CN110153420A - 一种钛合金保护舱装置及激光增材制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明一种钛合金保护舱装置，包括圆形工作台、固定板、基板、橡胶圈、固定夹、薄膜、圆形铁圈架、进气管，圆形工作台设有多个等角度分布的T型槽，T型槽内设有T型块，固定板通过螺栓固定在T型块上，基板通过螺栓固定在固定板上，橡胶圈压紧薄膜外侧且与圆形工作台四周贴合密封，固定夹固定住圆形铁圈架且从薄膜外侧面压紧，薄膜贴合圆形铁圈架四周，圆形铁圈架放置圆形工作台上表面且与薄膜内侧贴合，进气管固定在圆形铁圈架中竖着的铁棒上。本发明装置基于六轴机器人激光同轴送粉设备改进，设备成本低，同时提供一种钛合金的激光增材制造方法，可以满足钛合金结构件高精度、高性能制造需求。
Description
技术领域
本发明涉及激光增材制造技术领域，特别是一种钛合金保护舱装置及激光增材制造方法。
背景技术
激光增材制造技术是从二十世纪九十年代初期逐渐发展起来了一项基于快速成型和激光熔覆原理的先进制造技术，包含了激光技术、数控技术、材料成型技术、传感器技术等，该技术能实现高性能复杂结构无模具、快速、全致密、近净成形制造，同时对具有一定深度缺陷或服役损伤零件的修复再制造领域具有广泛的前景。该技术主要原理：以“离散+堆积”的成形思想为基础，利用高能激光束束局部熔化金属表面形成熔池，同时将金属原材料同轴送入熔池或者平铺基体金属表面直接熔化，形成与基体金属冶金结合，按照零件分层截面轮廓轨迹逐层扫描堆积材料，最终形成三维实体零件或仅需进行少量加工的近形件。
钛合金具有比强度高、耐腐蚀等优异性能，是航空航天领域常用的一种轻质结构材料，由于钛合金导热性能差，同时在300℃以上钛合金容易吸氢、吸氧、吸氮，高温氧化导致零件成型及性能差，因此钛合金零件的激光增材制造处于隔绝空气的真空环境或惰性气体环境氛围中，这样对设备提出了更高要求，如公开号为CN201811220175的中国发明专利《一种3D打印仓装置及打印方法》、公开号为N201630156961的中国发明专利《金属3D打印机》，高昂的设备、操作人员的投入、使用成本高都制约着科研机构、高校、企业对钛合金激光增材技术的应用的推进与发展。
发明内容
本发明的目的是提供一种钛合金保护舱装置及激光增材制造方法，该装置基于六轴机器人激光同轴送粉设备改进，避免了激光增材技术带来的高昂的设备费用、操作人员的额外投入、使用成本偏高等问题，同时提供一种钛合金的激光增材制造方法，可以满足钛合金结构件高精度、高性能制造需求。
本发明通过如下技术方案实现上述目的：一种钛合金保护舱装置，包括圆形工作台、固定板、基板、橡胶圈、固定夹、薄膜、圆形铁圈架、进气管，所述圆形工作台设有多个等角度分布的T型槽，所述T型槽内设有T型块，所述固定板通过螺栓固定在T型块上，所述基板通过螺栓固定在固定板上，所述橡胶圈压紧薄膜外侧且与圆形工作台四周贴合密封，所述固定夹固定住圆形铁圈架且从薄膜外侧面压紧，所述薄膜贴合圆形铁圈架四周，所述圆形铁圈架放置圆形工作台上表面且与薄膜内侧贴合，所述进气管固定在圆形铁圈架中竖着的铁棒上。
进一步的，所述圆形工作台直径为800mm，厚度35mm，上表面均匀分布8条T型槽，T型槽长350mm，高为20mm，材质为HT200；所述T型块型号为M8，中心螺纹孔为φ8，表面硬度32-37HRC，4个T型块均匀分布于T型槽内且可根据固定板尺寸调节所处固定位置。
进一步的，所述固定板四顶角处分布着沉头孔且对应基板沉头孔处有φ8螺纹孔，厚度25mm材质为碳钢；所述基板每边均匀分布3个沉头孔，厚度10mm，材质为钛合金TC4；所述螺栓通过固定板上沉头孔压紧在圆形工作台上表面，再将基板固定紧与固定板表面。
进一步的，所述橡胶圈材质为橡胶；所述固定夹为铁皮与铁丝组成；所述薄膜为耐高温薄膜，厚度为0.3mm，且缝合处采用耐高温胶带粘连。
进一步的，所述圆形铁圈架使用的铁棒直径为6mm，上下为直径为790mm圆形铁圈，竖直为4根铁棒均匀分布，高为500mm，采用焊接方式连接；所述进气管材质为碳钢，内径为8mm，外径为12mm，位于圆形铁圈架的4根竖直铁棒下端50mm处，采用焊接方式连接且进气管通入氩气。
一种激光增材制造方法，包括以下步骤：
步骤一：将钛合金基板打磨，清洗，吹干，再与固定板通过螺栓压紧后固定于圆形工作台上，再将六轴机器人带着激光熔覆头移动至合适的位置，然后往钛合金保护舱装置的进气管通入氩气，用氧分析仪测得舱内氧含量降到50ppm以下，打印过程中可关闭进气管氩气；
步骤二：将烘干后钛合金TC4粉末加入送粉器里，同时将待打印的钛合金零件的CAD模型转化成STL文件形式，其次利用激光增材制造软件将STL文件格式的零件模型分割成具有一定厚度的二维连续层，再对每层图形进行轨迹路径规划，设置预先优化好的工艺参数，生成相应的代码，导入六轴机器人系统中，即可开始打印；
步骤三：对步骤二得到的带有固定板和基板的钛合金零件进行打磨处理，再进行荧光检测和X射线探伤检测；
步骤四：对步骤二得到的带有固定板和基板的钛合金零件同时进行热处理，热处理的工艺参数为：温度为600-650℃，保温时间为2-4h，保温结束后随炉冷却；
步骤五：将热处理后零件从基板上线切割取下，同时在数控中心对零件的尺寸进行精加工，满足最终使用要求。
进一步的，所述步骤一中钛合金TC4粉末粒径为50μm-150μm，粉末球形度不小于0.8，粉末流动性时间不高于35s/50g。
进一步的，所述步骤一中氧分析仪使用时将分析仪端部从钛合金保护舱装置薄膜表面开洞伸入且用胶带密封。
进一步的，所述步骤二中预先设置的工艺参数为：激光功率2000-5000W，光斑4mm-6mm，同轴氩气保护气流量15L/min，送粉氦气流量为5L/min，进气管氩气流量20L/min，搭接率50％。
与现有技术相比，本发明钛合金保护舱装置的有益效果是：
1.本发明装置基于六轴机器人激光同轴送粉设备改进，成本低，操作简便，使用成本低。
2.本发明激光增材制造方法可以满足钛合金结构件高精度、高性能制造需求。
3.本发明装置配合柔性工装也可实现钛合金零件表面激光熔覆修复。
附图说明
图1是本发明的钛合金保护舱装置示意图。
图2是本发明中圆形工作台示意图。
图3是本发明中固定板与基板示意图。
图4是本发明中圆形铁圈架示意图。
图中：1.圆形工作台、2.T型块、3.固定板、4.基板、5.螺栓、6.橡胶圈、7.固定夹、8.薄膜、9.圆形铁圈架、91.铁棒、92.圆形铁圈、10.进气管。
具体实施方式
请参阅图1至图4，一种钛合金保护舱装置，包括圆形工作台1、固定板3、基板4、橡胶圈6、固定夹7、薄膜8、圆形铁圈架9、进气管10，圆形工作台1中心固定于两轴变位机平台(图未示)中心处，圆形工作台1设有多个等角度分布的T型槽(图未示)，T型槽内设有T型块2，固定板3通过螺栓5固定在T型块2上，基板4通过螺栓5固定在固定板3上，螺栓3分别穿过沉头孔(图未示)固定住固定板与基板，橡胶圈6压紧薄膜8外侧且与圆形工作台四周贴合密封，固定夹7固定住圆形铁圈架9且从薄膜外侧面压紧，薄膜贴合圆形铁圈架四周，薄膜上端口通过胶带与激光熔覆头紧密贴合，圆形铁圈架放置圆形工作台上表面且与薄膜内侧贴合，进气管固定在圆形铁圈架中竖着的铁棒91上。
圆形工作台直径为800mm，厚度35mm，上表面均匀分布8条T型槽，T型槽长350mm，高为20mm，材质为HT200；T型块型号为M8，中心螺纹孔为φ8，表面硬度32-37HRC，4个T型块均匀分布于T型槽内且可根据固定板尺寸调节所处固定位置。
固定板四顶角处分布着沉头孔且对应基板沉头孔处有φ8螺纹孔，厚度25mm材质为碳钢；基板每边均匀分布3个沉头孔，厚度10mm，材质为钛合金TC4；螺栓通过固定板上沉头孔压紧在圆形工作台上表面，再将基板固定紧与固定板表面。
橡胶圈材质为橡胶；固定夹为铁皮与铁丝组成；薄膜为耐高温薄膜，厚度为0.3mm，且缝合处采用耐高温胶带粘连。
圆形铁圈架使用的铁棒91直径为6mm，上下为直径为790mm圆形铁圈92，竖直为4根铁棒均匀分布，高为500mm，采用焊接方式连接；进气管材质为碳钢，内径为8mm，外径为12mm，位于圆形铁圈架的4根竖直铁棒下端50mm处，采用焊接方式连接且进气管通入氩气。
激光增材制造方法，包括以下步骤：
步骤一：将钛合金基板打磨，清洗，吹干，再与固定板通过螺栓压紧后固定于圆形工作台上，再将六轴机器人带着激光熔覆头移动至合适的位置，然后往钛合金保护舱装置的进气管通入氩气，用氧分析仪测得舱内氧含量降到50ppm以下，打印过程中可关闭进气管氩气；氧分析仪使用时将分析仪端部从钛合金保护舱装置薄膜表面开洞伸入且用胶带密封。
步骤二：将烘干后钛合金TC4粉末加入送粉器里，同时将待打印的钛合金零件的CAD模型转化成STL文件形式，其次利用激光增材制造软件将STL文件格式的零件模型分割成具有一定厚度的二维连续层，再对每层图形进行轨迹路径规划，设置预先优化好的工艺参数，生成相应的代码，导入六轴机器人系统中，即可开始打印；钛合金TC4粉末粒径为50μm-150μm，粉末球形度不小于0.8，粉末流动性时间不高于35s/50g；预先设置的工艺参数为：激光功率2000-5000W，光斑4mm-6mm，同轴氩气保护气流量15L/min，送粉氦气流量为5L/min，进气管氩气流量20L/min，搭接率50％；
步骤三：对步骤二得到的带有固定板和基板的钛合金零件进行打磨处理，再进行荧光检测和X射线探伤检测；
步骤四：对步骤二得到的带有固定板和基板的钛合金零件同时进行热处理，热处理的工艺参数为：温度为600-650℃，保温时间为2-4h，保温结束后随炉冷却；
步骤五：将热处理后零件从基板上线切割取下，同时在数控中心对零件的尺寸进行精加工，满足最终使用要求。
与现有技术相比，本发明所具备的优点和有益效果：
1.本发明装置基于六轴机器人激光同轴送粉设备改进，成本低，操作简便，使用成本低。
2.本发明激光增材制造方法可以满足钛合金结构件高精度、高性能制造需求。
3.本发明装置配合柔性工装也可实现钛合金零件表面激光熔覆修复。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点,对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
Claims (9)
1.一种钛合金保护舱装置，其特征在于，包括圆形工作台、固定板、基板、橡胶圈、固定夹、薄膜、圆形铁圈架、进气管，所述圆形工作台设有多个等角度分布的T型槽，所述T型槽内设有T型块，所述固定板通过螺栓固定在T型块上，所述基板通过螺栓固定在固定板上，所述橡胶圈压紧薄膜外侧且与圆形工作台四周贴合密封，所述固定夹固定住圆形铁圈架且从薄膜外侧面压紧，所述薄膜贴合圆形铁圈架四周，所述圆形铁圈架放置圆形工作台上表面且与薄膜内侧贴合，所述进气管固定在圆形铁圈架中竖着的铁棒上。
2.根据权利要求1所述的钛合金保护舱装置，其特征在于：所述圆形工作台直径为800mm，厚度35mm，上表面均匀分布8条T型槽，T型槽长350mm，高为20mm，材质为HT200；所述T型块型号为M8，中心螺纹孔为φ8，表面硬度32-37HRC，4个T型块均匀分布于T型槽内且可根据固定板尺寸调节所处固定位置。
3.根据权利要求1所述的钛合金保护舱装置，其特征在于：所述固定板四顶角处分布着沉头孔且对应基板沉头孔处有φ8螺纹孔，厚度25mm材质为碳钢；所述基板每边均匀分布3个沉头孔，厚度10mm，材质为钛合金TC4；所述螺栓通过固定板上沉头孔压紧在圆形工作台上表面，再将基板固定紧与固定板表面。
4.根据权利要求1所述的钛合金保护舱装置，其特征在于：所述橡胶圈材质为橡胶；所述固定夹为铁皮与铁丝组成；所述薄膜为耐高温薄膜，厚度为0.3mm，且缝合处采用耐高温胶带粘连。
5.根据权利要求1所述的钛合金保护舱装置，其特征在于：所述圆形铁圈架使用的铁棒直径为6mm，上下为直径为790mm圆形铁圈，竖直为4根铁棒均匀分布，高为500mm，采用焊接方式连接；所述进气管材质为碳钢，内径为8mm，外径为12mm，位于圆形铁圈架的4根竖直铁棒下端50mm处，采用焊接方式连接且进气管通入氩气。
6.一种激光增材制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：将钛合金基板打磨，清洗，吹干，再与固定板通过螺栓压紧后固定于圆形工作台上，再将六轴机器人带着激光熔覆头移动至合适的位置，然后往钛合金保护舱装置的进气管通入氩气，用氧分析仪测得舱内氧含量降到50ppm以下，打印过程中可关闭进气管氩气；
步骤二：将烘干后钛合金TC4粉末加入送粉器里，同时将待打印的钛合金零件的CAD模型转化成STL文件形式，其次利用激光增材制造软件将STL文件格式的零件模型分割成具有一定厚度的二维连续层，再对每层图形进行轨迹路径规划，设置预先优化好的工艺参数，生成相应的代码，导入六轴机器人系统中，即可开始打印；
步骤三：对步骤二得到的带有固定板和基板的钛合金零件进行打磨处理，再进行荧光检测和X射线探伤检测；
步骤四：对步骤二得到的带有固定板和基板的钛合金零件同时进行热处理，热处理的工艺参数为：温度为600-650℃，保温时间为2-4h，保温结束后随炉冷却；
步骤五：将热处理后零件从基板上线切割取下，同时在数控中心对零件的尺寸进行精加工，满足最终使用要求。
7.根据权利要求6所述的激光增材制造方法，其特征在于：所述步骤一中钛合金TC4粉末粒径为50μm-150μm，粉末球形度不小于0.8，粉末流动性时间不高于35s/50g。
8.根据权利要求6所述的激光增材制造方法，其特征在于：所述步骤一中氧分析仪使用时将分析仪端部从钛合金保护舱装置薄膜表面开洞伸入且用胶带密封。
9.根据权利要求6所述的激光增材制造方法，其特征在于：所述步骤二中预先设置的工艺参数为：激光功率2000-5000W，光斑4mm-6mm，同轴氩气保护气流量15L/min，送粉氦气流量为5L/min，进气管氩气流量20L/min，搭接率50％。
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