CN111545914B - 一种基于光内送粉激光加工喷头增材制备钛合金的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种基于光内送粉激光加工喷头增材制备钛合金的方法，属于钛合金制备技术领域。本发明的方法确保增材过程中Lt≤Lq；所述Lq为粉末中心到保护气体最外侧的距离；Lt为粉末中心到增材过程中成形件温度为400℃部位的最大距离。本发明的方法为通过闭环控制的手段确保增材过程中Lt≤Lq，即保证保护气体能够充分保证覆盖增材过程中成形件的高温区，避免增材过程中由于热量累积导致局部温度过高、不可控，保证了最终钛合金的成分均一、性能稳定。实施例的数据表明：实施例所得钛合金成形件表面呈现光亮的银白色，在堆积高度达到40mm时，仍未见明显的氧化变色；同时，成形件内部各处氧元素含量均低于1000ppm。

Description

一种基于光内送粉激光加工喷头增材制备钛合金的方法
技术领域
本发明涉及钛合金制备技术领域，尤其涉及一种基于光内送粉激光加工喷头增材制备钛合金的方法。
背景技术
钛合金具有高低温性能好，耐腐蚀性能优异，比强度高等优良特性，并已广泛应用于航空航天、医疗等领域，但是传统的铸、锻、轧制等手段在加工时存在材料利用率低以及加工困难的问题。采用增材制造方法进行钛合金零件的成形可以大幅度提高材料利用率，但是由于钛合金化学活性大，极易与空气中的氧气发生氧化反应，从而导致成形件性能的急剧下降。目前，关于钛合金的增材成形制造，主要是在惰性气体封闭箱内进行。在加工前，首先需要向封闭箱内通入高浓度惰性气体，待惰性气体到达一定浓度时，再进行零件的加工和成形。
授权公告号为CN107952956B的发明专利，提出了一种用于激光增材制造的气氛保护系统及激光增材制造设备，通过密封装置以及滑动构件，将加工部位进行包围，通入高浓度惰性气体，从而实现活泼金属的激光增材制造。公开号为CN107130239A的发明专利申请，公开了一种局部气氛保护金属或合金激光熔覆及成形方法，通过外围惰性保护气体，对下方熔覆部位进行吹气保护，实现开放环境下对金属或合金的激光熔覆及成形；公开号为CN109468637A的发明专利申请，公开了一种激光熔覆装置及激光熔覆成形方法，通过同心锥筒形状的保护喷嘴实现开放环境下的钛合金激光熔覆。
但是上述钛合金激光增材制造过程中存在热累积现象严重的问题，导致成形零件氧化程度不一，组织分布不均匀，使得成形件性能下降。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种开放环境下直接成形钛合金零件的方法，本发明的方法确保增材过程中的高温易氧化区域长度Lt始终小于等于惰性气体保护长度Lq，以保证气流的保护效果，使最终成形件氧化程度均一、组织分布均匀。
为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
一种基于光内送粉激光加工喷头增材制备钛合金的方法，确保增材制备过程中Lt≤Lq；所述Lq为粉末中心到保护气体最外侧的距离；Lt为粉末中心到增材过程中成形件温度为400℃部位的最大距离。
优选地，所述Lq通过公式I计算得到：
Lq＝-20.21817+2.09445*Q-0.04295*Q2+3.45112*10-4*Q3 公式I；
其中，Q为保护气体流量，L/min。
优选地，所述保护气体流量的有效区间为18～50L/min。
本发明提供了一种基于光内送粉激光加工喷头增材制备钛合金的方法，确保增材制备过程中Lt≤Lq；所述Lq为粉末中心到保护气体最外侧的距离；Lt为粉末中心到增材过程中成形件温度为400℃部位的最大距离。本发明的方法确保增材过程中Lt≤Lq，以保证保护气体能够充分覆盖增材过程中成形件的高温区，避免增材过程中局部温度过高、不可控，使最终成形件氧化程度均一、组织分布均匀、性能稳定。实施例的数据表明：实施例所得钛合金成形件表面呈现光亮的银白色，在堆积高度达到40mm时，仍未见明显的氧化变色；同时，成形件内部各处氧元素含量均低于1000ppm。
附图说明
图1为光内送粉激光加工喷头的结构示意图；
图2为开放环境下合成钛合金成形件的系统示意图；
图3为Lt和Lq距离示意图；
图4为本发明基于光内送粉激光加工喷头增材制备钛合金的方法流程图；
图5为实施例所得钛合金成形件的照片；
图6为实施例所得钛合金成形件取样示意图。
具体实施方式
本发明提供了一种基于光内送粉激光加工喷头增材制备钛合金的方法，确保增材制备过程中Lt≤Lq；所述Lq为粉末中心到保护气体最外侧的距离；Lt为粉末中心到增材过程中成形件温度为400℃部位的最大距离。
本发明提供的方法依赖于光内送粉激光加工喷头，下面就所述光内送粉激光加工喷头的结构进行介绍。在本发明中，所述光内送粉激光加工喷头的结构如图1所示。图1中，所述光内送粉激光加工喷头包括呈同心锥筒结构的壳体，设置在所述壳体内的送粉通道、惰性准直气通道、激光束通道以及惰性气体保护罩，所述送粉通道设置在所述壳体的中心位置，所述惰性准直气通道、激光束通道以及惰性气体保护罩依次围绕在所述送粉通道的外周面上。
在本发明中，所述光内送粉激光加工喷头进行增材时的方法优选包括以下步骤：
金属或者合金粉末由惰性载体气体输送并随聚焦激光束在加工面移动；
在所述金属或合金粉束的外围依次形成有惰性准直气体和惰性保护气体。
具体的，所述金属或合金粉束、惰性载体气体、惰性准直气体、惰性保护气体与所以聚焦激光束同轴线，且喷射方向一致。
所述惰性准直气体呈锥形或柱形，且所述惰性准直气体的流量为3～10L/min。所述惰性保护气体呈锥形或柱形，且所述惰性保护气体的流量为18～50L/min。所述惰性载体气体、惰性准直气体和惰性保护气体各自独立选自氦、氖、氩、氪或氙中的一种或多种。
在本发明中，所述光内送粉激光加工喷头的结构实现了闭环，可以通过惰性气体的流量来控制惰性气体的保护长度。
在本发明中，所述光内送粉激光加工喷头在使用时需要置于开放环境下直接合成钛合金零件的系统，所述开放环境下直接合成钛合金零件的系统如图2所示。图2中，所述开放环境下直接合成钛合金零件的系统包括激光器、机器人系统、送粉装置、控制系统、光内送粉激光加工喷头、红外热像仪以及流量控制元件。
下面结合图1中光内送粉激光加工喷头介绍本发明的方法。
其中图3为Lt和Lq距离示意图，在本发明中，所述Lq为粉末中心到保护气体最外侧的距离。在本发明中，对于增材过程中成形件中可能会存在局部温度为400℃以上，也就是说成形件的温度分布并不是均匀的，本发明的Lt所要监测的是粉末中心到增材过程中成形件温度为400℃部位的最大距离。在本发明中，所述Lt需要实时监测，所述检测用仪器优选为红外热像仪。
在本发明中，所述Lq优选通过公式I计算得到：
Lq＝-20.21817+2.09445*Q-0.04295*Q2+3.45112*10-4*Q3 公式I；
其中，Q为保护气体流量，L/min；Lq的单位为mm。
在本发明中，所述保护气体流量的有效区间优选为18～50L/min。
在本发明中，首先根据粉末材料物性参数确定初始加工参数，所述初始加工参数包括保护气体流量、层间冷却时间、激光功率；基于保护气体流量根据公式I计算Lq，然后实时监测增材过程中成形件的温度以实时获取Lt，若始终满足Lq>Lt，则继续加工过程直至加工完成；当加工过程中所述Lq和Lt的关系不满足Lq≥Lt时，本发明优选通过降低激光功率或增加层间冷却时间或增大保护气流量的方法以使Lq和Lt满足上述关系，然后继续加工过程直至完成或再次出现不满足Lq>Lt的情况。在本发明中，降低激光功率和增加层间冷却时间是为了通过减小粉末中心到增材过程中成形件温度为400℃部位的最大距离Lt的数值，以使Lt和Lq的关系满足要求。在本发明中，增加保护气体流量，是通过增大粉末中心到保护气体最外侧的距离Lq，以使Lt和Lq的关系满足要求。在本发明中，无论是通过调整Lt的数值还是通过调整Lq的数值，只要能够使Lq和Lt的数值满足要求均可取。
图4为本发明基于光内送粉激光加工喷头增材制备钛合金的方法流程图；1、提供初始加工参数，进行第一层熔覆，其中，激光功率P、保护气流量Q、冷却时间T；2、根据公式计算Lq，采用红外热像仪监测Lt；3、若Lq<Lt，此时降低激光功率或增加层间冷却时间或增大气体流量，并重复步骤2；若Lq≥Lt，说明保护气体可进行有效保护，则继续下一道加工过程直至完成。
下面结合实施例对本发明提供的基于光内送粉激光加工喷头增材制备钛合金的方法进行详细的说明，但是不能把它们理解为对本发明保护范围的限定。
实施例
在开放环境下，应用光内送粉激光加工喷头，进行横向共8道，纵向共90层的钛合金连续增材成形，初始激光功率为1050W，采用30L/min的保护气流量，可得到13.52mm的惰性气体保护长度。根据红外热像仪监测结果，高温易氧化区域长度在堆积层数为30、46、67、85时超出惰性气体保护长度。因此，分别在30层将激光功率降为950W，46层降为920W，67层降为890W，85层降为850W，最终得到尺寸为长×宽×高＝50mm×12mm×40mm的钛合金成形件。成形件各表面呈现光亮的银白色。
所述钛合金的粉末成分如表1所示。
表1钛合金粉末成分表
Figure BDA0002503746570000051
图5为所得钛合金成形件的照片，从图5可以看出：钛合金成形件表面呈现光亮的银白色，在堆积高度达到40mm时，仍未见明显的氧化变色，说明应用所述方法进行开放环境下的钛合金激光增材成形，能够获得较好的成形质量。
根据图6所示对得到的钛合金成形件进行取样，检测钛合金成形件的氧元素含量，结果如表2所示。
表2氧元素含量
Figure BDA0002503746570000052
从表2可以看出：本实施例制备的钛合金成形件内部各处氧元素含量均低于1000ppm，说明使用本发明的钛合金增材方法可实现开放环境下的钛合金连续成形，气体保护效果良好，成形件氧化发生较少。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种基于光内送粉激光加工喷头增材制备钛合金的方法，其特征在于，确保增材制备过程中Lt≤Lq；所述Lq为粉末中心到保护气体最外侧的距离；Lt为粉末中心到增材过程中成形件温度为400℃部位的最大距离；
所述Lq通过公式I计算得到：
Lq＝-20.21817+2.09445*Q-0.04295*Q2+3.45112*10-4*Q3 公式I；
其中，Q为保护气体流量，L/min；
所述保护气体流量的有效区间为18～50L/min。
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