CN112517927A - 一种钛铝异种材料3d打印制造方法 - Google Patents

一种钛铝异种材料3d打印制造方法 Download PDF

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刘宝昌
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Abstract

一种钛铝异种材料3D打印制造方法，其特征在于，3D打印机用TC4钛合金和AlSi10Mg铝合金两种金属粉末依次开展异种材料增材，具体步骤如下，步骤一、向3D打印机的控制单元导入TC4合金部分模型、界面层模型和AlSi10Mg合金部分模型；步骤二、按照TC4合金部分模型，采用TC4成熟SLM工艺参数制备TC4部分；本发明提出一种基于3D打印技术的异种材料结构件的制造方法，利用3D打印技术的制造柔性水平高和参数化控制等优势，实现钛合金和铝合金材料的一体成型。

Description

一种钛铝异种材料3D打印制造方法
技术领域
本发明涉及一种钛铝异种材料3D打印制造方法，用于提升合金材质结构的减重。
技术背景
工业产品的结构重量是衡量产品质量和技术水平的一项重要指标，在汽车、工业、航空航天等领域，降低产品重量，能够获得更好的使用性能，降低产品能耗，进而降低产品的成本。特别是在航空航天领域，近年来，随着航空航天技术水平的快速提升，新一代飞行器正向高速度、长航程和高机动方向发展，这些特点对产品结构重量、强度和可靠性提出了更加苛刻的要求。在保证结构强度的前提下实现结构大幅减重是产品研制持续追求的目标。但是两种金属粘接或焊接，往往对产品的性能有不好的影响，也容易造成变形。
发明内容
本发明的目的是提供一种钛铝异种材料3D打印制造方法，用于钛铝异种材料的成型，以克服现有技术无法把钛铝有机的制造成产品。
一种钛铝异种材料3D打印制造方法，其特征在于，3D打印机用TC4钛合金和AlSi10Mg铝合金两种金属粉末依次开展异种材料增材，具体步骤如下，
步骤一、向3D打印机的控制单元导入TC4合金部分模型、界面层模型和AlSi10Mg合金部分模型；
步骤二、按照TC4合金部分模型，采用TC4成熟SLM工艺参数制备TC4部分；具体如下，
a.筛粉与铺粉:通过筛网筛取足够量的TC4粉末填充送粉腔室；粉末填充完后去除筛网，将粉末摊均实；
b.基板调平，调整基板与刮刀之间的距离，保证铺粉厚度；
c.底板上移，刮刀往复运动，将粉末铺平,进而铺好第一层粉末；
d.按照TC4合金部分模型开始打印TC4合金部分；每打印一层，底板上移送粉，基板下移，刮刀往复运动，重新铺粉；
步骤三、当TC4合金部分打印完成后，清除未印的TC4合金粉末，调整基板高度，更换AlSi10Mg粉末，重新铺AlSi10Mg合金粉末；
步骤四、按照界面层模型开始打印界面层,采用优化后的Ti/Al界面SLM工艺打印Ti/Al界面；
步骤五、界面层打好后，继续铺AlSi10Mg合金粉末，按照AlSi10Mg合金部分模型打印AlSi10Mg合金部分；直到完成所有AlSi10Mg合金部分的打印；
步骤六、打印件完成后，清理粉末，取出基板和打印件，送线切割。
所述的界面层厚度为1～3mm；打印界面层时的工艺参数：预热温度140℃～160，激光功率200W～230W，扫描速度900mm/s～1000mm/s，扫描间距0.10mm～0.20mm。
所述的界面层厚度为1～2mm；打印界面层时的工艺参数：预热温度150℃，激光功率200W，扫描速度1000mm/s，扫描间距0.13mm。
本发明提出一种基于3D打印技术的异种材料结构件的制造方法，利用3D打印技术的制造柔性水平高和参数化控制等优势，实现钛合金和铝合金材料的一体成型，根据结构件的受力情况，在受力较大的区域打印力学性能更好的钛合金，在其他区域打印更轻的铝合金材料，并实现两种材料的良好结合。
附图说明
图1、本发明TC4粉末填充和基板调平；
图2、本发明铺TC4合金粉末；
图3、本发明打印TC4部分；
图4、本发明清除TC4合金粉末；
图5、本发明铺AlSi10Mg合金粉末；
图6、本发明打印铝合金部分；
图7、本发明清理粉末并取件；
图8、本发明TC4合金粉末清理；
图9、本发明实施例15mm×15mm×7.5mm TC4合金试块；
图10、过渡层AlSi10Mg熔覆样；
图11、本发明实施例15mm×15mm×15mm TC4/AlSi10Mg异种合金试块；
图12、本发明实施例TC4/AlSi10Mg异种合金拉伸试样尺寸图；
图13、本发明实施例2TC4/AlSi10Mg异种合金制造过程示意图。
其中，1为成型腔室，2为基板，3为筛网，4为TC4粉末，5为底板，6为送粉腔室，7为刮刀，8为激光源，9为产品的TC4合金部分，10为AlSi10Mg合金粉末，11为产品钛/铝合金部分。
具体实施方式
一种钛铝异种材料3D打印制造方法，其特征在于，3D打印机用TC4钛合金和AlSi10Mg铝合金两种金属粉末依次开展异种材料增材，具体步骤如下，
步骤一、向3D打印机的控制单元导入TC4合金部分模型、界面层模型和AlSi10Mg合金部分模型；
步骤二、按照TC4合金部分模型，采用TC4成熟SLM工艺参数制备TC4部分；具体如下，
a.筛粉与铺粉:通过筛网筛取足够量的TC4粉末填充送粉腔室；粉末填充完后去除筛网，将粉末摊均实；
b.基板调平，调整基板与刮刀之间的距离，保证铺粉厚度；
c.底板上移，刮刀往复运动，将粉末铺平,进而铺好第一层粉末；
d.按照TC4合金部分模型开始打印TC4合金部分；每打印一层，底板上移送粉，基板下移，刮刀往复运动，重新铺粉；
步骤三、当TC4合金部分打印完成后，清除未印的TC4合金粉末，调整基板高度，更换AlSi10Mg粉末，重新铺AlSi10Mg合金粉末；
步骤四、按照界面层模型开始打印界面层,采用优化后的Ti/Al界面SLM工艺打印Ti/Al界面；
步骤五、界面层打好后，继续铺AlSi10Mg合金粉末，按照AlSi10Mg合金部分模型打印AlSi10Mg合金部分；直到完成所有AlSi10Mg合金部分的打印；
步骤六、打印件完成后，清理粉末，取出基板和打印件，送线切割。
所述的界面层厚度为1～3mm；打印界面层时的工艺参数：预热温度140℃～160，激光功率200W～230W，扫描速度900mm/s～1000mm/s，扫描间距0.10mm～0.20mm。
所述的界面层厚度为2mm；打印界面层时的工艺参数：预热温度150℃，激光功率200W，扫描速度1000mm/s，扫描间距0.13mm。
实施例一：
(1)原材料
本实验选取TC4钛合金和AlSi10Mg铝合金两种金属粉末开展异种材料增材工艺探索。TC4钛合金的材料组成是Ti-6Al-4V，是典型的(α+β)型钛合金，比强度大，耐磨性高，具有良好的综合力学性能。AlSi10Mg具有良好的工艺，密度小，抗蚀性好。两种材料在航空航天等领域的应用上都具有较大的潜力。两种材料化学成分见表1和表2。
表1 AlSi10Mg化学成分表
Figure BDA0002816720710000041
表2 TC4化学成分表
Figure BDA0002816720710000042
(2)工艺流程
实验设备采用激光选取熔化(SLM)成型设备采用采用华曙高科FS271M，设备参数见表3。
表3 FS271M主要技术参数
Figure BDA0002816720710000043
第一步：筛粉与铺粉。如图1、图2所示，通过筛网筛取足够量的TC4粉末填充送粉腔室。粉末填充完后去除筛网，将粉末摊均实。基板调平，调整基板与刮刀之间的距离，保证铺粉厚度。底板上移，刮刀往复运动，将粉末铺平,进而铺好第一层粉末。
第二步：导入TC4合金部分模型，开始打印TC4合金部分。如图3所示，每打印一层，底板上移送粉，基板下移，刮刀往复运动，重新铺粉。
第三步：将TC4合金粉末清除(如图4所示)，调整基板高度，铺AlSi10Mg合金粉末(如图5所示)。
第四步：打印界面层和铝合金层。
第五步：清理粉末，取出基板和打印件，送线切割，如图7所示。
测试方法与结果
本工艺流程需要对试样宏观成型、界面缺陷及力学性能进行测试。其中，宏观成型主要测试内容有表面粗糙度、翘曲、咬边、未熔合等，界面成型缺陷主要包括裂纹、孔洞等，界面力学性能主要包括抗拉强度、屈服强度、伸长率、收缩率等。
宏观成型可以通过目视观察，界面缺陷可以通过荧光渗透探伤、射线探伤等方法进行检测，力学性能通过制备拉伸试样进行拉伸试验获取。
通过测试，最终得到的打印产品其界面缺陷符合铝合金铸件Ⅱ级要求，力学性能达到铝合金水平。
(1)实施例二：15mm×15mm×15mm TC4/AlSi10Mg试块制备
第一步：填充TC4合金粉末，调平基板，铺粉。
第二步：打印15mm×15mm×7.5mm TC4合金部分.
第三步：清理TC4合金粉末。TC4合金试块打印完成后，需要将打印设备内的TC4粉末清理干净，避免与AlSi10Mg粉末混合，影响后续打印质量。
第四步：铺AlSi10Mg粉末。添加充足的AlSi10Mg粉末，重新对TC4合金试块进行铺粉，保证铺粉均匀，铺粉厚度(即划刀与TC4合金试块上表面距离)达到要求。
第五步：采用优化后的异种合金工艺参数，在7.5mm TC4合金试块制备2mm高度的AlSi10Mg界面层。
第六步：采用AlSi10Mg SLM成熟工艺参数，将试样增材至指定高度。
第七步：按照上述六步，制备TC4/AlSi10Mg拉伸试样，试样尺寸如图12所示。
结论：通过观察和测试，试块外观成型良好，界面连接可靠，AlSi10Mg部分、界面和TC4部分力学性能详见表4。
表4钛铝异种合金成形力学性能
Figure BDA0002816720710000061
(2)实施例2：异种材料SLM轻量化设计
该结构对质量要求非常苛刻，在改用Ti材后仍不能达到质量要求，因此，将采用Ti/Al异种材料SLM制造工艺生产此产品。具体生产过程如下：
第一步：采用TC4成熟SLM工艺参数制备TC4部分。
第二步：清理TC4粉末，更换AlSi10Mg粉末，重新铺粉。
第三步：采用优化后的Ti/Al界面SLM工艺参数打印Ti/Al界面。
第四步：采用AlSi10Mg成熟工艺将产品打印至要求尺寸。
第五步：热处理及表面处理。
如图13所示，通过以上过程最终得到Ti/Al界面连接良好的产品，通过对试样进行拉伸试验得到的力学性能符合设计要求，重量减轻15％。

Claims (3)

1.一种钛铝异种材料3D打印制造方法，其特征在于，3D打印机用TC4钛合金和AlSi10Mg铝合金两种金属粉末依次开展异种材料增材，具体步骤如下，
步骤一、向3D打印机的控制单元导入TC4合金部分模型、界面层模型和AlSi10Mg合金部分模型；
步骤二、按照TC4合金部分模型，采用TC4成熟SLM工艺参数制备TC4部分；具体如下，
a.筛粉与铺粉:通过筛网筛取足够量的TC4粉末填充送粉腔室；粉末填充完后去除筛网，将粉末摊均实；
b.基板调平，调整基板与刮刀之间的距离，保证铺粉厚度；
c.底板上移，刮刀往复运动，将粉末铺平,进而铺好第一层粉末；
d.按照TC4合金部分模型开始打印TC4合金部分；每打印一层，底板上移送粉，基板下移，刮刀往复运动，重新铺粉；
步骤三、当TC4合金部分打印完成后，清除未印的TC4合金粉末，调整基板高度，更换AlSi10Mg粉末，重新铺AlSi10Mg合金粉末；
步骤四、按照界面层模型开始打印界面层,采用优化后的Ti/Al界面SLM工艺打印Ti/Al界面；
步骤五、界面层打好后，继续铺AlSi10Mg合金粉末，按照AlSi10Mg合金部分模型打印AlSi10Mg合金部分；直到完成所有AlSi10Mg合金部分的打印；
步骤六、打印件完成后，清理粉末，取出基板和打印件，送线切割。
2.根据权利要求1所述的一种钛铝异种材料3D打印制造方法，其特征在于，所述的界面层厚度为1～3mm；打印界面层时的工艺参数：预热温度140℃～160，激光功率200W～230W，扫描速度900mm/s～1000mm/s，扫描间距0.10mm～0.20mm。
3.根据权利要求2所述的一种钛铝异种材料3D打印制造方法，其特征在于，所述的界面层厚度为1～2mm；打印界面层时的工艺参数：预热温度150℃，激光功率200W，扫描速度1000mm/s，扫描间距0.13mm。
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