CN110293291A - 一种氧元素原位强化的梯度钛合金mig电弧增材制造方法 - Google Patents

一种氧元素原位强化的梯度钛合金mig电弧增材制造方法 Download PDF

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管志忱
余淑荣
陈会子
刘玉龙
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潘伟
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Abstract

本发明公开一种氧元素原位强化的梯度钛合金MIG电弧增材制造方法。送丝机构经送丝轮将焊丝送入MIG焊枪，焊丝在经过导电嘴后与母材之间产生电弧，送丝机构送入焊枪的钛合金焊丝和周围钛合金材料在MIG电弧热量作用下呈熔融态；将氩气与氧气用配比器混合配比后输出，混合气体中氧气在MIG电弧作用下电离，离子态的氧与熔融态的钛合金原位反应生成氧化钛增强相，分布在成形的钛合金材料中。调节不同的氧氩气配比，从而得到不同的梯度强化效果。本发明在钛合金增材制造的过程中，同时实现对钛合金材料的强化，无需二次强化，减少工艺流程，同时可以通过调节不同的气体配比实现钛合金材料的可控梯度强化，扩大了钛合金材料的使用范围。

Description

一种氧元素原位强化的梯度钛合金MIG电弧增材制造方法
技术领域
本发明涉及钛合金增材制造领域，特别是涉及一种氧元素原位强化的梯度钛合金MIG电弧增材制造方法。
背景技术
钛与钛合金由于具有密度小、耐高温、耐腐蚀、强度高等一系列特点。随着时间的发展，被各行各业逐渐关注。它已经在各项领域得到了广泛的应用，包括航空航天、国防工业等领域。需求的产生刺激了钛及钛合金材料的发展，复杂的使用环境对钛合金材料的制备提出了更高的要求。而随着近几年新型制备方法的产生，增材制造方法因其“自下而上”、“材料累加”的特点被广泛关注。增材制造的特殊工艺可以应用到钛合金材料的制造中，它可以大幅缩短生产周期、降低制造成本。电弧增材制造作为其中被广泛使用的重要分支，有着易控制、效率高的优点。但是当前钛合金的电弧增材制造方法有着其自身的一些局限性，增材制造完成的一些零件无法满足工业上对其强度的要求，这就使得制备的材料应用于工业中需要额外进行二次强化，增加了工艺流程和生产成本；同时，二次强化往往只能对材料的表面进行强化，无法实现对材料内部的强化，极大限制了高强度钛合金材料在众多领域的发展。
发明内容
本发明的目的是提供一种氧元素原位强化的梯度钛合金MIG电弧增材制造方法，在钛合金增材制造的过程中，同时实现对钛合金材料的整体强化，并且通过控制气体配比实现可控的强化效果。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案。
一种氧元素原位强化的梯度钛合金MIG电弧增材制造方法，所述方法包括：
将表面处理干净的待加工的钛合金基板固定在可控工台上。
调节钛合金基板位置，使其正对于MIG焊枪之下。
打开氧气瓶和氩气瓶，提供反应气体氧气和保护气体氩气。
打开送丝机构，调节送丝速度，经送丝轮后将焊丝送入MIG焊枪中。；
启动MIG焊机开关，MIG焊枪产生电弧；所述氧气在所述MIG电弧作用下电离，形成离子态的氧，其与反应过程中送入的焊丝和周围处于熔融态的钛合金反应，在所述待加工的钛合金基板上原位生成具有氧化钛增强相的钛合金试件。
可选的，在所述打开氧气瓶和氩气瓶，提供反应气体氧气和保护气体氩气之后还包括：调节所述氧气的流量和所述氩气的流量，从而实现不同的钛合金强化效果。
可选的，所述焊丝为钛合金焊丝。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明氧元素原位强化的钛合金MIG电弧增材制造的过程中，通入氧气，使氧气在MIG电弧的作用下呈离子状态，与熔融状态的钛合金原位反应，在待加工的钛合金基板生成具有氧化钛增强相的钛合金试件，使钛合金增材制造与对钛合金材料的强化过程同时进行，操作过程简单，同时在制造过程中通过调节不同的气体配比可以制得钛合金梯度材料，提高了钛合金材料的使用范围。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中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为本发明的实施例提供的氧元素原位强化的梯度钛合金MIG电弧增材制造方法的结构示意图。
图2为本发明的实施例提供的氧元素原位强化的梯度钛合金MIG电弧增材制造方法的流程图。
图3为本发明的实施例提供的氧元素原位强化的梯度钛合金MIG电弧增材制造方法的原理图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种氧元素原位强化的梯度钛合金MIG电弧增材制造方法，在钛合金增材制造的过程中，完成对钛合金材料的强化，并且强化效果可控。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
实施例
如图1、3所示，本实施例提供的钛合金增材制造方法包括。
送丝机构1、MIG焊机2、可控工台3、控制中心4、氧气瓶5、氩气瓶6、气体配比器7、MIG焊枪8、送丝轮9和待加工钛合金基板12。
可控工台3，用于放置待加工的钛合金基板12。
本实施例提供的钛合金增材制造方法具体步骤为：（1）采用MIG电弧增材制造方法进行钛合金梯度功能材料的制备。将TC4钛合金基板12表面处理干净后置于可控工台3之上，并用夹具固定好基板位置，通过控制中心4调节MIG焊枪8位置，确认MIG电弧的起始位置与终止位置，确保MIG焊枪位于基板起始位置正上方；调节送丝机构送丝速度，确保焊丝以固定速度经送丝轮后送入MIG焊枪内。
（2）调节MIG焊机焊接电流为60-180A,焊接速度为80-240mm/min,调节送丝机构1送丝速度为80-300cm/min,将保护气管道与氧气瓶5、氩气瓶6相连接，同时在中间连接上混合气体配比器7；打开气瓶开关，同时调节气体配比器，使得气体总流量为10L/min，其中氧气流量为0-2L/min，其余气体均为氩气。
（3）MIG电弧增材制造过程中，在MIG电弧产生后控制可控工台3向既定方向匀速移动，TC4焊丝在MIG电弧作用下融化铺展于钛合金基板上，开始单层钛合金MIG电弧增材制造过程，其中氧气在MIG电弧作用下电离出离子态的氧，离子态的氧在MIG电弧作用下附着于熔池表面，MIG电弧移动过程中带动熔池内部熔融态的钛合金流动将附着于熔池表面的离子态的氧带入进熔池内部，离子态的氧与熔融态钛在原位反应生成含有氧化钛增强相的钛合金材料，从而在增材制造的加工过程的同时在原位完成对钛合金材料的强化。
（4）单道钛合金增材制造完成后，关闭保护气体和MIG焊机开关，MIG焊枪返回至初始位置并调节高度，通过调节在步骤2中所述的气体配比的氧气氩气的流量范围，控制不同的氧气氩气比，调节参数，继续钛合金材料的增材制造过程。通过实时控制气体配比可以实现钛合金材料的不同强化效果，实现钛合金材料的可控强化，制备具有梯度功能的钛合金材料。
本方法能够实现在钛合金增材制造的过程中，同时完成钛合金材料的原位强化，并且可以控制不同的强化效果，使操作过程简便，进而提高了钛合金材料的使用范围。
一种氧元素原位强化的梯度钛合金MIG电弧增材制造方法，如图2所示，所述方法包括：步骤1：将表面处理干净的待加工的钛合金基板固定在可控工台上。
步骤2：控制MIG焊枪位于基板起始位置正上方，并通过控制中心调节固定的送丝速度经送丝轮送入焊枪内。
步骤3：打开氧气瓶和氩气瓶，提供反应气体氧气和保护气体氩气，并调节所述氧气和所述氩气的不同流量配比。
步骤4：启动MIG焊机开关，MIG焊枪产生电弧，所述氧气在MIG电弧作用下电离，形成离子态的氧，其与制造过程中处于熔融态的钛合金原位反应，在所述待加工的钛合金基板上生成具有氧化钛增强相的试件。
如图3所示，钛合金焊丝10送入MIG焊枪内，MIG焊枪产生MIG电弧11，氧气14在MIG电弧11的作用下电离形成离子态的氧，附着于熔池13的表面，钛合金焊丝10呈熔融状态铺展于待加工的钛合金基板上，离子态的氧与熔融状态的钛合金原位结合生成氧化钛增强相，分布在成形的钛合金材料中，从而在钛合金增材制造的加工过程的同时在原位完成对钛合金材料的强化。
本发明提供的方法，不仅可以实现单层钛合金增材制造，并且通过控制中心调节气体配比器，控制不同的氧气氩气比，调节参数，实现钛合金材料的不同强化效果，实现钛合金材料的可控强化，制备具有梯度功能的钛合金材料。
对于实施例公开的方法而言，由于其与实施例公开的装置相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种氧元素原位强化的钛合金MIG电弧增材制造方法，其特征在于，所述方法包括：控制中心4与MIG焊机2、可控工台3、气体配比器7相连接，氧气瓶5、氩气瓶6与气体配比器7连接后输出至MIG焊枪8；送丝机构1将焊丝经送丝轮9后送入MIG焊枪。
2.根据权利要求书1所述的氧元素原位强化的梯度钛合金MIG电弧增材制造方法，其特征在于：所述送丝机构经送丝轮将所述焊丝送入MIG焊枪，焊丝在经过导电嘴后与母材之间产生电弧；焊丝在MIG电弧热源作用下呈熔融态，所述氧气在MIG电弧作用下发生电离，离子态的氧在氩气氛围下运动至熔池附近，其在熔池流动过程中进入熔池并附着于熔池的表面，在增材制造过程中随着MIG电弧热源的定向移动，带动熔池内部熔融态钛合金的流动，离子态氧进入熔池内部与熔融态的钛在原位发生反应生成氧化钛增强相实现对材料制备过程中的强化。
3.根据权利要求书1所述的氧元素原位强化的梯度钛合金MIG电弧增材制造方法，其特征在于：所述可控工台用于放置表面处理干净的待加工钛合金基板，并由所述控制中心Mach3系统，控制x、y、z轴伺服电机带动传动装置，实现可控工台空间位置的移动，移动速度为80-240mm/min。
4.根据权利要求书1所述的氧元素原位强化的梯度钛合金MIG电弧增材制造方法，其特征在于：MIG焊机产生电弧，通过所述控制中心调节制造过程中所述MIG焊机电流为60-180A。
5.根据权利要求书1所述的氧元素原位强化的梯度钛合金MIG电弧增材制造方法，其特征在于：所述的送丝机构经所述送丝轮后将焊丝送入焊枪。
6.根据权利要求书5所述的氧元素原位强化的梯度钛合金MIG电弧增材制造方法，其特征在于：通过所述控制中心控制所述送丝机构送丝速度为80-300cm/min。
7.根据权利要求书5所述的氧元素原位强化的梯度钛合金MIG电弧增材制造方法，其特征在于：所述焊丝为钛合金焊丝。
8.根据权利要求书1所述的氧元素原位强化的梯度钛合金MIG电弧增材制造方法，其特征在于：所述氧气瓶和氩气瓶，用于向过程中输入反应气体氧气和保护气体氩气，其中氧气与熔融态钛合金反应生成具有氧化钛增强相的钛合金材料，氩气对反应过程进行保护。
9.根据权利要求书1所述的氧元素原位强化的梯度钛合金MIG电弧增材制造方法，其特征在于：通过所述控制中心控制所述气体配比器，用于将输送来的氧气与氩气进行配比，从而实现不同的钛合金强化效果。
10.根据权利要求书9所述的氧元素原位强化的梯度钛合金MIG电弧增材制造方法，其特征在于：所述气体配比器调节总的气体流量为10L/min，其中氧气流量为0-2L/min，其余气体均为氩气。
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