CN110000382A - 一种增材制造钛合金中支撑结构的去除方法 - Google Patents

一种增材制造钛合金中支撑结构的去除方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及钛合金增材制造领域，具体涉及一种增材制造钛合金中支撑结构的去除方法。该方法包括以下步骤：1)采用防爆吸尘器、机械振台以及高压气体清理，将成型件内部残余粉末清理干净；2)对清理后的成型件进行真空热处理；3)采用氢氟酸、硝酸和水的溶液、全硝酸溶液对成型件表面进行处理；4)采用氢氟酸、硝酸和水的溶液以及全氢氟酸溶液对支撑结构进行处理；5)采用氢氟酸、硝酸和水的溶液以及全硝酸溶液对去除支撑后的成型件进行表面处理；6)将处理后的成型件进行磨粒流处理；7)对处理后的成型件进行真空热处理，消除H元素的不利影响。从而，能够在不损害成型件的前提下，快速、彻底的去除支撑结构。

Description

一种增材制造钛合金中支撑结构的去除方法
技术领域
本发明涉及钛合金增材制造领域，具体涉及一种增材制造钛合金中支撑结构的去除方法。
背景技术
钛是20世纪50年代发展起来的一种重要的结构金属，钛合金因具有低密度、高比强度高、良好的耐腐蚀以及生物相容性等特点，已被广泛应用于航空、航天、舰船、化工、冶金及生物医用等领域，被誉为“战略金属”、“太空金属”。然而，由于钛合金变形抗力大、切削加工工艺性能差，采用传统减材方法制造大型钛合金构件周期长、成本高、制造难度大，并且难以制备复杂构件，而这也限制新型结构的应用。相对于减材制造、等材制造、粉末冶金等传统制造方法而言，增材制造技术具有以下优势：(1)高能粒子束瞬时温度可达数十万摄氏度，适于制备钛合金等难熔金属零件；(2)节省机械加工时间和减少金属废料，适于制备难加工、难变形钛合金零件；(3)能够大幅缩短零件从设计到投产的生产周期，并且能够避免陶瓷夹杂污染；(4)在真空或惰性气体气氛下制备，最大程度地避免氮、氧等杂质气体对合金性能的影响；(5)精确控制合金成分分布，适于制备双合金盘等功能梯度材料。因此，近年来钛合金的增材制造技术已经成为国内外的研究热点。
高能束流增材制造技术又称3D打印技术，是一种从三维数模概念设计到三维实体柔性制造一体化的高新技术，它以离散/堆积增材制造的成形思想为基础，利用高能束热源、计算机、数模等多学科交叉融合的一项先进制造技术。根据材料和能量到达沉积点的先后顺序不同，可以分为选区熔化技术和熔覆沉积技术。工业制造中普遍采用激光束和电子束作为热源。随着增材制造技术的不断发展，该技术已经形成3种各具特点的直接成形技术：激光近净成形技术、激光选区熔化成形技术和电子束快速制造技术。目前，以上三种技术已发展到金属原型直接制造阶段，尤其是激光选区熔化成形技术在钛合金、铝合金、高温合金等材料上的成功应用，对航空航天工业产生非常重要的影响。
如图1所示，在众多的增材制造技术中，支撑结构作为一种用于接待熔固粉末层、限制变形、控制定位精度以及固定已成型部分制件的工艺结构，对成形过程具有重要的意义。支撑结构在增材制造过程中起到的主要作用：
(1)将零件抬离设备的打印基板(金属基板)以便于零件成型后从金属基板上去除。
(2)防止由于热应力导致的零件翘曲变形，有利于零件新成型层表面消散热量并确保凝固区域内的正常温度分布，支撑结构连接已成型部分与未成型部分。
(3)在成形过程中加强薄而高的部分，防止该部分翻转或移动。
(4)支撑结构承接零件的悬吊区域，防止其出现塌陷。
虽然支撑结构为增材制造过程提供重要的帮助，但是成型后支撑结构毕竟属于多余的部分，如果支撑结构去除不彻底或者无法去除就会直接影响成型件的应用，因此如何清理支撑结构就成为一个亟待解决的问题。此外，大部分成型件在成型后需要经过退火处理以降低残余应力，防止成型件从金属基板上切除时产生变形、翘曲等问题。但是对于支撑结构来说，特别是采用金属粉末作为原料进行增材制造时，热处理后支撑结构就更加难以去除。如果采用直接机械加工的方法去除，往往会伤害到成型件，所以如何能够在不伤害成型件的前提下，彻底去除支撑结构，就成为一个关键的问题。
发明内容
为了克服上述问题，本发明的目的是提供一种增材制造钛合金中支撑结构的去除方法，能够在不损害成型件的前提下，快速、彻底的去除支撑结构，解决现阶段支撑结构添加容易去除难的问题，从而进一步拓展增材制造技术的应用领域。
本发明的技术方案是：
一种增材制造钛合金中支撑结构的去除方法，包括以下步骤：
(1)采用防爆吸尘器、机械振台以及高压气体清理成型件的内部结构，将成型件内部残余粉末清理干净；
(2)对清理后的成型件进行350～900℃/0.5～8h的真空热处理；
(3)采用氢氟酸、硝酸和水体积比为1～5：2～10：1～10的溶液，和/或全硝酸溶液对成型件表面进行处理，去除表面粘粉，并降低成型件的表面粗糙度，处理方法分为浸泡或流动冲洗；
(4)采用氢氟酸、硝酸和水体积比为1～10：1～10：1～10的溶液，和/或全氢氟酸溶液对支撑结构进行处理，处理方法分为点蚀、浸泡或流动冲洗；
(5)采用氢氟酸、硝酸和水体积比为1～5：2～10：1～10的溶液，和/或全硝酸溶液对去除支撑后的成型件进行表面处理，处理方法分为浸泡或流动冲洗；
(6)将处理后的成型件进行磨粒流处理；
(7)采用真空热处理炉对处理后的成型件进行350～1000℃/0.5～10h的热处理。
所述的增材制造钛合金中支撑结构的去除方法，步骤(3)-(5)中，氢氟酸和硝酸的浓度分别为35～40wt％和65wt％～68wt％。
所述的增材制造钛合金中支撑结构的去除方法，步骤(2)和(7)中，热处理方式为真空热处理，热处理制度分别为：350～900℃保温0.5～8h水冷、炉冷或空冷，350～1000℃保温0.5～10h水冷、炉冷或空冷。
所述的增材制造钛合金中支撑结构的去除方法，步骤(3)和(5)中，全硝酸溶液为浓度65wt％～68wt％的水溶液。
所述的增材制造钛合金中支撑结构的去除方法，步骤(4)中，全氢氟酸溶液为浓度35wt％～40wt％的水溶液。
本发明的设计思想是：
本发明根据支撑结构与实体结构在腐蚀速率上的差异，首次提出采用化学腐蚀和真空热处理相结合的方法去除支撑结构，通过不同成分配比的酸溶液对成型件表面粗糙度和支撑结构进行处理，随后再进行真空热处理消除H元素的不利影响。通过上述方法可以在不损害成型件的前提下，快速、彻底的去除支撑结构，解决现阶段支撑结构添加容易去除难的问题，从而进一步拓展增材制造技术的应用领域。
本发明的优点及有益效果在于：
(1)本发明操作简单，根据支撑结构的实际情况调整酸溶液的成分，快速、彻底的完成支撑结构的去除；
(2)本发明使用范围广泛，不受钛合金构件形状限制，便于实际生产中对不同支撑结构的去除；
(3)本发明可以在不损害成型件的前提下，快速、彻底的去除支撑结构；
(4)本发明可以克服增材制造成型件支撑结构去除困难的问题，从而进一步提升增材制造的应用空间。
附图说明
图1是带有支撑结构的增材制造钛合金成型件示意图。
具体实施方式
在具体实施过程中，本发明方法包括以下步骤：
1)采用防爆吸尘器、机械振台以及高压气体清理成型件的内部结构，将成型件内部残余粉末清理干净；2)对清理后的成型件进行350～900℃/0.5～8h的真空退火处理，其作用是降低成型件的残余应力；3)采用氢氟酸、硝酸和水体积比为(1～5)：(2～10)：(1～10)的溶液、全硝酸溶液对成型件表面进行处理，去除表面粘粉，并降低成型件的表面粗糙度，处理方法分为浸泡和流动冲洗；4)采用氢氟酸、硝酸和水体积比为(1～10)：(1～10)：(1～10)的溶液、全氢氟酸溶液对支撑结构进行处理，其作用是去除成型件中的支撑结构，处理方法分为点蚀、浸泡以及流动冲洗；5)采用氢氟酸、硝酸和水体积比为(1～5)：(2～10)：(1～10)的溶液、全硝酸溶液对去除支撑后的成型件进行表面处理，降低处理后的表面粗糙度，处理方法分为浸泡和流动冲洗；6)将处理后的成型件进行磨粒流处理，其作用是使成型件具有更好的表面质量；7)采用真空热处理炉对处理后的成型件进行350～1000℃/0.5～10h的热处理，消除化学处理过程中引入的H元素的不利影响。
下面，通过实施例对本发明进一步详细阐述。
实施例1：
本实施例中，TC4钛合金增材制造技术支撑结构的去除方法，包括以下步骤：
(1)采用防爆吸尘器、机械振台以及高压气体清理成型件的内部结构，将残余粉末等多余部分清理出来；
(2)对清理后的成型件进行600℃/2h的真空热处理，炉冷至室温；
(3)采用氢氟酸、硝酸和水体积比为1/3/1的溶液对成型件表面进行处理，去除表面粘粉，并降低成型件的表面粗糙度，处理方法为浸泡；其中，氢氟酸的浓度为35wt％，硝酸的浓度为66wt％；
(4)采用氢氟酸、硝酸和水体积比为1/2/9的溶液对支撑结构进行处理，处理方法为浸泡；其中，氢氟酸的浓度为35wt％，硝酸的浓度为66wt％；
(5)采用氢氟酸、硝酸和水体积比为1/5/2的溶液对去除支撑后的成型件进行表面处理，降低处理后的表面粗糙度，处理方法为浸泡；其中，氢氟酸的浓度为35wt％，硝酸的浓度为66wt％；
(6)将处理后的成型件进行磨粒流处理；
(7)采用真空热处理炉对处理后的成型件进行800℃/2h的热处理，炉冷至室温，消除化学处理过程中引入的H元素的不利影响。
本实施例中，能够在不损害成型件的前提下，快速、彻底的去除TC4钛合金增材制造技术支撑结构。
实施例2：
本实施例中，TC6钛合金增材制造技术支撑结构的去除方法，包括以下步骤：
(1)采用防爆吸尘器、机械振台以及高压气体清理成型件的内部结构，将残余粉末等多余部分清理出来；
(2)对清理后的成型件进行800℃/1h的真空热处理，炉冷至室温；
(3)采用氢氟酸、硝酸和水体积比为1/5/3的溶液对成型件表面进行处理，去除表面粘粉，并降低成型件的表面粗糙度，处理方法为浸泡；其中，氢氟酸的浓度为36wt％，硝酸的浓度为65wt％；
(4)采用氢氟酸、硝酸和水体积比为1/3/7的溶液对支撑结构进行处理，处理方法为流动冲洗；其中，氢氟酸的浓度为36wt％，硝酸的浓度为65wt％；
(5)采用氢氟酸、硝酸和水体积比为1/3/2的溶液对去除支撑后的成型件进行表面处理，降低处理后的表面粗糙度，处理方法为浸泡；其中，氢氟酸的浓度为36wt％，硝酸的浓度为65wt％；
(6)将处理后的成型件进行磨粒流处理；
(7)采用真空热处理炉对处理后的成型件进行600℃/5h的热处理，炉冷至室温，消除化学处理过程中引入的H元素的不利影响。
本实施例中，能够在不损害成型件的前提下，快速、彻底的去除TC6钛合金增材制造技术支撑结构。
实施例3：
本实施例中，TC11钛合金增材制造技术支撑结构的去除方法，包括以下步骤：
(1)采用防爆吸尘器、机械振台以及高压气体清理成型件的内部结构，将残余粉末等多余部分清理出来；
(2)对清理后的成型件进行800℃/0.5h的真空热处理，炉冷至室温；
(3)采用氢氟酸、硝酸和水体积比为1/4/1的溶液对成型件表面进行处理，去除表面粘粉，并降低成型件的表面粗糙度，处理方法为浸泡；其中，氢氟酸的浓度为37wt％，硝酸的浓度为67wt％；
(4)采用体积比为1/2/8的氢氟酸、硝酸和水对支撑结构进行处理，处理方法为点蚀；其中，氢氟酸的浓度为37wt％，硝酸的浓度为67wt％；
(5)采用氢氟酸、硝酸和水体积比为1/7/5的溶液对去除支撑后的成型件进行表面处理，降低处理后的表面粗糙度，处理方法为浸泡；其中，氢氟酸的浓度为37wt％，硝酸的浓度为67wt％；
(6)将处理后的成型件进行磨粒流处理；
(7)采用真空热处理炉对处理后的成型件进行800℃/1.5h的热处理，炉冷至室温，消除化学处理过程中引入的H元素的不利影响。
本实施例中，能够在不损害成型件的前提下，快速、彻底的去除TC11钛合金增材制造技术支撑结构。
实施例4：
本实施例中，TC16钛合金增材制造技术支撑结构的去除方法，包括以下步骤：
(1)采用防爆吸尘器、机械振台以及高压气体清理成型件的内部结构，将残余粉末等多余部分清理出来；
(2)对清理后的成型件进行700℃/3h的真空热处理，炉冷至室温；
(3)采用氢氟酸、硝酸和水体积比为1/2/1溶液对成型件表面进行处理，去除表面粘粉，并降低成型件的表面粗糙度，处理方法为浸泡；其中，氢氟酸的浓度为38wt％，硝酸的浓度为68wt％；
(4)采用氢氟酸、硝酸和水体积比为4/2/3溶液对支撑结构进行处理，处理方法为点蚀；其中，氢氟酸的浓度为38wt％，硝酸的浓度为68wt％；
(5)采用氢氟酸、硝酸和水体积比为1/3/3溶液对去除支撑后的成型件进行表面处理，降低处理后的表面粗糙度，处理方法为浸泡；其中，氢氟酸的浓度为38wt％，硝酸的浓度为68wt％；
(6)将处理后的成型件进行磨粒流处理；
(7)采用真空热处理炉对处理后的成型件进行700℃/3.5h的热处理，炉冷至室温，消除化学处理过程中引入的H元素的不利影响。
本实施例中，能够在不损害成型件的前提下，快速、彻底的去除TC16钛合金增材制造技术支撑结构。
实施例5：
本实施例中，TC18钛合金增材制造技术支撑结构的去除方法，包括以下步骤：
(1)采用防爆吸尘器、机械振台以及高压气体清理成型件的内部结构，将残余粉末等多余部分清理出来；
(2)对清理后的成型件进行900℃/1h的真空热处理，炉冷至室温；
(3)采用氢氟酸、硝酸和水体积比为1/6/3的溶液对成型件表面进行处理，去除表面粘粉，并降低成型件的表面粗糙度，处理方法为流动冲洗；其中，氢氟酸的浓度为40wt％，硝酸的浓度为68wt％；
(4)采用体积比为5/1/4的氢氟酸、硝酸和水对支撑结构进行处理，处理方法为流动冲洗，氢氟酸的浓度为40wt％，硝酸的浓度为68wt％；
(5)采用氢氟酸、硝酸和水体积比为1/4/7的溶液对去除支撑后的成型件进行表面处理，降低处理后的表面粗糙度，处理方法为流动冲洗；其中，氢氟酸的浓度为40wt％，硝酸的浓度为68wt％；
(6)将处理后的成型件进行磨粒流处理；
(7)采用真空热处理炉对处理后的成型件进行900℃/1.5h的热处理，炉冷至室温，消除化学处理过程中引入的H元素的不利影响。
本实施例中，能够在不损害成型件的前提下，快速、彻底的去除TC18钛合金增材制造技术支撑结构。
另外，以上所述，仅是本发明中实施例的部分代表而已，不能以此局限本发明之权利范围。对于本领域的研究人员而言，所述的氢氟酸、硝酸和水的比例可根据支撑结构(如：支撑密度、支撑齿根宽度和支撑镂空形态等)和钛合金成分(如：Ti60合金、TA2合金和TiAl基合金等)进行相应的调整，并且可加入适量的缓蚀剂、表面活性剂等，以达到最佳的支撑结构去除和表面处理效果。因此，依本发明的技术方案和技术思路做出其它各种相应的改变和变形，仍属于本发明所涵盖的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种增材制造钛合金中支撑结构的去除方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)采用防爆吸尘器、机械振台以及高压气体清理成型件的内部结构，将成型件内部残余粉末清理干净；
(2)对清理后的成型件进行350～900℃/0.5～8h的真空热处理；
(3)采用氢氟酸、硝酸和水体积比为1～5：2～10：1～10的溶液，和/或全硝酸溶液对成型件表面进行处理，去除表面粘粉，并降低成型件的表面粗糙度，处理方法分为浸泡或流动冲洗；
(4)采用氢氟酸、硝酸和水体积比为1～10：1～10：1～10的溶液，和/或全氢氟酸溶液对支撑结构进行处理，处理方法分为点蚀、浸泡或流动冲洗；
(5)采用氢氟酸、硝酸和水体积比为1～5：2～10：1～10的溶液，和/或全硝酸溶液对去除支撑后的成型件进行表面处理，处理方法分为浸泡或流动冲洗；
(6)将处理后的成型件进行磨粒流处理；
(7)采用真空热处理炉对处理后的成型件进行350～1000℃/0.5～10h的热处理。
2.按照权利要求1所述的增材制造钛合金中支撑结构的去除方法，其特征在于，步骤(3)-(5)中，氢氟酸和硝酸的浓度分别为35～40wt％和65wt％～68wt％。
3.按照权利要求1所述的增材制造钛合金中支撑结构的去除方法，其特征在于，步骤(2)和(7)中，热处理方式为真空热处理，热处理制度分别为：350～900℃保温0.5～8h水冷、炉冷或空冷，350～1000℃保温0.5～10h水冷、炉冷或空冷。
4.按照权利要求1所述的增材制造钛合金中支撑结构的去除方法，其特征在于，步骤(3)和(5)中，全硝酸溶液为浓度65wt％～68wt％的水溶液。
5.按照权利要求1所述的增材制造钛合金中支撑结构的去除方法，其特征在于，步骤(4)中，全氢氟酸溶液为浓度35wt％～40wt％的水溶液。
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