CN110539000A - 钛合金构件及其制备方法 - Google Patents

钛合金构件及其制备方法 Download PDF

Info

Publication number
CN110539000A
CN110539000A CN201910935964.8A CN201910935964A CN110539000A CN 110539000 A CN110539000 A CN 110539000A CN 201910935964 A CN201910935964 A CN 201910935964A CN 110539000 A CN110539000 A CN 110539000A
Authority
CN
China
Prior art keywords
titanium alloy
percent
sheath
less
component
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN201910935964.8A
Other languages
English (en)
Other versions
CN110539000B (zh
Inventor
车洪艳
秦巍
王彩芹
梁晨
黄赞军
王铁军
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Advanced Technology and Materials Co Ltd
Original Assignee
Advanced Technology and Materials Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Advanced Technology and Materials Co Ltd filed Critical Advanced Technology and Materials Co Ltd
Priority to CN201910935964.8A priority Critical patent/CN110539000B/zh
Publication of CN110539000A publication Critical patent/CN110539000A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN110539000B publication Critical patent/CN110539000B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F3/00—Manufacture of workpieces or articles from metallic powder characterised by the manner of compacting or sintering; Apparatus specially adapted therefor ; Presses and furnaces
    • B22F3/12—Both compacting and sintering
    • B22F3/14—Both compacting and sintering simultaneously
    • B22F3/15—Hot isostatic pressing
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F10/00—Additive manufacturing of workpieces or articles from metallic powder
    • B22F10/20—Direct sintering or melting
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F10/00—Additive manufacturing of workpieces or articles from metallic powder
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B33—ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
    • B33Y—ADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
    • B33Y10/00—Processes of additive manufacturing
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B33—ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
    • B33Y—ADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
    • B33Y80/00—Products made by additive manufacturing
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C14/00—Alloys based on titanium
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F3/00—Manufacture of workpieces or articles from metallic powder characterised by the manner of compacting or sintering; Apparatus specially adapted therefor ; Presses and furnaces
    • B22F3/12—Both compacting and sintering
    • B22F3/14—Both compacting and sintering simultaneously
    • B22F3/15—Hot isostatic pressing
    • B22F2003/153—Hot isostatic pressing apparatus specific to HIP
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P10/00—Technologies related to metal processing
    • Y02P10/25—Process efficiency

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Powder Metallurgy (AREA)

Abstract

本发明属于合金构件制备领域，具体涉及一种钛合金构件及其制备方法，钛合金构件采用钛合金原料制备，首先采用近净成形方法设计制备包套，使包套的型腔与钛合金构件的形状接近；然后对包套进行钛合金原料的填装，最后进行热等静压处理，去除包套即可得到构件坯料；再对构件坯料进行微量机加工整形即得到构件的成品。采用激光CMT复合低热量输入快速打印技术，不仅能够快速的打印出复杂多变内腔和构件形状近似的包套，且包套尺寸精度高，大大节约了包套的制造时间、节省制造成本。采用高精度的包套结合热等静压技术制备的构件坯料加工余量小，原料利用率高，生产周期短，性价比高。

Description

钛合金构件及其制备方法
技术领域
本发明属于合金构件制备领域，具体涉及一种钛合金构件及其制备方法。
背景技术
翼根后梁垂直十字接头(以后简称十字接头)是飞机上常见的承力关键部件，承受着飞机长桁筋、框内外缘条筋、腹板等连接作用，在飞机的制造过程中该类型的构件所需数量和种类非常多，结构比较复杂，尺寸大，易变形。通常对十字接头的制备方法是通过模锻的方式，把钛合金毛坯锻造成产品粗略大致形状，最后机加工获得最终产品。锻造的过程中需要使用重型液压锻造装备，且需要制造大规格的锻造模具，锻造后的构件机加工余量大，材料利用率低，生产周期长，制造成本高。
最近发展起来的增材制造技术，以合金粉末为原料，通过激光熔覆逐层堆积或激光3D打印成合金产品，可用在十字接头的近净成形制备上。具有制造周期短、原材料利用率高的优势，但该制造方法具有原料价格高，设备昂贵，激光成形件组织不均匀，易变形开裂，内部缺陷难以控制等缺点，制约了增材制造在航空领域的应用。增材制造技术中，还有采用CMT冷金属过渡打印方法，但冷金属过渡焊接工艺窗口窄，焊接速度慢，制造周期长，变形量大，影响制造薄壁包套效率和质量。
热等静压(Hot Isostatic Pressing，HIP)工艺是将制品放置到密闭的容器中，向制品施加各向同等的压力，同时施以高温，在高温高压的作用下，制品得以烧结和致密化。热等静压是高性能材料生产和新材料开发不可或缺的手段；热等静压可以直接粉末成型，粉末装入包套中(类似模具作用)，包套可以采用金属或陶瓷制作(低碳钢、Ni、Mo、玻璃等)，然后使用氮气、氩气作加压介质，使粉末直接加热加压烧结成型的粉末冶金工艺；或者将成型后的铸件包括铝合金、钛合金、高温合金等缩松缩孔的铸件进行热致密化处理，通过热等静压处理后，铸件可以达到100％致密化，提高铸件的整体力学性能。为了使得到的构件尺寸接近成品尺寸，需要包套的尺寸精准可控，而我们传统的机械加工部件包套的方法，先对钢板进行机加工，再装配焊接，在焊接的过程中热输入量较高，还要考虑到包套的变形，进行焊前反变形装配和焊后矫正，对于制备结构也比较复杂的包套，费时、费力、制造成本高。
因此，需要提供一种针对上述现有技术不足的钛合金构件及其制备方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种钛合金构件及其制备方法，以至少解决目前常用的锻造工艺生产的钛合金构件比如十字接头所用材料利用率低，工艺复杂，生产周期长，而用增材制造工艺生产的对十字接头原料价格高，性能不稳定等问题。
为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种钛合金构件的制备方法，所述钛合金构件采用钛合金原料制备，所述制备方法包括如下步骤：
步骤S1，制备包套，采用近净成形方法设计包套，以使包套的型腔与所述钛合金构件的形状接近；
步骤S2，填装，
向所述包套内填装所述钛合金原料，并对包套进行封装，形成包套组装件；
步骤S3，热等静压，
将步骤S2得到的所述包套组装件进行热等静压处理，然后去除所述包套，得到构件坯料；
步骤S4，机加工整形，
对所述构件坯料进行机加工整形，得到构件的成品。
在如上所述的钛合金构件的制备方法中，作为优选方案，所述钛合金原料为TC4钛合金粉末或者TA15钛合金粉末；优选地，按质量百分比计，所述TC4钛合金粉末包括如下组分：铝5.50-6.75％、钒3.50-4.50％、氧0.13-0.18％、氮＜0.04％、氢＜0.012％、铁＜0.30％、碳＜0.10％、锡＜0.10％、钼＜0.10％、铜＜0.10％、镁＜0.10％、锆＜0.10％，余量为钛；按质量百分比计，所述TA15钛合金粉末包括如下组分：铝5.5-7.0％、钒0.8-2.5％、锆1.5-2.5％、氧＜0.15％、氮＜0.05％、氢＜0.015％、铁＜0.25％、碳＜0.10％、铜＜0.10％、镁＜0.10％、硅＜0.15％，余量为钛。
在如上所述的钛合金构件的制备方法中，作为优选方案，所述包套采用3D打印技术制得；优选地，所述3D打印技术为基于激光CMT复合低热量输入快速打印技术。
在如上所述的钛合金构件的制备方法中，作为优选方案，所述包套包括上盖板、下底板和筒体，所述上盖板和下底板分别盖设在所述筒体的两端开口处；所述上盖板上设置有抽气口；优选地，所述上盖板和下底板均选用钢板制备，所述筒体采用3D打印技术制得；优选地，所述上盖板和所述下底板均为Q235钢板；优选地，所述上盖板的抽气口处设置有抽真空管；进一步优选地，所述抽真空管上设置有阀门。
在如上所述的钛合金构件的制备方法中，作为优选方案，所述步骤S1包括：
步骤S11，根据所述钛合金构件的尺寸，选择合适尺寸的钢板作为下底板；
步骤S12，使用3D打印技术，按照预设的轨迹，在下底板的上表面打印筒体，制得组合件；
步骤S14，选择合适尺寸的钢板作为所述上盖板，所述上盖板的尺寸与所述筒体的上部开口尺寸相匹配，在所述上盖板上设置抽气口；
优选地，所述包套原料为低合金钢或碳钢焊丝，更优选为ER50-6实芯焊丝，焊丝规格优选为Φ0.9-1.6mm；
步骤S12的所述3D打印技术在打印筒体过程中采用的参数如下：保护气体为100％的CO2气体；摆动频率设置为50-200Hz，电流为60-120A，电压为20-30V，打印速度0.5-1.5m/min，气体流量20-30L/Min；优选地，激光功率为2000W，激光光斑直径为1-3mm；
优选地，在所述步骤S14之前还包括如下步骤：
步骤S13，对所述步骤S12制得的筒体内表面进行喷砂处理。
在如上所述的钛合金构件的制备方法中，作为优选方案，所述步骤S2具体操作如下：
在所述组合件的型腔内填充钛合金原料，并经震动装满、装实处理后，将所述上盖板焊接在所述筒体的上部开口处，形成密封的装有钛合金原料的包套组装件。
在如上所述的钛合金构件的制备方法中，作为优选方案，所述步骤S3前还包括如下步骤：
脱气步骤，将步骤S2中得到的包套组装件进行脱气处理；优选地，所述脱气处理的温度为300-600℃，保温时间为5-48小时，抽真空至10-5-10-2Pa。
在如上所述的钛合金构件的制备方法中，作为优选方案，所述步骤S3中去除所述包套的具体操作方法如下：
首先，将所述包套上容易机加工去除的部位采用机加工的方式去除，然后采用酸洗的方法去除包套的剩余部分。
在如上所述的钛合金构件的制备方法中，作为优选方案，所述热等静压处理的温度为800-1000℃，压力为100-200MPa，保温保压时间为1-10h。
采用上述任一项所述方法制备的钛合金构件；优选地，所述钛合金构件为翼根后梁垂直十字接头。
与最接近的现有技术相比，本发明提供的技术方案具有如下优异效果：
本发明提供的钛合金构件及其制备方法，采用TC4钛合金或者TA15钛合金作为原料，通过热等静压的成型加工方法制备出钛合金构件，该构件结构致密、材料组织均匀、晶粒细小、各项同性好，性能等同或者高于同牌号的钛合金锻造材料。采用激光CMT复合低热量输入快速打印技术制得热等静压所需的包套，不仅能够快速的打印出复杂多变内腔和构件形状近似的包套，且打印过程中包套尺寸精度高，大大节约了包套的制造时间、节省制造成本。采用高精度的包套结合热等静压技术制备的构件坯料加工余量小，原料利用率高，生产周期短，性价比高。同时该制备方法防止了构件的过量变形。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
其中：
图1为本发明实施例的包套结构示意图；
图2为本发明实施例的包套主视图；
图3为图2中的A-A剖视图；
图4为本发明实施例的包套结构俯视图；
图5为本发明实施例的构件坯料结构示意图；
图6为本发明实施例的钛合金构件结构示意图。
图中：1、包套；101、上盖板；102、筒体；103、下底板；2、构件坯料；3、构件；4、抽真空管。
具体实施方式
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。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。
在本发明的描述中，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明而不是要求本发明必须以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。本发明中使用的术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间部件间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
根据本发明的具体实施例，如图1至图6所示，本发明提供一种钛合金构件3，该构件3采用钛合金原料制备，钛合金原料为TC4钛合金粉末或者TA15钛合金粉末。
优选地，按质量百分比计，TC4钛合金包括如下组分：铝5.50-6.75％、钒3.50-4.50％、氧0.10-0.18％、氮＜0.04％、氢＜0.012％、铁＜0.30％、碳＜0.10％、锡＜0.10％、钼＜0.10％、铜＜0.10％、镁＜0.10％、锆＜0.10％，余量为钛；优选氧含量为0.13-0.18％。
按质量百分比计，TA15钛合金包括如下组分：铝5.5-7.0％、钒0.8-2.5％、锆1.5-2.5％、氧＜0.15％、氮＜0.05％、氢＜0.015％、铁＜0.25％、碳＜0.10％、铜＜0.10％、镁＜0.10％、硅＜0.15％，余量为钛，优选氧含量为0.1-0.14％。
在本发明中使用的钛合金原料，碳、氢、氧、氮等元素对材料的性能有很大的影响，合适的含量将能够为材料提供很高的强度，而不会降低塑性，但是过量将会使塑性急剧降低，发生脆性转变。因此为了得到力学性能更加优异的钛合金构件，本发明中所用钛合金粉末的化学成分如上面优选方案所示。如下表1为各种加工方法加工出来的构件性能参数。
表1 各种加工方法加工出来的构件性能比较
制备工艺 Rm/MPa Rp<sub>0.2</sub>/MPa A/％ Z/％
常规锻造 890-980 750-900 10-16 25-42
激光3D打印 900-1150 / 3-10 /
本发明热等静压方法 900-1100 800-950 10-20 25-48
上表1中，Rm表示的是抗拉强度，Rp0.2表示屈服强度，A表示延伸率，Z表示断面收缩率。
激光3D打印是将TC4钛合金粉末放在功率为200-300W的激光下熔覆成型的，激光3D打印虽然快速成型，而且形状灵活多样，但和铸造类似，容易出现气孔、疏松等缺陷，虽然抗拉强度也能达到很高，但是延伸率很低，塑性极差。3D打印完成后需要进行热等静压的致密化处理，所以对于航天关键的零部件不考虑3D打印的形式来完成。
本发明还提供上述钛合金构件3的制备方法，本发明方法特别适用于制备复杂结构的钛合金构件，比如飞机上承力用且结构复杂的钛合金构件，更具体为翼根后梁垂直十字接头钛合金构件。
在本发明制备方法的优选实施方式中，该方法具体包括如下步骤：
步骤S1，制备包套1，使包套1的型腔与构件3的形状相对应(采用近净成型技术进行包套设计，包套型腔结构尽可能的接近钛合金构件的结构)；包套1采用3D打印设备打印制得，3D打印设备为CMT(Cold Metal Transfer，冷金属过渡焊接技术)焊接设备和激光焊接设备相复合，主要利用CMT焊机和激光发生器提供的稳定热源输出，金属焊丝作为增材材料，自动送丝，实现每一层堆焊的冶金结合，同时提高打印速度，成型美观。型腔即包套的内腔。进一步地，上盖板101和下底板103均选用钢板制备，筒体102采用3D打印设备打印制得，本发明以翼根后梁垂直十字接头钛合金构件的制备为例，该构件3包括连接横板、连接宽板和倾斜连接板，连接宽板的一侧边与连接横板的中线垂直连接，倾斜连接板的一侧边与连接横板的中线连接，倾斜连接板和连接宽板分别位于连接横板的两侧，该构件3中连接横板、连接宽板和倾斜连接板的顶端位于同一水平面，底端也位于同一水平面。其筒体102的结构为多个侧壁相互围合形成两端开口的型腔，型腔的上端面、下端面均与筒体102的侧壁垂直，型腔的高度与构件3的高度相同，该包套型腔的结构与构件3非常接近。CMT技术实现了无电流状态下的熔滴过渡。当短路电流产生，焊丝即停止前进并自动地回抽，促进熔滴的脱落，焊接速度可达300-500mm/min，能够明显地提高焊接效率。CMT焊接设备送丝过程受控并且和电弧过程相结合，可以机械检测弧长并快速调节，这使得CMT的电弧非常的稳定。在这种方式中，电弧自身输入热量的过程很短，短路发生，电弧即熄灭，热输入量迅速地减少，可以获得最低能量的输入。结合2000W的激光电源，1-3mm的激光光斑，提高打印过程中熔滴过渡过程稳定性，焊接速度可达600-1200mm/min，不仅能够快速的打印出复杂多变内腔和构件形状近似的包套1，还能省时、省力、节省制造成本。
焊丝的种类选择主要取决于包套材质，规格取决于包套厚度。在本发明的具体实施例中，焊丝采用低合金钢或碳钢焊丝，本发明采用ER50-6实芯焊丝，焊丝规格Φ0.9-1.6mm，保护气体为100％的CO2气体，下底板103采用5-15mm厚的Q235钢板，根据构件3的尺寸确定下底板103的尺寸。打印规范：激光光源的摆动频率设置为50-200Hz(比如50Hz、100Hz、150Hz、200Hz)，电流为60-120A(比如65A、70A、75A、80A、85A、90A、95A、100A、105A、110A、115A)，电压为20-30V(比如21V、22V、23V、24V、25V、26V、27V、28V、29V)，激光功率2000W，激光光斑直径1-3mm(比如1.5mm、2.0mm、2.5mm)，打印速度0.5-2.0m/min(比如0.6m/min、0.7m/min、0.8m/min、0.9m/min、1.0m/min、1.1m/min、1.2m/min、1.3m/min、1.4m/min)，CO2气体流量20-30L/Min(比如21L/Min、22L/Min、23L/Min、24L/Min、25L/Min、26L/Min、27L/Min、28L/Min、29L/Min)。在本实施例中，打印速度又称为焊接速度，机器人持焊枪按照设置好的轨迹进行打印，在下底板103上打印形成筒体102。采用本发明的打印工艺进行包套制备，可以制备出强度和塑性符合热等静压要求的包套，在热等静压过程中不会产生严重变形或裂痕或其他不利情况，不会影响热定静压坯料的尺寸精度，激光摆动的宽度可以根据需求调整，光束摆动，可以将熔池中的夹杂、气孔尽快上浮，减小缺陷概率，激光的等离子诱导作用，使得熔敷金属过程稳定，在更高的速度下，也可以形成稳定的熔池，且晶粒细化，性能提升同时，成型优良，减少后续机加工作量。电流、电压和打印速度等参数会对包套质量比如强度和塑性等产生较大影响，不在本发明范围内制备包套时得到的包套通常在热等静压过程中会产生严重变形或开裂，严重影响坯料尺寸的精度等。
ER50-6焊丝化学成分，C：0.06-0.15％，Mn：1.40-1.85％，Si：0.80-1.15％，S：≤0.035％，P：≤0.025％，Cu：≤0.50％；力学性能，抗拉强度：490-660MPa，屈服强度：≥375MPa，延伸率：≥22％。
上盖板和下底板可以选用和筒体相一致的材料的钢板，本发明中上盖板和下底板统一使用Q235钢板，以便容易后面步骤中酸洗去除。
进一步地，包套1包括上盖板101、下底板103和筒体102，上盖板101和下底板103分别盖设在筒体102的两端开口处；上盖板101上设置有抽气口。进一步地，上盖板101的抽气口处设置有抽真空管4。优选地，抽真空管4上设置有阀门(图未示)。该抽气口用途包套内部抽真空。
步骤S1具体包括如下步骤：
步骤S11，根据构件3的尺寸，选择合适尺寸的钢板作为下底板103。
步骤S12，使用基于CMT的3D打印设备，按照预设的轨迹以及设定好的打印参数、焊接条件和选择好的焊丝(具体如上所述)在下底板103的上表面打印筒体102制得组合件。
步骤S13，对步骤S12中制得的筒体102内表面进行喷砂处理。
由于3D打印出来的筒体内外表面有原始焊道形貌，呈波浪状不平整，筒体的内表面粗糙度值比较高，所以里面容易有杂质、油污存在，直接使用会对包套内部热等静压出来的工件内部组织结构、尺寸精度、变形程度等产生不利影响，因此需要通过喷砂处理提高表面平整度，提高工件的成型质量，在本发明的实施例中，喷砂处理后包套内表面的粗糙度优于Ra6.3。
步骤S14，选择合适尺寸的钢板作为上盖板101，上盖板101的尺寸与筒体102的上部开口尺寸相匹配，在上盖板101上设置抽气口。将带有阀门的抽真空管4安装在抽气口处。
步骤S2，填装
向包套1内填装钛合金粉末，并对包套1进行封装，形成包套组装件。
该步骤具体操作方法为：在组合件的内腔填充钛合金粉末，并通过震动装置震动装满、装实，采用TIG焊或CO2气体保护焊的方法将上盖板101焊接在筒体102的上部开口处，形成密封的装有钛合金粉末的包套组装件，钛合金粉末的震实填充密度为2.93g/cm3
脱气步骤，将步骤S2中得到的包套组装件置于脱气炉中抽真空，并进行脱气保温。此处脱气是指将包套组装件中的空气抽出，使其内部真空度达到10-5-10-2Pa，保温是指将脱气处理后的包套组装件进行升温并在特定温度下进行保温，随着温度的升高和保温的进行，粉末中吸附的气体将大幅度降低，有利于热等静压条件下粉末的致密化，避免残存少量气体。一般最终的保温的温度设置在300-600℃(比如310℃、350℃、400℃、450℃、500℃、550℃、580℃)，保温时间由包套内粉末的多少确定，一般5-48小时(比如6小时、10小时、15小时、20小时、25小时、30小时、35小时、40小时、45小时)。当该组件内的钛合金为TC4钛合金原料时，控制原料的氧含量为0.10-0.18Wt.％，优选为0.13％以上；当该组件内的钛合金为TA15钛合金原料时，控制原料的氧含量＜0.15Wt.％。氧原子与钛合金之间具有很强的亲和力，氧原子通常作为间隙原子固溶到钛合金化元素，能够改善钛和钛合金的强度，但氧含量超过一定范围，会导致钛合金脆化，因此，氧含量应该维持在合理区间内。
步骤S3，热等静压
将步骤S2中得到的包套组装件置于热等静压炉中进行热等静压处理，使包套1内的钛合金粉末致密化形成构件坯料2。由于钛合金粉末在热等静压的高温高压的特殊环境下，能够实现完全致密，制备的材料组织均匀、晶粒细小、各项同性，性能等同或者高于同牌号的钛合金锻造材料；通过近净成形设计的包套1(即包套1的内腔形状尺寸和构件3的成品尺寸相近，通过该包套1生产出来的构件坯料2加工余量小)，热等静压的构件坯料2加工余量小，原料利用率高，生产周期短，性价比高。
合适的热等静压温度有利于制备出细晶粒金属或合金，热等静压的压力最高100-200MPa(优选压力为100-200MPa，比如110MPa、120MPa、130MPa、140MPa、150MPa、160MPa、170MPa、180MPa、190MPa)，保温保压时间根据样件的大小和尺寸而定，一般1-10小时。对于本发明选用的TC4钛合金和TA15钛合金，优选热等静压温度为800-1000℃(比如820℃、840℃、860℃、880℃、900℃、820℃、940℃、960℃、980℃)，压力为130-180Mpa(比如140MPa、150MPa、160MPa、170MPa)。
步骤S4，机加工整形
去除包套1，首先，将包套1上容易机加工去除的部位(比如上盖板101、下底板103以及筒体102的外露部分)采用机加工的方式全部去除，然后采用酸洗的方法去除包套1的剩余部分(例如筒体102的内凹等不便于机加工的部位)，得到构件坯料2，如图5和图6所示，对图5中的构件坯料2进行机加工整形，从而得到图6中构件3的成品。
实施例1
制备尺寸为长×宽×高为778mm×576mm×324mm的飞机用钛合金构件3，如图6所示。
选取TC4钛合金粉末作为原料，按质量百分比计，该原料中各组分含量如下：铝6.26％、钒4.04％、氧0.14％、氮<0.003％、氢<0.001％、铁0.048％、碳0.013％、余量为钛。
步骤S1，制备包套1，焊丝采用Φ1.2mm的ER56实心焊丝，保护气体为100％的CO2气体，下底板103采用30mm厚Q235钢板，根据构件3的尺寸确定下底板103的尺寸。打印规范：摆动频率设置为50-200Hz，电流为80-100A，电压为22-24V，激光功率为2000W，激光光斑直径为1-3mm，打印速度1.0-1.2m/min，气体流量25L/Min。机器人持焊枪按照设置好的轨迹进行打印，在下底板103上打印形成筒体102。整个包套1打印过程中耗时6个小时。而采用钢板装配焊接制备包套1，为了预防钢板的焊接变形，每焊接一个部位后需要将包套1制件冷却至165℃以下，冷却耗时较长，尤其是夏季，环境温度较高，冷却速度更慢，焊接完成一个包套1至少需要24小时。
步骤S2，填装
在组合件的内腔填充钛合金粉末，并通过震动装置震动装满、装实，粉末的震实填装密度为2.93g/cm3将上盖板101焊接在筒体102的上部开口处，形成密封的装有钛合金粉末的包套1组装件。
脱气步骤，将步骤S2中得到的包套1组装件置于脱气炉中抽真空，并进行脱气保温，脱气温度为300℃，脱气保温时间为4小时。
步骤S3，热等静压
将步骤S2中得到的包套1组装件置于热等静压炉中进行热等静压处理，热等静压温度为880℃，压力为130MPa，保压时间为3小时，使包套1内的钛合金粉末致密化形成构件坯料2。
步骤S4，机加工整形
首先，将包套1上容易机加工去除的部位(比如上盖板101、下底板103以及筒体102的外露部分)采用机加工的方式去除，然后采用酸洗的方法去除包套1的剩余部分(例如筒体102的内凹等不便于机加工的部位)，得到构件坯料2，对构件坯料2进行机加工整形，从而得到尺寸为长×宽×高为778mm×576mm×324mm的飞机用钛合金构件3，该实施例方法制备的钛合金结构件3的抗拉强度Rm为950MPa，屈服强度Rp0.2885MPa，延伸率A为18％，断面收缩率Z为40％。
实施例2、实施例3
制备如实施例1中尺寸要求的飞机用钛合金构件3，在本实施例中，仅热等静压的温度不同于实施例1，其他工艺参数与实施例1相同，具体为：实施例2中的热等静压温度设置为900℃，实施例3中的热等静压温度设置为925℃；实施例1至实施例3中制备的钛合金结构件3的力学性能见下表：
由实施例1至3可知，在880℃-925℃进行热等静压处理时，抗拉强度和屈服强度均随温度的升高而降低，而塑性却随温度一同升高。合金的断口形貌均为韧性断裂，表面分布大量韧窝，且韧窝随热等静压的温度升高愈加的大而深。较之900℃、925℃，热等静压温度为880℃时，TC4钛合金的综合力学性能更佳。
实施例4、实施例5
制备如实施例1中尺寸要求的飞机用钛合金构件3，在本实施例中，仅合金原料中的含氧量不同于实施例1，其他工艺参数与实施例1相同，具体含氧量以及制备的钛合金结构件3的力学性能见下表：
由实施例1、实施例4和实施例5可知，氧含量对TC4钛合金力学性能影响较为显著，在热等静压过程中氧原子会作为间隙原子，固溶到TC4钛合金的α相中，起到固溶强化的作用，因此氧含量在0.10％-0.16％的范围内，抗拉强度和屈服强度随氧含量的增加而升高，塑性则随氧含量的增加而降低。
综合热等静压温度和氧含量对钛合金的影响，氧含量为0.16％的TC4钛合金粉末在880℃热等静压温度下进行致密化处理的TC4钛合金的综合力学性能最优。
实施例6
制备如实施例1中尺寸要求的飞机用钛合金构件，在包套1制备过程中，打印电流设置为60-80A，打印电压为设置为20-23V，打印速度设置为0.5-1.0m/min，其余工艺参数均与实施例1相同。整个包套1打印过程中耗时9个小时。然后采用此包套1进行填装和热等静压工艺，在热等静压过程中，包套1未出现变形或者开裂，热等静压后产生的构件坯料满足尺寸精度要求。
实施例7
制备如实施例1中尺寸要求的飞机用钛合金构件，在包套1制备过程中，打印电流设置为100-120A，打印电压为设置为24-30V，打印速度设置为1.2-1.5m/min，其余工艺参数均与实施例1相同。整个包套1打印过程中耗时5个小时。然后采用此包套1进行填装和热等静压工艺，在热等静压过程中，包套1未出现变形或者开裂，热等静压后产生的构件坯料满足尺寸精度要求。
对比例1
制备如实施例1中尺寸要求的飞机用钛合金构件，在包套1制备过程中，打印电流设置为30-50A，打印电压为设置为10-15V，打印速度设置为0.2-0.4m/min，其余工艺参数均与实施例1相同。整个包套1打印过程中耗时20个小时。然后采用此包套1进行填装和热等静压工艺，在热等静压过程中，包套1出现严重变形，且局部地方出开裂，热等静压产生的构件坯料报废。
对比例2
制备如实施例1中尺寸要求的飞机用钛合金构件，在包套1制备过程中，打印电流设置为140-150A，打印电压为设置为35-39V，打印速度设置为1.7-2.1m/min，其余工艺参数均与实施例1相同。整个包套1打印过程中耗时3.5个小时。然后采用此包套1进行填装和热等静压工艺，在热等静压过程中，包套1出现严重开裂，热等静压产生的构件坯料报废。
综上所述，本发明提供的钛合金构件及其制备方法，采用TC4钛合金或者TA15钛合金作为原料，通过热等静压的成型加工方法制备出钛合金构件，该构件结构致密、材料组织均匀、晶粒细小、各项同性好，性能等同或者高于同牌号的钛合金锻造材料。采用设置有CMT的3D打印设备打印制得热等静压所需的包套，不仅能够快速的打印出复杂多变内腔和构件形状近似的包套，且打印过程中包套尺寸精度高，大大节约了包套的制造时间、节省制造成本。采用高精度的包套结合热等静压技术制备的构件坯料加工余量小，原料利用率高，生产周期短，性价比高。同时该制备方法防止了构件的过量变形。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种钛合金构件的制备方法，其特征在于，所述钛合金构件采用钛合金原料制备，所述制备方法包括如下步骤：
步骤S1，制备包套，采用近净成形方法设计包套，以使包套的型腔与所述钛合金构件的形状接近；
步骤S2，填装，
向所述包套内填装所述钛合金原料，并对包套进行封装，形成包套组装件；
步骤S3，热等静压，
将步骤S2得到的所述包套组装件进行热等静压处理，然后去除所述包套，得到构件坯料；
步骤S4，机加工整形，
对所述构件坯料进行机加工整形，得到构件的成品。
2.如权利要求1所述的钛合金构件的制备方法，其特征在于，所述钛合金原料为TC4钛合金粉末或者TA15钛合金粉末；
优选地，按质量百分比计，所述TC4钛合金粉末包括如下组分：铝5.50-6.75％、钒3.50-4.50％、氧0.13-0.18％、氮＜0.04％、氢＜0.012％、铁＜0.30％、碳＜0.10％、锡＜0.10％、钼＜0.10％、铜＜0.10％、镁＜0.10％、锆＜0.10％，余量为钛；
按质量百分比计，所述TA15钛合金粉末包括如下组分：铝5.5-7.0％、钒0.8-2.5％、锆1.5-2.5％、氧＜0.15％、氮＜0.05％、氢＜0.015％、铁＜0.25％、碳＜0.10％、铜＜0.10％、镁＜0.10％、硅＜0.15％，余量为钛。
3.如权利要求1所述的钛合金构件的制备方法，其特征在于，所述包套采用3D打印技术制得；优选地，所述3D打印技术为激光CMT复合低热量输入快速打印技术。
4.如权利要求3所述的钛合金构件的制备方法，其特征在于，所述包套包括上盖板、下底板和筒体，所述上盖板和下底板分别盖设在所述筒体的两端开口处；
所述上盖板上设置有抽气口；
优选地，所述上盖板和下底板均选用钢板制备，所述筒体采用3D打印技术制得；
优选地，所述上盖板和所述下底板均为Q235钢板；
优选地，所述上盖板的抽气口处设置有抽真空管；进一步优选地，所述抽真空管上设置有阀门。
5.如权利要求4所述的钛合金构件的制备方法，其特征在于，
所述步骤S1包括：
步骤S11，根据所述钛合金构件的尺寸，选择合适尺寸的钢板作为下底板；
步骤S12，使用3D打印技术，按照预设的轨迹，在下底板的上表面打印筒体，制得组合件；
步骤S14，选择合适尺寸的钢板作为所述上盖板，所述上盖板的尺寸与所述筒体的上部开口尺寸相匹配，在所述上盖板上设置抽气口；
优选地，所述包套原料为低合金钢或碳钢焊丝，更优选为ER50-6实芯焊丝，焊丝规格优选为Φ0.9-1.6mm；
步骤S12的所述3D打印技术在打印筒体过程中采用的参数如下：保护气体为100％的CO2气体；摆动频率设置为50-200Hz，电流为60-120A，电压为20-30V，打印速度0.5-1.5m/min，气体流量20-30L/Min；优选地，激光功率为2000W，激光光斑直径为1-3mm；
优选地，在所述步骤S14之前还包括如下步骤：
步骤S13，对所述步骤S12制得的筒体内表面进行喷砂处理。
6.如权利要求5所述的钛合金构件的制备方法，其特征在于，所述步骤S2具体操作如下：
在所述组合件的型腔内填充钛合金原料，并经震动装满、装实处理后，将所述上盖板焊接在所述筒体的上部开口处，形成密封的装有钛合金原料的包套组装件。
7.如权利要求1-6任一项所述的钛合金构件的制备方法，其特征在于，所述步骤S3前还包括如下步骤：
脱气步骤，将步骤S2中得到的包套组装件进行脱气处理；优选地，所述脱气处理的温度为300-600℃，保温时间为5-48小时，抽真空至10-5-10-2Pa。
8.如权利要求1所述的钛合金构件的制备方法，其特征在于，所述步骤S3中去除所述包套的具体操作方法如下：
首先，将所述包套上容易机加工去除的部位采用机加工的方式去除，然后采用酸洗的方法去除包套的剩余部分。
9.如权利要求1-8任一项所述的钛合金构件的制备方法，其特征在于，所述热等静压处理的温度为800-1000℃，压力为100-200MPa，保温保压时间为1-10h。
10.采用权利要求1-9任一项所述方法制备的钛合金构件；优选地，所述钛合金构件为翼根后梁垂直十字接头。
CN201910935964.8A 2019-09-29 2019-09-29 钛合金构件及其制备方法 Active CN110539000B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201910935964.8A CN110539000B (zh) 2019-09-29 2019-09-29 钛合金构件及其制备方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201910935964.8A CN110539000B (zh) 2019-09-29 2019-09-29 钛合金构件及其制备方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN110539000A true CN110539000A (zh) 2019-12-06
CN110539000B CN110539000B (zh) 2024-02-06

Family

ID=68715074

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201910935964.8A Active CN110539000B (zh) 2019-09-29 2019-09-29 钛合金构件及其制备方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN110539000B (zh)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111321363A (zh) * 2020-03-18 2020-06-23 武汉理工大学 钛合金构件孔隙缺陷的电冲击修复处理实验方法
CN112427652A (zh) * 2020-11-02 2021-03-02 中国航空制造技术研究院 一种钛合金结构件及其制备方法
CN113941706A (zh) * 2021-10-19 2022-01-18 阳江职业技术学院 一种飞机钛合金翼根三叉接头的制备方法

Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2005171299A (ja) * 2003-12-09 2005-06-30 Toyota Motor Corp 三次元造形物の製造方法
CN102126023A (zh) * 2011-03-11 2011-07-20 北京航空航天大学 一种钛合金整体叶片盘的粉末热等静压成型方法
CN104174848A (zh) * 2013-05-24 2014-12-03 中国科学院金属研究所 一种钛合金汽车连轴杆的粉末热等静压成型方法
CN106735191A (zh) * 2016-12-20 2017-05-31 北京科技大学 一种制备粉末高速钢的方法
CN106825577A (zh) * 2016-12-20 2017-06-13 北京科技大学 一种热等静压玻璃包套的制备方法
CN107671294A (zh) * 2016-08-01 2018-02-09 通用电气公司 制作热等静压包套以及使用该包套来生产预成型件的热等静压工艺
CN109050872A (zh) * 2018-08-24 2018-12-21 中国航空工业集团公司沈阳飞机设计研究所 一种飞机框和梁的整体结构制备方法
CN109759594A (zh) * 2019-01-08 2019-05-17 钢铁研究总院 一种组合材料热等静压高通量微制造方法及其包套模具

Patent Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2005171299A (ja) * 2003-12-09 2005-06-30 Toyota Motor Corp 三次元造形物の製造方法
CN102126023A (zh) * 2011-03-11 2011-07-20 北京航空航天大学 一种钛合金整体叶片盘的粉末热等静压成型方法
CN104174848A (zh) * 2013-05-24 2014-12-03 中国科学院金属研究所 一种钛合金汽车连轴杆的粉末热等静压成型方法
CN107671294A (zh) * 2016-08-01 2018-02-09 通用电气公司 制作热等静压包套以及使用该包套来生产预成型件的热等静压工艺
CN106735191A (zh) * 2016-12-20 2017-05-31 北京科技大学 一种制备粉末高速钢的方法
CN106825577A (zh) * 2016-12-20 2017-06-13 北京科技大学 一种热等静压玻璃包套的制备方法
CN109050872A (zh) * 2018-08-24 2018-12-21 中国航空工业集团公司沈阳飞机设计研究所 一种飞机框和梁的整体结构制备方法
CN109759594A (zh) * 2019-01-08 2019-05-17 钢铁研究总院 一种组合材料热等静压高通量微制造方法及其包套模具

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
王琪等: "雾化法制备高品质钛合金粉末技术研究", 钛工业进展, vol. 27, no. 5, pages 170 - 171 *

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111321363A (zh) * 2020-03-18 2020-06-23 武汉理工大学 钛合金构件孔隙缺陷的电冲击修复处理实验方法
CN112427652A (zh) * 2020-11-02 2021-03-02 中国航空制造技术研究院 一种钛合金结构件及其制备方法
CN113941706A (zh) * 2021-10-19 2022-01-18 阳江职业技术学院 一种飞机钛合金翼根三叉接头的制备方法
CN113941706B (zh) * 2021-10-19 2022-07-19 阳江职业技术学院 一种飞机钛合金翼根三叉接头的制备方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN110539000B (zh) 2024-02-06

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN110539000B (zh) 钛合金构件及其制备方法
WO2020156224A1 (zh) 一种镁合金的丝材电弧增材制造方法
CN1111207C (zh) 压铸镍基高温合金制品
CN105385869A (zh) 高铌TiAl系金属间化合物与TC4钛合金复合构件的制备方法
CN104726756A (zh) 高性能铍铝合金及其制备方法
CN111036921A (zh) 一种大规格弥散铜棒材的制备方法
CN111069609A (zh) 适用于喷射成形超高强铝合金板材熔焊的焊丝制备工艺
CN112831698B (zh) 一种适用于激光增材制造的铝合金粉末的制备方法
CN110695361B (zh) 一种制备合金盘件的装置及方法
CN114054775B (zh) 时效强化型镍基高温合金3d打印工艺及制得的3d打印件
CN114574739B (zh) 一种3d打印铝锂合金及其应用
CN109022842B (zh) 一种一步真空吸铸制备超细组织金锡共晶合金焊片的方法
CN113231646B (zh) 基于电子束3D打印技术制备GCr15轴承钢及汽车部件的方法
CN113210830A (zh) 一种增材制造成形γ-TiAl金属间化合物的真空电子束焊接方法
CN114525508B (zh) 一种超声冲压复合电弧制备高熵合金熔覆层的方法
CN115502403A (zh) 一种大尺寸、高致密度钼靶材的制备方法
CN114941138A (zh) 一种基于激光熔覆的合金管材成型方法
CN113416872A (zh) 一种用于航天的高强高韧铝锂合金及其制备方法
CN112828306A (zh) 一种减少沉淀强化镍基高温合金热裂的激光粉床熔融成形方法
CN1258577A (zh) 一种连续铸造工艺及连铸机
JP4178070B2 (ja) 焼結用予成形体のキャニング方法およびそれによる焼結材料の製造方法
CN111197147A (zh) 一种铝合金及其加工方法
CN116422904B (zh) 一种铝合金动力电池壳的制备方法
CN110666394A (zh) 一种具有低焊接温度的钛基非晶态钎料及其制备方法
CN113277851B (zh) 一种陶瓷-金属仿生纳米复合材料及其制备方法

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant