CN109622959A - 合金结构件的制造设备及钛合金结构件的制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及合金结构件的制造设备及钛合金结构件的制造方法。该设备包括设在真空室内的一体化打印头，所述一体化打印头包括送丝机构、送丝头、锻造单元和加热单元，所述送丝机构用于将合金材质的金属丝材输送到送丝头，所述送丝头按照成形轨迹将金属丝材逐层铺覆成金属预制坯，所述加热单元设在所述送丝头的丝材出口端，用于加热金属丝材和金属预制坯，所述锻造单元设在所述送丝头的外周，在逐层铺覆金属丝材过程中，所述锻造单元用于对加热的金属丝材施压进行锻造，使输送出的金属丝材逐层超塑成形成相应的金属预制坯。

Description

合金结构件的制造设备及钛合金结构件的制造方法

技术领域

本发明涉及金属增材制造技术领域，特别是涉及一种合金结构件的制造设备及钛合金结构件的制造方法。

背景技术

常用的金属增材制造方法主要有采用激光、电子束等热源，以粉末、丝材等为原材料，通过送丝、送粉或铺粉的方法来成形钛合金等金属零件，例如选区激光熔化(SLM)、电子束选区熔化(SES)、电子束烧结成型原理(EBF)等，为了实现钛合金的熔化，除了可以采用激光、电子束等方法熔化金属，还可以采用真空电弧自耗熔炼、电渣重熔、电子束熔炼、等离子熔炼、真空感应熔炼等方法，因此这些方法也可以用于金属的增材制造。

但是，以电子束系统和激光系统为基础的增材制造技术的成本高昂，设备很大，并且，成形效率不高。而以金属熔覆为基础的增材制造方法，金属熔化后沉积形成的单一铸态组织，不能根据不同的需求获得不同的组织状态，因而不能满足航空、航天等高端装备制造技术领域中对性能的多种需求。

目前，大多数金属3D打印工艺，如选区激光熔化(SLM)，使用的是细金属粉末，这导致了一些局限性，如3D打印部件存在间隙或缺陷。直接金属书写方法是使用一种半固体金属，而不是粉末，研究表明，该方法减少了放入3D打印部件中的氧化物和残留应力，可以克服基于粉末的金属3D打印技术的局限性。但是，直接金属书写方法目前使用的主要材料是一种铋锡混合物，对于铝合金、钛合金等材料则很难实现。直接金属书写方法还不能用于制造飞机框体、起落架和发动机的转子等关键部件。

因此，发明人提供了一种合金结构件的制造设备及钛合金结构件的制造方法。

发明内容

本发明实施例提供了一种合金结构件的制造设备及钛合金结构件的制造方法。基于塑性变形的增材制造方法，以金属丝材为原材料，在逐层铺覆成预制坯的过程中，通过加热单元对金属丝材和预制坯进行加热，然后进行锻造变形和连接，制造出合金结构件。解决了现有技术制造钛合金结构件效率低、性能差、成本高等问题。

第一方面，本发明的实施例提出了一种合金结构件的制造设备，该设备包括设在真空室内的一体化打印头，所述一体化打印头包括送丝机构、送丝头、锻造单元和加热单元，所述送丝机构用于将合金材质的金属丝材输送到送丝头，所述送丝头按照成形轨迹将金属丝材逐层铺覆成金属预制坯，所述加热单元设在所述送丝头的丝材出口端，用于加热金属丝材和金属预制坯，所述锻造单元设在所述送丝头的外周，在逐层铺覆金属丝材过程中，所述锻造单元用于对加热的金属丝材施压进行锻造，使输送出的金属丝材逐层超塑成形成相应的金属预制坯。

进一步地，所述锻造单元包括在动力传递方向上设置的振动发生器和锻造头，所述锻造头为套设在所述送丝头外周的筒状结构，在所述振动发生器的驱动作用下，所述锻造头相对于所述送丝头在轴向方向往复运动。

进一步地，所述锻造头包括驱动端和锻造端，所述锻造端的外径大于所述驱动端的外径，所述驱动端连接所述振动发生器，所述锻造端设在所述送丝头的出口端外周，用于锻造从送丝头送出的金属丝材。

进一步地，所述加热单元包括设在所述送丝头内的加热电极，所述加热电极和所述金属预制坯之间通直流电流，所述加热电极和所述金属预制坯之间通直流电流，实现对金属丝和预制坯的加热。

进一步地，所述加热单元包括第一加热段和第二加热段组成的感应加热器，所述第一加热段设在所述送丝头的出口端靠内部位，用于加热所述送丝头送出的金属丝材，所述第二加热段设在所述送丝头的出口端靠外部位，用于加热所述送丝头外部的金属预制坯。

进一步地，所述感应加热器包括温控传感器和制热元件，所述温控传感器用于感应加热温度并调节所述制热元件的加热温度。

进一步地，所述制热元件采用感应加热或电阻加热。

进一步地，所述送丝机构包括设在所述送丝头内的两列送丝辊，所述送丝辊转动时带动金属丝材通过两列送丝辊之间的丝束通道输送至所述送丝头外部。

第二方面，本发明提出了一种钛合金结构件的制造方法，采用第一方面的钛合金结构件的制造设备，该制造方法包括：

将钛合金材质的金属丝束的一端缠绕在送丝轮盘上，另一端穿过送丝机构到送丝头的出口；

基于钛合金结构件的成形数模，设定出逐层铺覆的轨迹程序和操作工艺参数；

一体化打印头的送丝头按照轨迹程序和操作工艺参数，将钛合金丝材逐层铺覆成钛合金预制坯过程中，通过加热单元对钛合金丝材和成形的钛合金预制坯加热，通过锻造单元对加热的钛合金丝材施压进行锻造，使输送出的钛合金丝材逐层超塑成形成相应的钛合金预制坯。

综上，本发明提出合金结构件的制造设备及钛合金结构件的制备方法，基于超塑性锻造原理，将挤压/锻造集成为一体化打印头，使合金材料处于超塑性状态下进行成形。其有益效果体现在以下几个方面：

1、在材料处于超塑性状态下进行成形，挤压成形和锻造成形可以很好地改善金属组织状态，细化晶粒，降低残余应力，控制宏观变形，在超塑性状态下成形时，温度远低于熔覆温度，组织更容易控制。

2、在超塑性打印成形中，主体是挤压/锻造集成的一体化打印头，具有非常好的刚性，茁壮性比较好。挤压和锻造的轴线是同一个轴线，属于并联方式，可以同步进行加工，其行走轨迹可以沿着任何路径行走，具有极大的自由度。

3、在超塑性打印成形中，不存在熔覆区和重熔区，只需要通过锻造的方式实现层间连接即可。并且塑性锻造在真空或氩气保护环境下，不存在氧化层，层间连接效果更好。采用分段式感应加热丝材及丝材下面的预制坯，从而实现预制坯与铺覆丝材的良好连接，具有较高的连接质量和力学性能。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是基于微铸锻的增材制造技术的示意图。

图2是本发明一种实施例的合金结构件的制造设备原理示意图。

图3是本发明另一种实施例的合金结构件的制造设备原理示意图。

图中：

1-真空室；2-移动平台；3-振动发生器；4-送丝机构；5-金属丝材；

6-锻造头；7-送丝头；8-感应加热器；9-送丝轮盘；10-金属预制坯；11-直流加热电极。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例的详细描述和附图用于示例性地说明本发明的原理，但不能用来限制本发明的范围，即本发明不限于所描述的实施例，在不脱离本发明的精神的前提下覆盖了等同修改、替换和改进。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参照附图并结合实施例来详细说明本申请。

基于熔覆的增材制造技术制造的零件具有铸态组织，为了进一步提高其力学行为，将锻造等热机械加工工艺引入到增材制造工艺中，如图1所示的基于微铸锻的增材制造技术，这样就可以制造出具有热机械加工组织的零件。但是，金属熔覆为基础的增材制造方法，金属熔化后沉积形成的单一铸态组织，不能根据不同的需求获得不同的组织状态，不能满足对性能的多种需求，还不能用于制造飞机框体、起落架和发动机的转子等关键部件。并且，图1的微铸锻增材制造中，高能束枪与锻造加工头设置为一前一后，只能沿着锻造头指向高能束枪的方向行走，而不能沿着相反方向行走，这是由于高能束枪和锻造加工头在位置布置上，其各自的加工轴线是串联式，存在加工的先后顺序。

微铸锻增材制造成形过程中，在熔覆每层时，存在一个重熔区，如果要获得具有锻造组织的增材制造结构，需要锻造加工区域的厚度大于下一层层熔覆区和重熔区的厚度和。并且，高能束枪的角度需要设定在一定范围内，对高能束焊枪头部的刚度有一定要求，刚度不足容易造成在大的锻造力作用下，会发生颤动，导致熔池和熔覆质量不稳定。

针对现有技术存在的问题，本发明第一方面的的实施例提出了一种合金结构件的制造设备。参见图2，该制备至少包括了设在真空室1内的一体化打印头，该一体化打印头包括送丝机构4、送丝头7、锻造单元(包括振动发生器3和锻造头6)和加热单元(包括感应加热器8或直流加热电极11)，所述送丝机构4用于将金属丝材5输送到送丝头7，所述送丝头7按照成形轨迹将金属丝材5逐层铺覆成金属预制坯10，所述加热单元设在送丝头7的丝材出口端，用于加热金属丝材5和金属预制坯10，所述锻造单元设在送丝头7的外周，在逐层铺覆金属丝材过程中，所述锻造单元用于对加热的金属丝材5施压进行锻造，使输送出的金属丝材5逐层超塑成形成相应的金属预制坯10。

作为一种优选实施例，该设备还包括设在真空室1内的移动平台2和送丝轮盘9，所述送丝头7和所述送丝轮盘9均安装在该移动平台2的下部，并能随移动平台2移动，所述送丝轮盘9用于将缠绕在其上的金属丝材5送至送丝机构4，然后通过送丝头7进行逐层铺覆。

具体地，锻造单元包括在动力传递方向上设置的振动发生器3和锻造头6，所述锻造头6为套设在送丝头7外周的筒状结构，在振动发生器3的驱动作用下，所述锻造头6相对于送丝头7在轴向方向往复运动。

进一步地，锻造头6包括驱动端和锻造端，锻造端的外径大于驱动端的外径，驱动端连接振动发生器3，锻造端设在送丝头7的出口端外周，用于锻造从送丝头送出的金属丝材。采用厚度较大的锻造端，锻造时，施压更大，有利于对金属丝材高效锻造。

进一步地，加热单元包括第一加热段和第二加热段组成的感应加热器8，第一加热段设在送丝头7的出口端靠内部位，用于加热送丝头7送出的金属丝材5，第二加热段设在送丝头7的出口端靠外部位，用于加热送丝头7外部的金属预制坯10。通过在将送丝头7送出的丝材和预制坯都进行加热至材料的塑性成形温度，然后锻造头在竖直方向振动，对加热后的丝材施压锻造，使丝材和预制坯连接在一起，这样以增材制造的方式逐层成形为满足要求的预制坯。

作为一种可选实施例，感应加热器8包括温控传感器和制热元件，该温控传感器用于感应加热温度并调节制热元件的加热温度。其中，制热元件可以采用感应加热或电阻加热等各种可以加热金属的方法。通过采用非接触的加热方式不会对金属丝材造成其他干涉损伤，而只需将其加热到预定温度即可。

加热单元采用分段式感应加热或电阻加热的方式，来加热丝材及丝材下面的预制坯，从而实现预制坯与刚刚铺覆丝材的良好连接，具有较高的连接质量和力学性能。

作为其他可选实施例，如图3所示，加热单元还可以采用直流加热电极11，加热电极11与金属预制坯10之间通直流电流，能实现对金属丝和预制坯的加热，在送丝过程中，加热电极11对金属丝5或金属带进行加热，使其处于塑性状态，铺覆到受热的金属预制坯10上之后，一体化打印头中的锻造头6在振动发生器3的作用下，按照一定频率和振幅对铺覆到预制坯上的金属丝材或带材5进行锻造变形，并与金属预制坯10连接在一起。

此外，送丝机构4包括设在送丝头7内的两列送丝辊，送丝辊转动时带动金属丝材通过两列送丝辊之间的丝束通道输送至送丝头7外部，从而进行逐层打印铺覆形成金属预制坯，完成合金结构件的制备。

本实施例中，两列送丝辊中每列均为竖直排列的两组定滑轮，两列定滑轮分别设置丝束通道的两侧，保证了丝束输送的顺畅可靠，本发明不限于采用每列2个竖直排列的送丝辊，每列还可以采用大于2个的定滑轮进行竖向排列，具体可根据实际需要相应设计。

需要说明的是，本发明的合金结构件的制造设备，可以用于铝合金、钛合金等不同合金材质，该设置适用范围广，能够制造多种材质和合金结构件的制备

结合图2所示，本发明实施例的第二方面，提供了一种钛合金结构件的制造方法，该方法包括以下步骤S110～步骤S130：

步骤S110，将钛合金材质的金属丝束的一端缠绕在送丝轮盘9上，另一端穿过送丝机构4到送丝头7的出口。

步骤S120，基于钛合金结构件的成形数模，设定出逐层铺覆的轨迹程序和操作工艺参数。

步骤S130，一体化打印头的送丝头7按照轨迹程序和操作工艺参数，将钛合金丝材逐层铺覆成钛合金预制坯过程中，通过加热单元对钛合金丝材和成形的钛合金预制坯加热，通过锻造单元对加热的钛合金丝材施压进行锻造，使输送出的钛合金丝材逐层超塑成形成相应的钛合金预制坯。

具体地，在所述将钛合金丝材逐层铺覆成钛合金预制坯过程中，送丝头7的送丝速度为0.3～1m/min，移动平台2的行走速度为0.15～0.5m/mmin，锻造单元的锻造振幅为0.5mm～2mm，锻造频率为50Hz～200Hz，加热单元(感应加热器8或直流加热电极11)对钛合金丝材的加热温度(感应加热温度或直流加热温度)为880℃～930℃。

本发明的设备主体是挤压/锻造集成的一体化打印头，挤压和锻造的轴线是同一个轴线，属于并联方式，可以同步进行加工，其行走轨迹可以沿着任何路径行走，具有极大的自由度。采用该设备制造合金结构体，在逐层铺覆打印金属丝材时，不存在熔覆区和重熔区，只需要通过锻造的方式实现合金材质的层间连接即可。并且该设备的主体是挤压/锻造一体化打印头，相比微铸锻增材制造成形，该设备的主体结构具有非常好的刚性，茁壮性比较好。

相较于微铸锻增材制造成形，本发明合金结构件的制造方法基于超塑性锻造原理，是在合金材料处于超塑性状态下进行成形，挤压成形和锻造成形可以很好地改善金属组织状态，细化晶粒，降低残余应力，控制宏观变形。此外，在材料处于超塑性状态下成形，温度远低于熔覆温度，组织更容易控制，更有利于合金结构件的制备。

需要明确的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同或相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。对于方法的实施例而言，相关之处可参见设备实施例的部分说明。本发明并不局限于上文所描述并在图中示出的特定步骤和结构。并且，为了简明起见，这里省略对已知方法技术的详细描述。

以上所述仅为本申请的实施例而已，并不限制于本申请。在不脱离本发明的范围的情况下对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围内。

Claims (9)

1.合金结构件的制造设备，其特征在于，包括设在真空室内的一体化打印头，所述一体化打印头包括送丝机构、送丝头、锻造单元和加热单元，所述送丝机构用于将合金材质的金属丝材输送到送丝头，所述送丝头按照成形轨迹将金属丝材逐层铺覆成金属预制坯，所述加热单元设在所述送丝头的丝材出口端，用于加热金属丝材和金属预制坯，所述锻造单元设在所述送丝头的外周，在逐层铺覆金属丝材过程中，所述锻造单元用于对加热的金属丝材施压进行锻造，使输送出的金属丝材逐层超塑成形成相应的金属预制坯。

2.根据权利要求1所述的合金结构件的制造设备，其特征在于，所述锻造单元包括在动力传递方向上设置的振动发生器和锻造头，所述锻造头为套设在所述送丝头外周的筒状结构，在所述振动发生器的驱动作用下，所述锻造头相对于所述送丝头在轴向方向往复运动。

3.根据权利要求2所述的合金结构件的制造设备，其特征在于，所述锻造头包括驱动端和锻造端，所述锻造端的外径大于所述驱动端的外径，所述驱动端连接所述振动发生器，所述锻造端设在所述送丝头的出口端外周，用于锻造从送丝头送出的金属丝材。

4.根据权利要求1所述的合金结构件的制造设备，其特征在于，所述加热单元包括设在所述送丝头内的加热电极，所述加热电极和所述金属预制坯之间通直流电流，实现对金属丝和预制坯的加热。

5.根据权利要求1所述的合金结构件的制造设备，其特征在于，所述加热单元包括第一加热段和第二加热段组成的感应加热器，所述第一加热段设在所述送丝头的出口端靠内部位，用于加热所述送丝头送出的金属丝材，所述第二加热段设在所述送丝头的出口端靠外部位，用于加热所述送丝头外部的金属预制坯。

6.根据权利要求4所述的合金结构件的制造设备，其特征在于，所述感应加热器包括温控传感器和制热元件，所述温控传感器用于感应加热温度并调节所述制热元件的加热温度。

7.根据权利要求5所述的合金结构件的制造设备，其特征在于，所述制热元件采用感应加热或电阻加热。

8.根据权利要求1-7任一项所述的合金结构件的制造设备，其特征在于，所述送丝机构包括设在所述送丝头内的两列送丝辊，所述送丝辊转动时带动金属丝材通过两列送丝辊之间的丝束通道输送至所述送丝头外部。

9.一种钛合金结构件的制造方法，其特征在于，采用权利要求8所述的钛合金结构件的制造设备，所述制造方法包括：

将钛合金材质的金属丝束的一端缠绕在送丝轮盘上，另一端穿过送丝机构到送丝头的出口；

基于钛合金结构件的成形数模，设定出逐层铺覆的轨迹程序和操作工艺参数；

一体化打印头的送丝头按照轨迹程序和操作工艺参数，将钛合金丝材逐层铺覆成钛合金预制坯过程中，通过加热单元对钛合金丝材和成形的钛合金预制坯加热，通过锻造单元对加热的钛合金丝材施压进行锻造，使输送出的钛合金丝材逐层超塑成形成相应的钛合金预制坯。