方法采用TC4作为增材基板，TA2和TC4作为增材原料，TC4基板厚度为10mm-20mm，TC4和TA2丝材直径为0.8mm-1.4mm。
等离子熔丝增材制造的工艺参数为：等离子熔丝增材系统功率为1000W-3000W，沉积速度为20-40cm/min，送丝速度为0.3-0.7m/min，离子气流量0.6-1.0L/min，保护气流量20L/min，层间温度控制在200-300℃。
在单层沉积结束后，采用等离子束扫描表面，采用功率为200-400W，扫描速度为300-600mm/min
为减少TA18杂质含量，提高材料塑性，增材过程选择氩气作为保护气和离子气。
为减少成分偏析，TA2和TC4丝材与基板距离以及角度均保持一致，TA2和TC4丝材在同一平面，与基板形成角度为30-60°，丝端中心与熔池中心距离为0.2-0.5mm。
实施例：
本实施例设计基于等离子熔丝增材的高强度TA18钛合金构件制备方法，以等离子熔丝增材TA18钛合金板材为例，包括以下步骤：
(1)将尺寸为300×300×10mm的TC4基板作为增材制造的基板，用240#和400#砂纸打磨基板表面，用使用丙酮擦拭表面去除表面油污，选用的TC4和TA2焊丝直径为1.2mm。
(2)将TC4基板固定在工作台上，并调整TA2和TC4送丝位置，使送丝前段位于同一平面内，且送丝前端与基板角度为45°，送丝前端与基板距离控制在0.2mm。
(3)设置等离子熔丝增材功率为2000W，聚焦中心位于基板上表面，设置沉积速度为30cm/min，送丝速度设置为为0.4m/min，设置离子气为0.8L/min，保护气为20L/min。
(4)建立三维模型并添加过渡层，并通过切片以及路径规划软件，规划路径并导出为机器语言，输入到等离子熔丝增材设备中的控制柜中。
(5)设置好相关参数后，等离子熔丝连续沉积，完成单层沉积。
(6)设定等离子束功率为400W，扫描速度为400mm/min，进行沉积层表面均匀化处理。
(7)将工作平台高度向下调节，将送丝前端与沉积层距离调整到0.2mm，间隔时间10s，重复步骤(5)和步骤(6)，直至增材构件制造完成。
(8)待增材制造构件待冷却至室温，将过渡层切割下来，进行后续热处理。
采用该实施例的方法，获得了成形良好的TA18钛合金增材构件，层间融合良好，无气孔等缺陷，无氧化现象，其强度达到970MPa。本发明的TA18构件成形效果如图1所示，其横截面如图2所示，图3为的其金相组织，图4为其断口形貌。
从图中可以看到，其主要组织为片层α相和晶间β相，在单层沉积过程中，伴随沉积层中心温度降低，高温β相优先形核并长大。当温度降至β相转变点以下时，由于冷却速度较快，部分区域β相转变为细针状马氏体组织α’，并且α’相与β相保持布拉特位相关系，惯习面为(334)β或(344)β。当温度进一步下降时，α相在β相晶界处沿着不同的惯习面形核并长大。最终，α相晶粒粗化，原始的β相晶界被破坏并最终形成魏氏组织。由于冷却速度差异，片层α相长大时间不同，α相晶粒尺寸存在差异，导致存在不同的片层间距。α相是密排六方结构，只有3个滑移系，β相是体心立方结构，包含12个滑移系，因此β相塑性变形能力优于α相。相关文献表明，在拉伸试验过程中，裂纹首先是在α相中萌生，由于α相是脆性相，且滑移系少，发生了脆性断裂；在α相晶粒间的β相组织硬度较高，裂纹无法穿过层间β相，当晶粒取向差较低时，位错能够滑移到相邻的晶粒中，从而使得裂纹延伸路径发生路径延长，消耗能量增加，从而提高了构件强度。竖直方向界面交界位置存在取向接近的α集束组织，有利于裂纹偏转，从而提高了竖直方向塑性。
Claims (8)
1.一种基于等离子熔丝增材的高强度TA18钛合金构件制备方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
（1）确定钛合金构件的成分过渡区域，并依照钛合金构件建立三维CAD实体模型，并沿着该模型成形方向进行切片分层，得到片层；
（2）将上述片层导入计算机中，依据单道沉积层宽度为W，单层厚度为L，搭接率为γ，生成可实施的路径；
（3）依照上述路径进行等离子熔丝增材制造，等离子熔丝增材制造过程中采用TC4作为增材基板，TC4和TA2作为熔丝材料，同时送丝混合沉积TC4和TA2，完成单层钛合金丝材沉积；
（4）依上述步骤（3）完成单层钛合金丝材沉积，采用小电流低离子气的等离子束沿垂直于沉积方向快速扫描；
（5）重复步骤（3）（4）的过程，直至沉积完所有片层，完成所述钛合金构件的增材制造；
（6）切除成分过渡区域部分，并对钛合金构件进行退火处理。
2.根据权利要求1所述的基于等离子熔丝增材的高强度TA18钛合金构件制备方法，其特征在于：所述的成分过渡区域，厚度为5-10mm，该成分过渡区域连接增材基板和钛合金构件，其形状与钛合金构件底面一致。
3.根据权利要求1所述的基于等离子熔丝增材的高强度TA18钛合金构件制备方法，其特征在于：为实现成分控制以及表面成形精度，单道沉积层宽度W范围为3-8mm，单层厚度L取值范围为0.5-2mm，搭接率γ取值范围为0.3-0.6。
4.根据权利要求1所述的基于等离子熔丝增材的高强度TA18钛合金构件制备方法，其特征在于：TC4基板厚度为10mm-20mm，TC4和TA2丝材直径为0.8mm-1.4mm。
5.根据权利要求1所述的基于等离子熔丝增材的高强度TA18钛合金构件制备方法，其特征在于：所述等离子熔丝增材制造的工艺参数为：等离子熔丝增材系统功率为1000W-3000W，沉积速度为20-40cm/min，送丝速度为0.3-0.7m/min，离子气流量0.6-1.0L/min，保护气流量20L/min，层间温度控制在200-300℃。
6.根据权利要求1所述的基于等离子熔丝增材的高强度TA18钛合金构件制备方法，其特征在于：在单层钛合金丝材沉积结束后，采用小电流低离子气的等离子束扫描表面，所述等离子束功率为200-400W，扫描速度为300-600mm/min。
7.根据权利要求1所述的基于等离子熔丝增材的高强度TA18钛合金构件制备方法，其特征在于：等离子熔丝增材制造过程选择氩气作为保护气和离子气。
8.根据权利要求1所述的基于等离子熔丝增材的高强度TA18钛合金构件制备方法，其特征在于：送丝过程中，TA2和TC4丝材与增材基板距离以及角度均保持一致，TA2和TC4丝材在同一平面，与增材基板形成角度为30-60°，丝端中心与熔池中心距离为0.2-0.5mm。
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