CN111957962B - 一种用于钛合金成型的激光选区熔化的增材制造方法及增材制造装置 - Google Patents

一种用于钛合金成型的激光选区熔化的增材制造方法及增材制造装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种用于钛合金成型的激光选区熔化的增材制造方法及增材制造装置，所述的增材制造方法包括：（Ⅰ）成型舱内填满钛合金粉末，刮平钛合金粉末表面，激光束采用条带扫描的方式对零件模型的切片实体区域进行扫描熔化凝固，控制激光工艺参数；实体区域扫描融化凝固结束后，沿切片外轮廓线进行扫描熔化凝固，得到零件成型层；（Ⅱ）成型舱内的钛合金粉末下移20~40μm，补充钛合金粉末填满成型舱，激光再次熔化凝固钛合金粉末，逐层堆积直至形成完整的成型零件；（Ⅲ）在1×10‑1Pa以下的真空环境中，对增材后的成型零件加热至850~900℃，保温2~3h后随炉冷却取出。

Description

一种用于钛合金成型的激光选区熔化的增材制造方法及增材 制造装置
技术领域
本发明属于增材制造技术领域，涉及一种激光选区熔化的增材制造方法及增材制造装置，尤其涉及一种用于钛合金成型的激光选区熔化的增材制造方法及增材制造装置。
背景技术
激光选区熔化成形技术作为增材制造技术的一种实施方式，由粉床选区激光烧结技术发展而来，以金属粉末为加工原料，采用高能密度激光束将铺洒在金属基板上的粉末逐层熔覆堆积，从而形成金属零件的制造技术。其基本原理为：首先，利用切片技术将连续的三维CAD数模离散成具有一定层厚及顺序的分层切片；第二，提取每一层切片所产生的轮廓并根据切片轮廓设计合理的激光器扫描路径、激光扫描速度、激光强度等，并转换成相应的计算机数字控制程序；第三，计算机控制可升降系统上升，粉末碾轮将粉末从粉末储存室推送到零件成形室工作台上的基板，同时激光器在计算机指令控制下，按照预先设置的扫描程序进行扫描，溶化铺洒在基板上的粉末，熔覆生成与这一层形状、尺寸一致的熔覆层；最后，粉末储存室上移而零件成形室下移一个切片厚度并重复上述过程，逐层熔覆堆积直到形成CAD模型所设计的零件。
激光选区熔化成形技术突破了传统制造工艺的变形成形和去除成形的常规思路，可根据零件三维数模，利用金属粉末无需任何工装夹具和模具，直接获得任意复杂形状的实体零件，实现“净成形”的材料加工新理念，特别适用于制造具有复杂内腔结构的难加工钛合金、高温合金等零件。
激光选区熔化成形技术通常采用粒径30μm左右的超细粉末为原材料，通常铺粉厚度＜100μm(最薄铺粉厚度可达20μm)，每个加工层控制的很薄，可达到30μm。另外该技术还使用了光斑很小的激光束，可使成形的零件具有很高的尺寸精度(可达0.1mm)以及优异的表面质量(粗糙度Ra可达6.4左右)，该技术具有精度高、表面质量优异等特点，制造的零件只需进行简单的喷砂或抛光即可直接使用。由于材料及切削加工的节省，其制造成本可降低20％～40％，生产周期也将缩短80％。
CN109175369A公开了一种金属弯管激光选区熔化成形方法：(1)、将金属弯管三维模型导入到激光选区熔化成形模型处理软件，调整姿态和位置，使得金属弯管各段的中心线与水平面之间的夹角均保持在45°以上；(2)、增加外部辅助结构模型，为调整好姿态和位置的合金弯管三维模型提供支撑，共同构成激光选区熔化成形模型；(3)、采用激光选区熔化成形方法，对激光选区熔化成形模型进行成形处理，得到带外部辅助支撑结构的合金弯管。(4)、去除合金弯管的外部辅助支撑结构，得到合金弯管。
CN110756806A公开了一种基于激光选区熔化技术的Ti/Al异种合金的成形方法。对铝合金和钛合金粉末进行烘干及预筛处理；再进行程序文件和SLM设备的准备；然后通过激光选区熔化技术首先成形底部钛合金部分，成形结束后SLM设备供粉舱的钛合金粉末更换为铝合金粉末后继续通过激光选区熔化技术在钛合金基体上成形上部铝合金部分；最终使用线切割设备将零件从基板上切下即可。
CN110947960A公开了一种激光选区熔化增材制造钛合金部件的热处理方法，(1)激光选区熔化增材制造钛合金部件：选用钛合金基板，将钛合金粉末平整铺于基板上，并通过激光束扫描钛合金部件包络范围内的粉层；(2)对钛合金部件表面涂覆保护层：保护层材料为有机硅、环氧树脂和石墨粉的混合物；(3)将钛合金部件进行热处理去应力，针状马氏体组织变为颗粒状组织；(4)将钛合金部件进行热处理强化。
目前国内工程应用较为成熟的TA15钛合金只能满足低于500℃部位的选材要求，而高于500℃的部位需要使用耐温更高、高温持久强度更高的TA32等热强钛合金。TA32钛合金作为一种近α相的高温钛合金，是在TA12合金的基础上改进得到，新添加了Ta、Nb等元素，在铝当量不变的情况下，增加了β相的稳定性，使其耐热能力突出，热稳定性强，热裂纹敏感系数低，可在低于550℃的温度长时间使用,短时使用温度可达600℃。采用传统铸造和锻造的工艺方法很难达到结构件的一次进净成形，在其内外表面均需留有余量，提高了后续机加工的难度，同时传统工艺制备的TA32结构件内部组织难以消除裂纹、疏松、缩孔等缺陷。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种用于钛合金成型的激光选区熔化的增材制造方法及增材制造装置，尤其针对TA17钛合金的成型制造提供了一种激光选区熔化的增材制造方法，减少了TA17材料的浪费和降低了复杂结构件和组件的生产制造周期，能够促进TA17合金在各领域的应用，通过增材制造技术和热处理提高TA17结构件的力学性能。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
第一方面，本发明提供了一种激光选区熔化的增材制造方法，所述的增材制造方法包括：
(Ⅰ)成型舱内填满钛合金粉末，刮平钛合金粉末表面，激光束采用条带扫描的方式对零件模型的切片实体区域进行扫描熔化凝固，控制激光工艺参数包括：光斑直径为80～100μm，激光功率为240～300W，激光的扫描速度为900～1100mm/s，相邻激光线扫描间距为0.1～0.13mm；实体区域扫描融化凝固结束后，沿切片外轮廓线进行扫描熔化凝固，得到零件成型层；
(Ⅱ)成型舱内的钛合金粉末下移20～40μm，补充钛合金粉末填满成型舱，激光再次熔化凝固钛合金粉末，逐层堆积直至形成完整的成型零件；
(Ⅲ)在1×10-1Pa以下的真空环境中，对增材后的成型零件加热至800～900℃，保温2～3h后随炉冷却取出。
本发明特别针对钛合金的成型制造提供了一种激光选区熔化的增材制造方法，尤其针对TA17钛合金的成型制造提供了一种激光选区熔化的增材制造方法，激光选区熔化增材制造成形能够一体成形薄壁件、复杂结构特别是含有内腔的复杂结构件，减少了TA17材料的浪费和降低了复杂结构件和组件的生产制造周期，能够促进TA17合金在各领域的应用，通过增材制造技术和热处理提高TA17结构件的力学性能。
本发明步骤(Ⅰ)中，激光工艺参数直接影响了激光选区熔化成型的质量，不匹配的激光工艺参数会引起成型后的钛合金零件内部产生缺陷，包括孔洞、裂纹和气孔等，激光工艺参数需要结合激光选区熔化成形工艺的成形层厚、材料的热物理化学特性例如比热容、热导率等以及粉末性能比如粉末粒径、化学成分等进行选择试验研究来确定选择。
具体而言，对实体区域扫描融化凝固所采用的激光工艺参数分别选择为：
(1)光斑直径特别选择为80～100μm，例如可以是80μm、82μm、84μm、86μm、88μm、90μm、92μm、94μm、96μm、98μm或100μm，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。激光工艺参数中光斑直径的大小决定了组织晶粒的大小，同时光斑直径的大小决定了打印过程中成形表面的精度和粗糙度，如果光斑直径过大对于带有小角度的结构或者带有棱角的结构将难以保证很好的成形精度，光斑是近似圆形，定位激光路径是对光斑中心，这样一来对于一些细微结构过大的管斑直径难以保证表面精度及尺寸精度。
(2)激光功率特别选择为240～300W，例如可以是240W、250W、260W、270W、280W、290W或300W，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。激光功率的大小直接影响成形中的热能量的输入，对于激光功率而言，当激光功率超过300W时，意味着激光作用区域内能量较高，金属粉末产生了汽化，熔体粉末减少形成的孔洞增大；此外高功率下热输入量较大，熔池中心和边缘温度梯度较大，产生较大的热应力和组织应力，易形成了较多的裂纹，且激光功率越大，应力就越大，裂纹也就越多且越来越深；当激光功率低于240W时，输入能量较低，熔池温度较低凝固时间较短，钛合金粉末层间原有的气体将来不及逸出，停留在金属内将形成气孔。
(3)扫描速度特别选择为900～1100mm/s，例如可以是900mm/s、910mm/s、920mm/s、930mm/s、940mm/s、950mm/s、960mm/s、970mm/s、980mm/s、990mm/s、1000mm/s、1010mm/s、1020mm/s、1030mm/s、1040mm/s、1050mm/s、1060mm/s、1070mm/s、1080mm/s、1090mm/s或1100mm/s，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。在本发明中，扫描速度决定着激光和金属粉末的作用时间，对激光能量的输入具有重要的调节做作用，在扫描速度过小，激光作用时间较长，热输入量较大，将出现熔体汇聚、过烧现象，导致熔池不稳定，将会在金属成形件内部形成少量的裂纹和众多的孔洞；扫描速度过大，激光与粉末的作用时间较短，热输入不足，粉末未能充分熔化导致熔道中的部分颗粒分散于试样内部，导致同层熔道之间孔隙较多，经过逐层的扫描累积成形件孔洞的增加，此外扫描速度快凝固时间短，粉末床中粉末间气体来不及逸出将会形成较多的气孔。
(4)相邻激光线扫描间距特别选择为0.1～0.13mm，例如可以是0.1mm、0.11mm、0.12mm或0.13mm，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。相邻激光线扫描间距是指激光往复扫描的激光光斑中心的间距，激光扫描间距决定着熔池与熔池之间能否很好的搭接，扫描间距过大，熔化道间距较大，相邻熔化道间粉末的熔合性较差，熔池间不能很好的搭接，造成多余粉末的夹杂，导致裂纹和较大的孔洞，同时扫描间距过大形成的较大的孔洞缺陷在热应力的作用下将会增加裂纹的形成；扫描间距较小时，熔化道重叠较多，搭接率较高，导致重叠区域内多次熔化，使得粉末产生汽化，吹走熔化道周围的粉末，导致粉末不足，亦会形成较多的孔洞，此外扫描间距过小时，熔化道重叠过多，造成熔体汇聚，产生过多的金属液体出现褶皱、过烧等现象，褶皱过大将在成形过程中撞刀将会导致成形的失败。
本发明步骤(Ⅱ)中，成型舱内的钛合金粉末下移20～40μm，例如可以是20μm、22μm、24μm、26μm、28μm、30μm、32μm、34μm、36μm、38μm或40μm，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
本发明步骤(Ⅲ)中，对成型零件进行热处理，热处理工艺参数和材料本身和材料成型工艺参数有关，每种材料对应的组织转变和相变温度具有一定的温度范围，但是因为材料成形工艺的不同，比如传统铸造、锻造和现在的激光选区熔化成型，成型工艺不同材料的原始组织状态就不相同，所对应的热处理温度和时间也将不同。
采用的加热温度特别选择为800～900℃，例如可以是800℃、810℃、820℃、830℃、840℃、850℃、860℃、870℃、880℃、890℃或900℃，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
采用的保温时间特别选择为2～4h，例如可以是2.0h、2.2h、2.4h、2.6h、2.8h、3.0h、3.2h、3.4h、3.6h、3.8h或4.0h，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
作为本发明一种优选的技术方案，所述的钛合金粉末为TA17钛合金。
优选地，所述的钛合金粉末的霍尔流速≤50s/50g，例如可以是5s/50g、10s/50g、15s/50g、20s/50g、25s/50g、30s/50g、35s/50g、40s/50g、45s/50g或50s/50g，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，所述的钛合金粉末在成型舱内的松装密度≥2.2g/cm3，例如可以是2.2g/cm3、2.3g/cm3、2.4g/cm3、2.5g/cm3、2.6g/cm3、2.7g/cm3、2.8g/cm3、2.9g/cm3、3.0g/cm3、3.1g/cm3或3.2g/cm3，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，所述的钛合金粉末的球形率≥80％，例如可以是80％、81％、82％、83％、84％、85％、86％、87％、88％、89％或90％，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
作为本发明一种优选的技术方案，所述的钛合金粉末的粒径在15～53μm范围内呈正态分布。
优选地，所述的钛合金粉末中粒径≤20μm的粉末颗粒数量占10％以下。
优选地，所述的钛合金粉末中粒径≤30的粉末颗粒数量占50％以下。
优选地，所述的钛合金粉末中粒径≥40的粉末颗粒数量占50％以下。
优选地，所述的钛合金粉末中粒径＜60μm的粉末颗粒数量占90％以上。
作为本发明一种优选的技术方案，步骤(Ⅰ)中，所述条带的宽度为5～8mm，例如可以是5mm、5.5mm、6mm、6.5mm、7mm、7.5mm或8mm，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，相邻两条条带的间距为0mm。
优选地，相邻两层零件成型层中，激光扫描的条带旋转60～70°，例如可以是60°、61°、62°、63°、64°、65°、66°、67°、68°、69°或70°，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
在本发明中，相邻两层零件成型层中，激光扫描的条带旋转交错，保证每层激光扫描线不会重复，尽可能保证横截面组织的在沿着铺粉方向和垂直铺粉方向的一致性。
优选地，同一条带内的相邻两条激光扫描线的方向相反。
作为本发明一种优选的技术方案，步骤(Ⅰ)中，对切片外轮廓进行熔化凝固成型的激光工艺参数包括光斑直径、激光功率、激光扫描速度和相邻扫描线间距。
优选地，所述的光斑直径为80～100μm，例如可以是80μm、82μm、84μm、86μm、88μm、90μm、92μm、94μm、96μm、98μm或100μm，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，所述的激光功率为130～160W，例如可以是130W、135W、140W、145W、150W、155W或160W，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，所述的激光的扫描速度为1300～1500mm/s，例如可以是1300mm/s、1320mm/s、1340mm/s、1360mm/s、1380mm/s、1400mm/s、1420mm/s、1440mm/s、1460mm/s、1480mm/s或1500mm/s，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，所述的切片外轮廓的轨迹线与零件的理论轮廓线的间距为0～0.03mm，例如可以是0.005mm、0.01mm、0.015mm、0.02mm、0.025mm或0.03mm，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
在本发明中，在外轮廓的熔化凝固过程中采用的激光参数需要根据实体激光参数结合材料本身物理特性进行匹配，每种材料都因为材料本身的物理特性有各自的激光工艺参数窗口。
作为本发明一种优选的技术方案，所述的增材制造过程在惰性气氛下进行。
优选地，所述的惰性气氛采用的惰性气体为氩气。
优选地，所述的惰性气氛中氧含量控制在0.1％以下，例如可以是0.01％、0.02％、0.03％、0.04％、0.05％、0.06％、0.07％、0.08％、0.09％或0.1％，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
作为本发明一种优选的技术方案，所述的增材制造方法还包括：在步骤(Ⅰ)开始前，构建目标零件的三维模型并导入增材制造软件，具体包括如下步骤：
构建目标零件的三维结构模型，在模型外表面添加辅助支撑结构，对模型进行二维切片分层，将模型切片分层文件导入增材制造软件中生成切片扫描路径。
作为本发明一种优选的技术方案，步骤(Ⅲ)中，所述的加热速率为7～8℃/min，例如可以是7.0℃/min、7.1℃/min、7.2℃/min、7.3℃/min、7.4℃/min、7.5℃/min、7.6℃/min、7.7℃/min、7.8℃/min、7.9℃/min或8.0℃/min，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，所述的随炉冷却过程在惰性气氛下进行。
第二方面，本发明提供了一种激光选区的增材制造装置，所述的增材制造装置用于完成第一方面所述的增材制造方法，所述的增材制造装置包括壳体，所述的壳体内部纵向分割为相互独立的供粉舱、成型舱和回收舱。
所述的壳体上方设置有水平移动的刮刀，所述的刮刀由供粉舱一端沿水平方向移动至回收舱一端，将供粉舱内的钛合金粉末刮至成型舱并填平，多余的钛合金粉末刮入回收舱；
所述的壳体上方还设置有激光系统和激光振镜系统，所述的激光系统发射的激光束经激光振镜系统反射至成型舱内填充的钛合金粉末上，所述的激光振镜系统用于调节激光的扫描路径。
作为本发明一种优选的技术方案，所述的供粉舱、成型舱和回收舱的内部底面均设置有相互独立的垂直移动底板。
在增材制造过程中，所述的供粉舱内的垂直移动隔板上移，用于将供粉舱内储存的钛合金粉末推出供粉舱。
在增材制造过程中，所述的成型舱内的垂直移动隔板逐层下移，每下移一层，刮刀水平移动一次，将供粉舱内推出的钛合金粉末刮至成型舱并填平。
在增材制造过程中，所述的回收舱内的垂直移动隔板下移，成型舱填平后，刮刀将多余的钛合金粉末刮入回收舱收集并回用。但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
所述系统是指设备系统、装置系统或生产装置。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明特别针对钛合金的成型制造提供了一种激光选区熔化的增材制造方法，尤其针对TA17钛合金的成型制造提供了一种激光选区熔化的增材制造方法，激光选区熔化增材制造成形能够一体成形薄壁件、复杂结构特别是含有内腔的复杂结构件，减少了TA17材料的浪费和降低了复杂结构件和组件的生产制造周期，能够促进TA17合金在各领域的应用，通过增材制造技术和热处理提高TA17结构件的力学性能。
附图说明
图1为本发明一个具体实施方式提供的增材制造装置的结构示意图；
图2为本发明实施例1中提供的激光条带扫描方式示意图。
其中，1-供粉舱；2-刮刀；3-钛合金粉末；4-激光系统；5-激光振镜系统；6-成型零件；7-回收舱；8-成型舱。
具体实施方式
需要理解的是，在本发明的描述中，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”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和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、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。
需要说明的是，在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“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，或一体连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。
在一个具体实施方式中，本发明提供了一种用于钛合金成型的激光选区熔化的增材制造装置，所述的增材制造装置如图1所示，包括壳体，壳体内部纵向分割为相互独立的供粉舱1、成型舱8和回收舱7。壳体上方设置有水平移动的刮刀2，刮刀2由供粉舱1一端沿水平方向移动至回收舱7一端，将供粉舱1内的钛合金粉末3刮至成型舱8并填平，多余的钛合金粉末3刮入回收舱7。壳体上方还设置有激光系统4和激光振镜系统5，激光系统4发射的激光束经激光振镜系统5反射至成型舱8内填充的钛合金粉末3上，激光振镜系统5用于调节激光的扫描路径。
供粉舱1、成型舱8和回收舱7的内部底面均设置有相互独立的垂直移动底板。在增材制造过程中，供粉舱1内的垂直移动隔板上移，用于将供粉舱1内储存的钛合金粉末3推出供粉舱1。成型舱8内的垂直移动隔板逐层下移，每下移一层，刮刀2水平移动一次，将供粉舱1内推出的钛合金粉末3刮至成型舱8并填平。回收舱7内的垂直移动隔板下移，成型舱8填平后，刮刀2将多余的钛合金粉末3刮入回收舱7收集并回用。
实施例1
采用具体实施方式提供的增材制造装置制备TA17钛合金的飞机发动机液压管，所采用的TA17钛合金中各元素含量见下表：
元素 Al V Si C O N
含量[wt％] 3.8 1.4 ≤0.15 ≤0.04 ≤0.15 ≤0.04
元素 H Zr Fe 杂质 Ti
含量[wt％] ≤0.006 ≤0.30 ≤0.25 ≤0.30 余量
具体的增材制造过程包括如下步骤：
(1)构建目标零件的三维结构模型，在模型外表面添加辅助支撑结构，对模型进行二维切片分层，将模型切片分层文件导入增材制造软件中生成切片扫描路径；
(2)供粉舱1内的垂直移动隔板上移，将供粉舱1内储存的TA17钛合金钛合金粉末3推出供粉舱1，钛合金粉末3的平均粒径为38.6μm，钛合金粉末3中粒径≤20μm的粉末颗粒数量占8.3％，粒径≤30的粉末颗粒数量占42.6％，粒径≥40μm的粉末颗粒数量占46.5wt％，粒径＜60μm的粉末颗粒数量占93.2％，钛合金粉末3的霍尔流速为30s/50g，钛合金粉末3的球形率为82％；刮刀2水平移动一次，将供粉舱1内推出的钛合金粉末3刮至成型舱8并填平，钛合金粉末3在成型舱8内的松装密度为2.2g/cm3，回收舱7内的垂直移动隔板下移，成型舱8填平后，刮刀2将多余的钛合金粉末3刮入回收舱7收集并回用；
(3)刮平钛合金粉末3表面，激光束采用条带扫描的方式对零件模型的切片实体区域进行扫描熔化凝固部分钛合金粉末3，条带的宽度设定为5mm，相邻两条条带的间距为0mm，同一条带内的相邻两条激光扫描线的方向相反，激光工艺参数包括：光斑直径为80μm，激光功率为240W，激光的扫描速度为900mm/s，相邻扫描线间距为0.1mm；
(4)实体区域扫描结束后，沿切片外轮廓线进行扫描，对切片外轮廓进行熔化凝固成型的激光工艺参数得到第一零件成型层，激光工艺参数包括：光斑直径为80μm，激光功率为130W，激光的扫描速度为1300mm/s，切片外轮廓的轨迹线与零件的理论轮廓线的间距为0.01mm；
(5)成型舱8内的钛合金粉末3下移20μm，补充钛合金粉末3填满成型舱8，激光再次熔化凝固部分钛合金粉末3，重复步骤(2)～(4)，在第一零件成型层上堆积形成第二零件成型层，第一零件成型层中的激光扫描条带与第二零件成型层的激光扫描条带之间旋转60°(如图2所示)；
(6)逐层熔化凝固部分原料粉料直至成型层不断堆积形成完整的成型零件6，步骤(1)～(6)全部在氩气气氛下进行，氩气气氛中氧含量控制在0.1％以下；
(7)将成型零件6取出后，在1×10-1Pa的真空环境下以7℃/min的加热速率对成型零件6加热至800℃，保温3h后随炉冷却，得到零件成品。
分别在室温下和350℃高温下对制备得到的零件成品的综合性能进行测试，主要测试的综合性能包括屈服强度、抗拉强度、延伸率和端面收缩率，室温下的具体测试结果参见表1，高温下的具体测试结构参见表2。
实施例2
采用具体实施方式提供的增材制造装置制备TA17钛合金材料的飞机发动机液压管，所采用的TA17钛合金中各元素含量见下表：
元素 Al V Si C O N
含量[wt％] 4.2 1.6 ≤0.15 ≤0.04 ≤0.15 ≤0.04
元素 H Zr Fe 杂质 Ti
含量[wt％] ≤0.006 ≤0.30 ≤0.25 ≤0.30 余量
具体的增材制造过程包括如下步骤：
(1)构建目标零件的三维结构模型，在模型外表面添加辅助支撑结构，对模型进行二维切片分层，将模型切片分层文件导入增材制造软件中生成切片扫描路径；
(2)供粉舱1内的垂直移动隔板上移，将供粉舱1内储存的TA17钛合金钛合金粉末3推出供粉舱1，钛合金粉末3的平均粒径为36.3μm，钛合金粉末3中粒径≤20μm的粉末颗粒数量占9.2％，粒径≤30的粉末颗粒数量占45.3％，粒径≥40μm的粉末颗粒数量占43.8wt％，粒径＜60μm的粉末颗粒数量占92.5％，钛合金粉末3的霍尔流速为35s/50g，钛合金粉末3的球形率为85％；刮刀2水平移动一次，将供粉舱1内推出的钛合金粉末3刮至成型舱8并填平，钛合金粉末3在成型舱8内的松装密度为2.3g/cm3，回收舱7内的垂直移动隔板下移，成型舱8填平后，刮刀2将多余的钛合金粉末3刮入回收舱7收集并回用；
(3)刮平钛合金粉末3表面，激光束采用条带扫描的方式对零件模型的切片实体区域进行扫描熔化凝固部分钛合金粉末3，条带的宽度设定为5.8mm，相邻两条条带的间距为0mm，同一条带内的相邻两条激光扫描线的方向相反，激光工艺参数包括：光斑直径为85μm，激光功率为255W，激光的扫描速度为950mm/s，相邻扫描线间距为0.11mm；
(4)实体区域扫描结束后，沿切片外轮廓线进行扫描，对切片外轮廓进行熔化凝固成型的激光工艺参数得到第一零件成型层，激光工艺参数包括：光斑直径为85μm，激光功率为140W，激光的扫描速度为1350mm/s，切片外轮廓的轨迹线与零件的理论轮廓线的间距为0.015mm；
(5)成型舱8内的钛合金粉末3下移25μm，补充钛合金粉末3填满成型舱8，激光再次熔化凝固部分钛合金粉末3，重复步骤(2)～(4)，在第一零件成型层上堆积形成第二零件成型层，第一零件成型层中的激光扫描条带与第二零件成型层的激光扫描条带之间旋转63°(如图2所示)；
(6)逐层熔化凝固部分原料粉料直至成型层不断堆积形成完整的成型零件6，步骤(1)～(6)全部在氩气气氛下进行，氩气气氛中氧含量控制在0.1％以下；
(7)将成型零件6取出后，在1×10-1Pa的真空环境下以7.2℃/min的加热速率对成型零件6加热至820℃，保温2.7h后随炉冷却，得到零件成品。
分别在室温下和350℃高温下对制备得到的零件成品的综合性能进行测试，主要测试的综合性能包括屈服强度、抗拉强度、延伸率和端面收缩率，室温下的具体测试结果参见表1，高温下的具体测试结构参见表2。
实施例3
采用具体实施方式提供的增材制造装置制备TA17钛合金材料的航空燃油导管，所采用的TA17钛合金中各元素含量见下表：
元素 Al V Si C O N
含量[wt％] 4.5 2 ≤0.15 ≤0.04 ≤0.15 ≤0.04
元素 H Zr Fe 杂质 Ti
含量[wt％] ≤0.006 ≤0.30 ≤0.25 ≤0.30 余量
具体的增材制造过程包括如下步骤：
(1)构建目标零件的三维结构模型，在模型外表面添加辅助支撑结构，对模型进行二维切片分层，将模型切片分层文件导入增材制造软件中生成切片扫描路径；
(2)供粉舱1内的垂直移动隔板上移，将供粉舱1内储存的TA17钛合金钛合金粉末3推出供粉舱1，钛合金粉末3的平均粒径为37.9μm，钛合金粉末3中粒径≤20μm的粉末颗粒数量占7.8％，粒径≤30的粉末颗粒数量占42.3％，粒径≥40μm的粉末颗粒数量占41.2wt％，粒径＜60μm的粉末颗粒数量占91.2％，钛合金粉末3的霍尔流速为40s/50g，钛合金粉末3的球形率为87％；刮刀2水平移动一次，将供粉舱1内推出的钛合金粉末3刮至成型舱8并填平，钛合金粉末3在成型舱8内的松装密度为2.4g/cm3，回收舱7内的垂直移动隔板下移，成型舱8填平后，刮刀2将多余的钛合金粉末3刮入回收舱7收集并回用；
(3)刮平钛合金粉末3表面，激光束采用条带扫描的方式对零件模型的切片实体区域进行扫描熔化凝固部分钛合金粉末3，条带的宽度设定为6.5mm，相邻两条条带的间距为0mm，同一条带内的相邻两条激光扫描线的方向相反，激光工艺参数包括：光斑直径为90μm，激光功率为270W，激光的扫描速度为1000mm/s，相邻扫描线间距为0.115mm；
(4)实体区域扫描结束后，沿切片外轮廓线进行扫描，对切片外轮廓进行熔化凝固成型的激光工艺参数得到第一零件成型层，激光工艺参数包括：光斑直径为90μm，激光功率为145W，激光的扫描速度为1400mm/s，切片外轮廓的轨迹线与零件的理论轮廓线的间距为0.02mm；
(5)成型舱8内的钛合金粉末3下移30μm，补充钛合金粉末3填满成型舱8，激光再次熔化凝固部分钛合金粉末3，重复步骤(2)～(4)，在第一零件成型层上堆积形成第二零件成型层，第一零件成型层中的激光扫描条带与第二零件成型层的激光扫描条带之间旋转65°(如图2所示)；
(6)逐层熔化凝固部分原料粉料直至成型层不断堆积形成完整的成型零件6，步骤(1)～(6)全部在氩气气氛下进行，氩气气氛中氧含量控制在0.1％以下；
(7)将成型零件6取出后，在1×10-1Pa的真空环境下以7.5℃/min的加热速率对成型零件6加热至850℃，保温2.5h后随炉冷却，得到零件成品。
分别在室温下和350℃高温下对制备得到的零件成品的综合性能进行测试，主要测试的综合性能包括屈服强度、抗拉强度、延伸率和端面收缩率，室温下的具体测试结果参见表1，高温下的具体测试结构参见表2。
实施例4
采用具体实施方式提供的增材制造装置制备TA17钛合金材料的航空燃油导管，所采用的TA17钛合金中各元素含量见下表：
元素 Al V Si C O N
含量[wt％] 4.7 2.3 ≤0.15 ≤0.04 ≤0.15 ≤0.04
元素 H Zr Fe 杂质 Ti
含量[wt％] ≤0.006 ≤0.30 ≤0.25 ≤0.30 余量
具体的增材制造过程包括如下步骤：
(1)构建目标零件的三维结构模型，在模型外表面添加辅助支撑结构，对模型进行二维切片分层，将模型切片分层文件导入增材制造软件中生成切片扫描路径；
(2)供粉舱1内的垂直移动隔板上移，将供粉舱1内储存的TA17钛合金钛合金粉末3推出供粉舱1，钛合金粉末3的平均粒径为38.9μm，钛合金粉末3中粒径≤20μm的粉末颗粒数量占5.8％，粒径≤30的粉末颗粒数量占38.9％，粒径≥40μm的粉末颗粒数量占38.6wt％，粒径＜60μm的粉末颗粒数量占95.3％，钛合金粉末3的霍尔流速为45s/50g，钛合金粉末3的球形率为83％；刮刀2水平移动一次，将供粉舱1内推出的钛合金粉末3刮至成型舱8并填平，钛合金粉末3在成型舱8内的松装密度为2.5g/cm3，回收舱7内的垂直移动隔板下移，成型舱8填平后，刮刀2将多余的钛合金粉末3刮入回收舱7收集并回用；
(3)刮平钛合金粉末3表面，激光束采用条带扫描的方式对零件模型的切片实体区域进行扫描熔化凝固部分钛合金粉末3，条带的宽度设定为7.2mm，相邻两条条带的间距为0mm，同一条带内的相邻两条激光扫描线的方向相反，激光工艺参数包括：光斑直径为95μm，激光功率为285W，激光的扫描速度为1050mm/s，相邻扫描线间距为0.12mm；
(4)实体区域扫描结束后，沿切片外轮廓线进行扫描，对切片外轮廓进行熔化凝固成型的激光工艺参数得到第一零件成型层，激光工艺参数包括：光斑直径为95μm，激光功率为150W，激光的扫描速度为1450mm/s，切片外轮廓的轨迹线与零件的理论轮廓线的间距为0.025mm；
(5)成型舱8内的钛合金粉末3下移35μm，补充钛合金粉末3填满成型舱8，激光再次熔化凝固部分钛合金粉末3，重复步骤(2)～(4)，在第一零件成型层上堆积形成第二零件成型层，第一零件成型层中的激光扫描条带与第二零件成型层的激光扫描条带之间旋转67°(如图2所示)；
(6)逐层熔化凝固部分原料粉料直至成型层不断堆积形成完整的成型零件6，步骤(1)～(6)全部在氩气气氛下进行，氩气气氛中氧含量控制在0.1％以下；
(7)将成型零件6取出后，在1×10-1Pa的真空环境下以7.7℃/min的加热速率对成型零件6加热至870℃，保温2.3h后随炉冷却，得到零件成品。
分别在室温下和350℃高温下对制备得到的零件成品的综合性能进行测试，主要测试的综合性能包括屈服强度、抗拉强度、延伸率和端面收缩率，室温下的具体测试结果参见表1，高温下的具体测试结构参见表2。
实施例5
采用具体实施方式提供的增材制造装置制备TA17钛合金材料的航空燃油导管，所采用的TA17钛合金中各元素含量见下表：
元素 Al V Si C O N
含量[wt％] 5.0 2.5 ≤0.15 ≤0.04 ≤0.15 ≤0.04
元素 H Zr Fe 杂质 Ti
含量[wt％] ≤0.006 ≤0.30 ≤0.25 ≤0.30 余量
具体的增材制造过程包括如下步骤：
(1)构建目标零件的三维结构模型，在模型外表面添加辅助支撑结构，对模型进行二维切片分层，将模型切片分层文件导入增材制造软件中生成切片扫描路径；
(2)供粉舱1内的垂直移动隔板上移，将供粉舱1内储存的TA17钛合金钛合金粉末3推出供粉舱1，钛合金粉末3的平均粒径为39.2μm，钛合金粉末3中粒径≤20μm的粉末颗粒数量占4.7％，粒径≤30的粉末颗粒数量占38.2％，粒径≥40μm的粉末颗粒数量占46.3wt％，粒径＜60μm的粉末颗粒数量占95.3％，钛合金粉末3的霍尔流速为50s/50g，钛合金粉末3的球形率为91％；刮刀2水平移动一次，将供粉舱1内推出的钛合金粉末3刮至成型舱8并填平，钛合金粉末3在成型舱8内的松装密度为2.6g/cm3，回收舱7内的垂直移动隔板下移，成型舱8填平后，刮刀2将多余的钛合金粉末3刮入回收舱7收集并回用；
(3)刮平钛合金粉末3表面，激光束采用条带扫描的方式对零件模型的切片实体区域进行扫描熔化凝固部分钛合金粉末3，条带的宽度设定为8mm，相邻两条条带的间距为0mm，同一条带内的相邻两条激光扫描线的方向相反，激光工艺参数包括：光斑直径为100μm，激光功率为300W，激光的扫描速度为1100mm/s，相邻扫描线间距为0.13mm；
(4)实体区域扫描结束后，沿切片外轮廓线进行扫描，对切片外轮廓进行熔化凝固成型的激光工艺参数得到第一零件成型层，激光工艺参数包括：光斑直径为100μm，激光功率为160W，激光的扫描速度为1500mm/s，切片外轮廓的轨迹线与零件的理论轮廓线的间距为0.03mm；
(5)成型舱8内的钛合金粉末3下移40μm，补充钛合金粉末3填满成型舱8，激光再次熔化凝固部分钛合金粉末3，重复步骤(2)～(4)，在第一零件成型层上堆积形成第二零件成型层，第一零件成型层中的激光扫描条带与第二零件成型层的激光扫描条带之间旋转70°(如图2所示)；
(6)逐层熔化凝固部分原料粉料直至成型层不断堆积形成完整的成型零件6，步骤(1)～(6)全部在氩气气氛下进行，氩气气氛中氧含量控制在0.1％以下；
(7)将成型零件6取出后，在1×10-1Pa的真空环境下以8℃/min的加热速率对成型零件6加热至900℃，保温2h后随炉冷却，得到零件成品。
分别在室温下和350℃高温下对制备得到的零件成品的综合性能进行测试，主要测试的综合性能包括屈服强度、抗拉强度、延伸率和端面收缩率，室温下的具体测试结果参见表1，高温下的具体测试结构参见表2。
对比例1
本对比例与实施例3的区别在于，步骤(3)中，将激光功率设定为230W，其他激光工艺参数与实施例3完全相同。
分别在室温下和350℃高温下对制备得到的零件成品的综合性能进行测试，主要测试的综合性能包括屈服强度、抗拉强度、延伸率和端面收缩率，室温下的具体测试结果参见表1，高温下的具体测试结构参见表2。
对比例2
本对比例与实施例3的区别在于，步骤(3)中，将激光功率设定为310W，其他激光工艺参数与实施例3完全相同。
分别在室温下和350℃高温下对制备得到的零件成品的综合性能进行测试，主要测试的综合性能包括屈服强度、抗拉强度、延伸率和端面收缩率，室温下的具体测试结果参见表1，高温下的具体测试结构参见表2。
对比例3
本对比例与实施例3的区别在于，步骤(3)中，将激光的扫描速度设定为800mm/s，其他激光工艺参数与实施例3完全相同。
分别在室温下和350℃高温下对制备得到的零件成品的综合性能进行测试，主要测试的综合性能包括屈服强度、抗拉强度、延伸率和端面收缩率，室温下的具体测试结果参见表1，高温下的具体测试结构参见表2。
对比例4
本对比例与实施例3的区别在于，步骤(3)中，将激光的扫描速度设定为1200mm/s，其他激光工艺参数与实施例3完全相同。
分别在室温下和350℃高温下对制备得到的零件成品的综合性能进行测试，主要测试的综合性能包括屈服强度、抗拉强度、延伸率和端面收缩率，室温下的具体测试结果参见表1，高温下的具体测试结构参见表2。
对比例5
本对比例与实施例3的区别在于，步骤(3)中，将相邻激光线扫描间距为0.08mm，其他激光工艺参数与实施例3完全相同。
分别在室温下和350℃高温下对制备得到的零件成品的综合性能进行测试，主要测试的综合性能包括屈服强度、抗拉强度、延伸率和端面收缩率，室温下的具体测试结果参见表1，高温下的具体测试结构参见表2。
对比例6
本对比例与实施例3的区别在于，步骤(3)中，将相邻激光线扫描间距为0.15mm，其他激光工艺参数与实施例3完全相同。
分别在室温下和350℃高温下对制备得到的零件成品的综合性能进行测试，主要测试的综合性能包括屈服强度、抗拉强度、延伸率和端面收缩率，室温下的具体测试结果参见表1，高温下的具体测试结构参见表2。
表1
Figure GDA0003009204890000221
Figure GDA0003009204890000231
表2
屈服强度 抗拉强度 延伸率 断面收缩率
实施例1 383 513 18.3 62
实施例2 385 524 18.6 63
实施例3 396 536 18.7 65
实施例4 390 520 18.5 64
实施例5 387 519 18.2 63
对比例1 359 503 16.5 61
对比例2 346 487 17.4 61
对比例3 357 476 17.5 60
对比例4 363 495 16.2 59
对比例5 347 463 17.8 62
对比例6 367 493 15.7 68
由表1数据可以看出，实施例制备得到的零件成品的综合性能均优于对比例，具体而言：
由实施例3和对比例1、2的测试数据可以看出，激光功率过高或过低对零件产品的力学性能产生了严重影响，当激光功率低于240W时(如对比例1)，输入能量较低，熔池温度较低凝固时间较短，钛合金粉末层间原有的气体将来不及逸出，停留在金属内将形成气孔，当激光功率超过300W时(如对比例2)，意味着激光作用区域内能量较高，金属粉末产生了汽化，熔体粉末减少形成的孔洞增大；此外高功率下热输入量较大，熔池中心和边缘温度梯度较大，产生较大的热应力和组织应力，易形成了较多的裂纹，且激光功率越大，应力就越大，裂纹也就越多且越来越深。
由实施例3和对比例3、4的测试数据可以看出，激光的扫描速度过快或过慢对零件产品的力学性能产生了严重影响，扫描速度低于900mm/s(如对比例3)，激光作用时间较长，热输入量较大，将出现熔体汇聚、过烧现象，导致熔池不稳定，将会在金属成形件内部形成少量的裂纹和众多的孔洞；扫描速度高于1100mm/s时(如对比例4)，激光与粉末的作用时间较短，热输入不足，粉末未能充分熔化导致熔道中的部分颗粒分散于试样内部，导致同层熔道之间孔隙较多，经过逐层的扫描累积成形件孔洞的增加，此外扫描速度快凝固时间短，粉末床中粉末间气体来不及逸出将会形成较多的气孔。
由实施例3和对比例5、6的测试数据可以看出，激光扫描间距过窄或过宽均对零件产品的力学性能产生了严重影响，激光扫描间距决定着熔池与熔池之间能否很好的搭接，扫描间距小于0.1mm时(如对比例5)，熔化道重叠较多，搭接率较高，导致重叠区域内多次熔化，使得粉末产生汽化，吹走熔化道周围的粉末，导致粉末不足，亦会形成较多的孔洞，此外扫描间距过小时，熔化道重叠过多，造成熔体汇聚，产生过多的金属液体出现褶皱、过烧等现象，褶皱过大将在成形过程中撞刀将会导致成形的失败。扫描间距大于0.13mm时(如对比例6)，熔化道间距较大，相邻熔化道间粉末的熔合性较差，熔池间不能很好的搭接，造成多余粉末的夹杂，导致裂纹和较大的孔洞，同时扫描间距过大形成的较大的孔洞缺陷在热应力的作用下将会增加裂纹的形成。
申请人声明，以上所述仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，所属技术领域的技术人员应该明了，任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。

Claims (9)

1.一种用于钛合金成型的激光选区熔化的增材制造方法，其特征在于，所述的增材制造方法包括：
（Ⅰ）成型舱内填满钛合金粉末，刮平钛合金粉末表面，激光束采用条带扫描的方式对零件模型的切片实体区域进行扫描熔化凝固，控制激光工艺参数包括：光斑直径为85~90μm，激光功率为255~270W，激光的扫描速度为950~1000mm/s，相邻激光线扫描间距为0.1~0.13mm；实体区域扫描融化凝固结束后，沿切片外轮廓线进行扫描熔化凝固，得到零件成型层；
对切片外轮廓进行熔化凝固成型的激光工艺参数包括光斑直径、激光功率、激光扫描速度和相邻扫描线间距，所述的光斑直径为85~90μm，所述的激光功率为140~145W，所述的激光的扫描速度为1350~1400mm/s，所述的切片外轮廓的轨迹线与零件的理论轮廓线的间距为0~0.03mm；
（Ⅱ）成型舱内的钛合金粉末下移20~40μm，补充钛合金粉末填满成型舱，激光再次熔化凝固钛合金粉末，逐层堆积直至形成完整的成型零件；（Ⅲ）在1×10-1Pa以下的真空环境中，对增材后的成型零件加热至850~900℃，保温2~3h后随炉冷却取出；
所述的钛合金粉末为TA17钛合金；所述的钛合金粉末的霍尔流速≤50s/50g；所述的钛合金粉末在成型舱内的松装密度≥2.2g/cm3；所述的钛合金粉末的球形率＞80%；所述的钛合金粉末的粒径在15~53μm范围内呈正态分布；所述的钛合金粉末中粒径≤20μm的粉末颗粒数量占10%以下，所述的钛合金粉末中粒径≤30μm的粉末颗粒数量占50%以下，所述的钛合金粉末中粒径≥40μm的粉末颗粒数量占50%以下，所述的钛合金粉末中粒径＜60μm的粉末颗粒数量占90%以上；
所述条带的宽度为5~8mm，相邻两条条带的间距为0mm，相邻两层零件成型层中，激光扫描的条带旋转60~70°，同一条带内的相邻两条激光扫描线的方向相反。
2.根据权利要求1所述的增材制造方法，其特征在于，所述的增材制造过程在惰性气氛下进行。
3.根据权利要求2所述的增材制造方法，其特征在于，所述的惰性气氛采用的惰性气体为氩气。
4.根据权利要求2所述的增材制造方法，其特征在于，所述的惰性气氛中氧含量控制在0.1%以下。
5.根据权利要求1所述的增材制造方法，其特征在于，所述的增材制造方法还包括：在步骤（Ⅰ）开始前，构建目标零件的三维模型并导入增材制造软件，具体包括如下步骤：
构建目标零件的三维结构模型，在模型外表面添加辅助支撑结构，对模型进行二维切片分层，将模型切片分层文件导入增材制造软件中生成切片扫描路径。
6.根据权利要求1所述的增材制造方法，其特征在于，步骤（Ⅲ）中，所述的加热速率为7~8℃/min。
7.根据权利要求1所述的增材制造方法，其特征在于，所述的随炉冷却过程在惰性气氛下进行。
8.一种用于钛合金成型的激光选区熔化的增材制造装置，其特征在于，所述的增材制造装置用于完成权利要求1-7任一项所述的增材制造方法，所述的增材制造装置包括壳体，所述的壳体内部纵向分割为相互独立的供粉舱、成型舱和回收舱；
所述的壳体上方设置有水平移动的刮刀，所述的刮刀由供粉舱一端沿水平方向移动至回收舱一端，将供粉舱内的钛合金粉末刮至成型舱并填平，多余的钛合金粉末刮入回收舱；
所述的壳体上方还设置有激光系统和激光振镜系统，所述的激光系统发射的激光束经激光振镜系统反射至成型舱内填充的钛合金粉末上，所述的激光振镜系统用于调节激光的扫描路径。
9.根据权利要求8所述的增材制造装置，其特征在于，所述的供粉舱、成型舱和回收舱的内部底面均设置有相互独立的垂直移动底板；
在增材制造过程中，所述的供粉舱内的垂直移动隔板上移，用于将供粉舱内储存的钛合金粉末推出供粉舱；
在增材制造过程中，所述的成型舱内的垂直移动隔板逐层下移，每下移一层，刮刀水平移动一次，将供粉舱内推出的钛合金粉末刮至成型舱并填平；
在增材制造过程中，所述的回收舱内的垂直移动隔板下移，成型舱填平后，刮刀将多余的钛合金粉末刮入回收舱收集并回用。
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