CN110293295A - 一种氮元素原位强化的梯度钛合金等离子弧增材制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种氮元素原位强化的梯度钛合金等离子弧增材制造方法。在增材制造过程中，送丝机构送入的钛合金焊丝和周围钛合金材料在等离子弧热量作用下呈熔融态，氮气氩气混合配比的离子气中反应气体氮气电离，离子态的氮与熔融态的钛合金原位反应，在待加工钛合金材料上原位生成具有氮化钛增强相的增材试件。调节气体配比器实现不同的氮气氩气配比的离子气，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，无需再额外进行材料的二次强化，减少工艺流程，同时可以通过调节不同的离子气配比实现钛合金材料的可控梯度强化，扩大了高强度钛合金材料的使用范围。

Description

一种氮元素原位强化的梯度钛合金等离子弧增材制造方法

技术领域

本发明涉及钛合金增材制造领域，特别是涉及一种氮元素原位强化的梯度钛合金等离子弧增材制造方法。

背景技术

钛及钛合金由于其众多的优点和优异的性能，被广泛应用于航空航天等领域。因为增材制造具有的切片分层的技术特点，所以被广泛应用于钛合金复杂零件的制造中。等离子弧增材制造因其能量密度大、电弧方向性强、熔透能力强的突出优点成为增材制造的一种重要方法。但当前钛合金的等离子弧增材制造方法不能满足在制造的过程中同时实现对材料的强化，这就使得制备的材料应用于工业中需要额外进行二次加工强化，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氮元素原位强化的梯度钛合金等离子弧增材制造方法，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。

一种氮元素原位强化的梯度钛合金等离子弧增材制造方法，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。

控制焊丝与所述待加工的钛合金基板的角度为30°，并使所述焊丝位于等离子焊枪的正下方。

打开氮气瓶和氩气瓶，提供混合配比的离子气输入和保护气体氩气输入。

通过控制中心控制送丝机构，并调节送丝速度，在等离子弧热源运动的同时实现焊丝的同步送入。

在控制中心启动等离子焊机，调节电流，等离子焊枪产生等离子弧；所述离子气中氮气电离，形成离子态的氮，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氮化钛增强相的增材成形件。

可选的，在所述打开氮气瓶和氩气瓶，提供氮气氩气混合离子气和保护气体氩气之后还包括：调节所述离子气中氮气的流量和氩气的流量，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：本发明氮元素原位强化的钛合金等离子弧增材制造的过程中，离子气中氮气电离，离子态的氮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氮化钛增强相的钛合金增材成形件，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离子气配比，获得材料组织中氮化钛增强相与其余相的不同比例，实现梯度功能钛合金零件的成形，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氮元素原位强化的梯度钛合金等离子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氮元素原位强化的梯度钛合金等离子弧增材制造方法的流程图。

图3为本发明的实施例提供的氮元素原位强化的梯度钛合金等离子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氮元素原位强化的梯度钛合金等离子弧增材制造方法，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、送丝臂2、送丝嘴3、控制中心4、可控工台5、氮气瓶6、氩气瓶7、气体配比器8、等离子焊机9、等离子焊枪10和待加工钛合金基板15。

可控工台5，用于放置待加工的钛合金基板15。

本实施例提供的钛合金增材制造方法具体步骤为：（1）采用等离子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15表面处理干净后置于可控工台5之上，并用夹具固定好基板位置，通过控制中心4调节等离子焊枪10位置，确认等离子弧的起始位置与终止位置，确保等离子焊枪位于基板起始位置正上方；调节钛合金焊丝位置，使其端部正对于等离子焊枪之下且丝高为0，送丝角度为30°，焊丝在等离子弧增材制造过程中始终位于等离子弧移动方向的前方。

（2）通过控制中心4调节等离子焊机9焊接电流为20-50A，焊接速度为90-180mm/min，调节送丝机构1送丝速度为90-180cm/min，将保护气管道与氮气瓶6、氩气瓶7相连接，同时在中间连接上混合气体配比器8，输出至焊机的离子气入口，同时氮气瓶连接至保护气入口；打开气瓶开关，同时通过控制中心调节气体配比器，使得离子气总流量为0.2-1.0L/min，其中氮气流量为0.1-1.0L/min，其余气体均为氩气或不含氩气，保护气流量为0-10L/min。

（3）等离子弧增材制造过程中，在等离子弧产生后控制工台5向既定方向匀速移动，TC4焊丝在等离子弧作用下融化铺展于钛合金基板上，开始单层钛合金等离子弧增材制造过程，其中离子气中氮气电离，产生离子的氮，离子态的氮在等离子弧作用下附着于熔池表面，等离子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氮带入进熔池内部，离子态的氮与熔融态钛在原位反应生成具有氮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，通过控制中心关闭保护气体和等离子焊机等装置开关，等离子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氮气氩气的流量范围，控制不同的氮气氩气比，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。

一种氮元素原位强化的梯度钛合金等离子弧增材制造方法，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：控制钛合金焊丝与所述待加工的钛合金基板的角度为30°，使所述焊丝位于所述等离子焊枪的正下方，并通过控制中心调节送丝机构的送丝速度。

步骤3：打开氮气瓶和氩气瓶，提供氮气氩气混合配比的离子气和保护气体氩气，并调节离子气中所述氮气的流量和所述氩气的不同流量配比。

步骤4：在控制中心启动等离子焊机，等离子焊枪产生等离子弧，所述离子气中氮气电离后形成离子态的氮，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氮化钛增强相的试件。

如图3所示，钨极11位于等离子焊枪中，制造过程中产生等离子弧13，保护气体12为反应提供保护，离子气18提供所需混合配比的离子气，离子气18中氮气电离形成离子态的氮17，附着于熔池16的表面，钛合金焊丝13在等离子弧14的作用下呈熔融状态铺展于待加工的钛合金基板15上，离子态的氮与熔融状态的钛合金原位结合生成氧化钛增强相，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，并且通过调节气体配比器，控制不同的混合配比的离子气，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 (12)

1.一种氮元素原位强化的钛合金等离子弧增材制造方法，其特征在于，所述方法包括：控制中心4与可控工台5、等离子焊机9、送丝机构1相连接；氮气瓶6、氩气瓶7与气体配比器8连接后输出至等离子焊机9离子气入口，氩气瓶7同时与等离子焊机9保护气入口连接；送丝机构1将焊丝通过送丝臂2由送丝嘴3送至待加工钛合金基板上方。

2.根据权利要求书1所述的氮元素原位强化的梯度钛合金等离子弧增材制造方法，其特征在于：所述送丝机构将所述焊丝送至等离子焊枪正下方，焊丝在等离子弧热源作用下呈熔融态；所述离子气中氮气发生电离，离子态的氮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等离子弧热源的定向移动，带动熔池内部熔融态钛合金的流动，离子态氮进入熔池内部与熔融态的钛在原位发生反应生成具有氮化钛增强相的试件，实现对材料制备过程中的强化。

3.根据权利要求书1所述的氮元素原位强化的梯度钛合金等离子弧增材制造方法，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90-180mm/min。

4.根据权利要求书1所述的氮元素原位强化的梯度钛合金等离子弧增材制造方法，其特征在于：所述等离子焊机在增材制造过程中，通过控制中心调节其电流为20-50A。

5.根据权利要求书1所述的氮元素原位强化的梯度钛合金等离子弧增材制造方法，其特征在于：所述的送丝机构将焊丝送出，且送出角度与水平基板成30°角，丝高为0。

6.根据权利要求书5所述的氮元素原位强化的梯度钛合金等离子弧增材制造方法，其特征在于：所述控制中心发送控制指令调节所述送丝机构送丝速度为90-180cm/min。

7.根据权利要求书5所述的氮元素原位强化的梯度钛合金等离子弧增材制造方法，其特征在于：所述焊丝为钛合金焊丝。

8.根据权利要求书1所述的氮元素原位强化的梯度钛合金等离子弧增材制造方法，其特征在于：所述氮气瓶和氩气瓶，用于向过程中所述等离子焊机中输入氮气氩气混合离子气和氩气保护气，其中离子气中氮气电离后与熔融态钛合金反应生成具有氮化钛增强相的钛合金试件，氩气对反应过程进行保护。

9.根据权利要求书1所述的氮元素原位强化的梯度钛合金等离子弧增材制造方法，其特征在于：所述气体配比器，用于将输送来的氮气与氩气进行配比后输出离子气，从而实现不同的钛合金强化效果。

10.根据权利要求书8所述的氮元素原位强化的梯度钛合金等离子弧增材制造方法，其特征在于：通过所述控制中心调节所述保护气体流量调节为0-10L/min。

11.根据权利要求书8所述的氮元素原位强化的梯度钛合金等离子弧增材制造方法，其特征在于：所述离子气流量为0.2-1L/min。

12.根据权利要求书9所述的氮元素原位强化的梯度钛合金等离子弧增材制造方法，其特征在于：所述气体配比器所配离子气中氮气流量为0.1-1L/min，其余气体均为氩气或不含氩气。