CN113118606B - 一种大型钛铝合金构件电子束熔丝增材制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种大型钛铝合金构件电子束熔丝增材制造方法，所述增材制造方法包括以下步骤：S1：选择基板并对基板进行前期处理和固定；S2：建立钛铝合金构件的成形三维模型，对成形三维模型进行分层切片及路径规划；S3：加热基板并保持温度；S4：将丝材在真空环境进行送进，保持丝材与基板的夹角，丝材和电子束共面且在基板表面汇聚在同一点，丝材在电子束辐照下熔化，按照S2中设定的路径进行单层沉积；S5：重复S4，逐层沉积，直到完成零件成形；S6：停止基板加热，待成形的零件冷却到室温后，将零件同基板一同取出。本发明可以显著提升钛铝合金构件的成形质量和成形尺寸。

Description

一种大型钛铝合金构件电子束熔丝增材制造方法

【技术领域】

本发明属于增材制造定向能量沉积领域，尤其涉及一种大型钛铝合金构件电子束熔丝增材制造方法。

【背景技术】

钛铝合金具有密度低、模量高、高温强度高、高温抗氧化性能良好和高温蠕变抗力优异等优点，高温下钛铝合金具有和镍基高温合金基本相当的力学性能，但密度不及其一半。轻质耐热的钛铝合金在航空航天和汽车等领域具有广阔的应用前景。但是，钛铝合金存在室温塑性低、难加工等问题，许多学者对钛铝合金的新型成形工艺进行探索，如选区成形钛铝合金等。由于钛铝合金的室温塑性极低，室温拉伸延伸率小于1％，使得钛铝合金在制造过程中极易出现零件开裂，从而导致零件报废。如何提高钛铝合金的成形质量和成形尺寸一直是核心问题。增材制造是一种以三维模型为基础，通过高能束热源将原材料逐层熔化、沉积，形成最终零件的先进制造方法。其中，电子束增材制造具有功率大、能量利用率高、材料利用率高、制造周期短等优势。

电子束增材制造根据材料送进方式分为电子束选区熔化成形和电子束定向能量沉积。电子束选区熔化成形技术制造精度高、成形效率低，一般成形小型复杂零件；电子束定向能量沉积技术成形效率高，可成形尺寸较大的构件。由于电子束定向能量沉积过程为真空环境，只能采用送丝方式进行原料送进，不能采用送粉的方式，因此又称为电子束熔丝技术。目前，钛铝合金难以通过拉拔方式制成丝材，采用常规的丝材无法实现电子束熔丝成形钛铝合金构件。

中国发明专利201910848831.7公开了一种钛铝合金构件的快速近净成形方法，采用熔化极气体保护焊增材制造的方式进行成形，钛丝和铝丝分别通过各自的送丝装置送入对应的熔化极气体保护焊焊枪内，在焊枪的作用下产生放电形成熔池，依此重复多次，直至沉积至所需的TiAl合金构件尺寸。工艺简单，成形时间短，有效降低成本。但该工艺并没有考虑钛铝合金塑性低、易开裂的问题，不适用于成形大尺寸钛铝合金构件，且成形原料为钛丝和铝丝，成形件的合金成分单一，无法利用其他合金元素进行强韧化。

中国发明专利201210467106.3公开了一种钛铝合金复杂构件的快速制造方法，该方法将钛铝合金粉末装入电子束快速成形机的送粉箱中，以一定的铺粉厚度平铺于铺粉台上，输入扫描参数，在真空条件下对钛铝合金粉末进行逐层扫描烧结，烧结结束后得到钛铝合金复杂零件。该方法可用于制造小型复杂的钛铝合金零件，不适用于成形大尺寸钛铝合金构件。

因此，有必要研究一种大型钛铝合金构件电子束熔丝增材制造方法来应对现有技术的不足，以解决或减轻上述一个或多个问题。

【发明内容】

有鉴于此，本发明提供了一种大型钛铝合金构件电子束熔丝增材制造方法，利用药芯焊丝作为丝材，采用电子束熔丝配合原位加热台增材制造钛铝合金构件，可以显著提升钛铝合金构件的成形质量和成形尺寸。

一方面，一种大型钛铝合金构件电子束熔丝增材制造方法，所述增材制造方法包括以下步骤：

S1：选择基板并对基板进行前期处理和固定；

S2：建立钛铝合金构件的成形三维模型，对成形三维模型进行分层切片及路径规划；

S3：加热基板并保持温度；

S4：将丝材在真空环境进行送进，保持丝材与基板的夹角，丝材和电子束共面且在基板表面汇聚在同一点，丝材在电子束辐照下熔化，按照S2中设定的路径进行单层沉积；

S5：重复S4，逐层沉积，直到完成零件成形；

S6：停止基板加热，待成形的零件冷却到室温后，将零件同基板一同取出。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述丝材选择为：钛铝合金药芯焊丝。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述S1具体为：选择纯钛的基板并对基板进行前期处理，处理完成后固定在原位加热台上。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述纯钛基板为工业纯钛TA2板。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述前期处理具体为：对纯钛基板进行打磨去除氧化皮，并用无水乙醇进行表面清洗，再用去离子水清洗并快速烘干，去除油污。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述S3具体为：启动原位加热台，对纯钛基板进行加热并保持温度，温度保持在800～900℃。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述S4中丝材与基板的夹角为30～50°。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述S4中真空环境具体为将电子束工作腔抽真空，真空度小于5×10^-2Pa。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述S4中，丝材送进速度为30～60mm/s，加速电压为60kV，电子束流为70～90mA，运动速度为6～12mm/s。

如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，电子束熔丝增材成形钛铝合金构件为大尺寸合金强韧化钛铝合金构件。

与现有技术相比，本发明可以获得包括以下技术效果：

1)电子束熔丝成形钛铝合金的原材料，采用钛铝药芯焊丝(纯铝皮+预合金粉末)作为送进丝材，解决电子束真空室无法通过送进钛铝合金粉末的难题；

2)在基板和工作台中间配置原位加热台，保证在成形大尺寸钛铝合金零件过程中的良好塑性，避免零件热应力作用下的开裂；

3)电子束熔丝成形钛铝合金过程中，采用导热性能良好，且与钛铝合金有良好冶金结合的纯钛板作为基板。

当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有技术效果。

【附图说明】

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，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它的附图。

图1是本发明一个实施例提供的电子束熔丝增材制造钛铝合金构件原理图；

图2是本发明一个实施例提供的铝皮药芯焊丝截面示意图；

图3是本发明一个实施例提供的增材制造方法流程图。

其中，图中：

1为工作台，2为原位加热台，3为基板，4为沉积层，5为电子束，6为送丝机构，7为电子枪，8为铝皮，9为预合金粉末。

【具体实施方式】

为了更好的理解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明实施例进行详细描述。

应当明确，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作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本发明。在本发明实施例和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。

本发明提供一种大型钛铝合金构件电子束熔丝增材制造方法，所述增材制造方法包括以下步骤：

S1：选择基板并对基板进行前期处理和固定；

S2：建立钛铝合金构件的成形三维模型，对成形三维模型进行分层切片及路径规划；

S3：加热基板并保持温度；

S4：将丝材在真空环境进行送进，保持丝材与基板的夹角，丝材和电子束共面且在基板表面汇聚在同一点，丝材在电子束辐照下熔化，按照S2中设定的路径进行单层沉积；

S5：重复S4，逐层沉积，直到完成零件成形；

S6：停止基板加热，待成形的零件冷却到室温后，将零件同基板一同取出。

所述S1具体为：选择纯钛的基板并对基板进行前期处理，处理完成后固定在原位加热台上。所述纯钛基板为工业纯钛TA2板。所述前期处理具体为：对纯钛基板进行打磨去除氧化皮，并用无水乙醇进行表面清洗，再用去离子水清洗并快速烘干，去除油污。

所述S3具体为：启动原位加热台，对纯钛基板进行加热并保持温度，温度保持在800～900℃。

所述丝材选择为：钛铝合金药芯焊丝。所述S4中丝材与基板的夹角为30～50°。所述S4中真空环境具体为将电子束工作腔抽真空，真空度小于5×10^-2Pa。所述S4中，丝材送进速度为30～60mm/s，加速电压为60kV，电子束流为70～90mA，运动速度为6～12mm/s。电子束熔丝增材成形钛铝合金构件为大尺寸合金强韧化钛铝合金构件。

本发明采用一定成分的铝皮药芯焊丝作为送进丝材，在真空环境中通过电子束熔化丝材，以纯钛板作为基板，操作台表面安装加热台，可在成形过程中通过原位加热保证构件处于一定温度以上，从而避免热裂纹产生。如图3所示，上述大型钛铝合金构件电子束熔丝增材制造方法，具体包括如下步骤：

1)选择工业纯钛TA2板作为基板，对纯钛基板进行打磨去除氧化皮，并用无水乙醇进行表面清洗，再用去离子水清洗并快速烘干，去除油污，将该基板固定于原位加热台上；

2)建立钛铝合金构件的成形三维模型，对该模型进行分层切片及路径规划；

3)启动原位加热台装置，对纯钛基板进行加热，保持温度T；

4)在真空环境下，将钛铝合金药芯焊丝通过送丝装置进行送进，丝材与基板的夹角为ɑ，丝材和电子束共面且在基板表面汇聚在同一点，丝材在电子束辐照下熔化，按照设定路径进行单层沉积；

5)重复过程4)，逐层沉积，直到完成零件成形；

6)关闭原位加热台装置，待钛铝合金构件冷却到室温后，将零件同基板一起取出。

本发明中电子束熔丝增材制造钛铝合金构件原理如图1所示，图中1为工作台，2为原位加热台，3为基板，4为沉积层，5为电子束，6为送丝机构，7为电子枪。

实施例1：

本发明实施例中所用的铝皮药芯焊丝成分为Ti-48Al-2Cr-2Nb，基板为TA2纯钛板，药芯焊丝为铝皮药芯焊丝，图2为药芯焊丝的截面示意图，焊丝直径为2mm，药皮为纯铝，其厚度为0.1mm，药芯为Al、Ti、Cr、Nb的预合金粉末，为控制构件化学成分，假设密堆积的粉末占据药皮内圆截面的85-90％，由此估算出粉末成分为Ti-35Al-2.5Cr-2.5Nb。图2中8为铝皮，9为预合金粉末。

具体由如下步骤组成：

1)对纯钛基板进行表面处理，打磨去除氧化皮，并用无水乙醇进行表面清洗，再用去离子水清洗并快速烘干，去除油污；

2)建立钛铝合金构件的三维模型，并对模型进行分层切片及路径规划；

3)将纯钛基板固定于原位加热台上，并安装药芯焊丝；

4)将电子束工作腔抽真空，真空度小于5×10^-2Pa；

5)启动原位加热台装置，对纯钛基板进行加热，保持温度800℃～900℃；

6)在真空环境下，将钛铝合金药芯焊丝通过送丝装置进行送进，丝材与基板的夹角为30～50°，丝材和电子束共面且在基板表面汇聚在同一点，丝材在电子束辐照下熔化，丝材送进速度为30～60mm/s，加速电压60kV，电子束流70～90mA，运动速度6～12mm/s，按照设定路径进行单层沉积；

7)重复过程6)，逐层沉积，直到完成零件成形；8)关闭原位加热台装置，待钛铝合金构件冷却到室温后，将零件同基板一起取出。

实施例2：

本实施例与实施例1的区别在于所用的铝皮药芯焊丝成分为Ti-47Al-2W-0.5Si，药芯为Al、Ti、W、Si的预合金粉末，为控制构件化学成分，可估算出药粉成分为Ti-40Al-3W-Si，其他工艺过程与具体实施方式一相同。

本发明中电子束熔丝成形钛铝合金的原材料，采用钛铝药芯焊丝(纯铝皮+预合金粉末)作为送进丝材，解决电子束真空室无法通过送进钛铝合金粉末的难题；在基板和工作台中间配置原位加热台，保证在成形大尺寸钛铝合金零件过程中的良好塑性，避免零件热应力作用下的开裂；电子束熔丝成形钛铝合金过程中，采用导热性能良好，且与钛铝合金有良好冶金结合的纯钛板作为基板。

本发明通过铝皮药芯焊丝作为送进丝材，解决了电子束真空腔无法送粉的问题，且可控制丝材成分，从而成形综合力学性能优异的钛铝合金；另一方面，在电子束熔丝设备中配备同步加热台，在成形过程中对纯钛基板进行加热，实现成形过程中不断去除钛铝合金的残余应力，解决钛铝合金开裂问题，适合大型钛铝合金构件的成形。

以上对本申请实施例所提供的一种大型钛铝合金构件电子束熔丝增材制造方法，进行了详细介绍。以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本申请的思想，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申请的限制。

如在说明书及权利要求书当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可理解，硬件制造商可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求书并不以名称的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求书当中所提及的“包含”、“包括”为一开放式用语，故应解释成“包含/包括但不限定于”。“大致”是指在可接收的误差范围内，本领域技术人员能够在一定误差范围内解决所述技术问题，基本达到所述技术效果。说明书后续描述为实施本申请的较佳实施方式，然所述描述乃以说明本申请的一般原则为目的，并非用以限定本申请的范围。本申请的保护范围当视所附权利要求书所界定者为准。

还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的商品或者系统不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种商品或者系统所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的商品或者系统中还存在另外的相同要素。

应当理解，本文中使用的术语“和/或”仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。

上述说明示出并描述了本申请的若干优选实施例，但如前所述，应当理解本申请并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述申请构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本申请的精神和范围，则都应在本申请所附权利要求书的保护范围内。

Claims (8)

1.一种大型钛铝合金构件电子束熔丝增材制造方法，其特征在于，所述增材制造方法包括以下步骤：

S1：选择基板并对基板进行前期处理和固定；

S2：建立钛铝合金构件的成形三维模型，对成形三维模型进行分层切片及路径规划；

S3：加热基板并保持温度；

S4：将丝材在真空环境进行送进，保持丝材与基板的夹角，丝材和电子束共面且在基板表面汇聚在同一点，丝材在电子束辐照下熔化，按照S2中设定的路径进行单层沉积；

S5：重复S4，逐层沉积，直到完成零件成形；

S6：停止基板加热，待成形的零件冷却到室温后，将零件同基板一同取出；

所述丝材选择为：钛铝合金药芯焊丝，钛铝合金药芯焊丝为铝皮药芯焊丝，所用的铝皮药芯焊丝成分为Ti-48Al-2Cr-2Nb，药皮为纯铝，其厚度为0.1mm，药芯为Al、Ti、Cr、Nb的预合金粉末；所述S3具体为：启动原位加热台，对纯钛基板进行加热并保持温度，温度保持在800～900℃。

2.根据权利要求1所述的增材制造方法，其特征在于，所述S1具体为：选择纯钛的基板并对基板进行前期处理，处理完成后固定在原位加热台上。

3.根据权利要求2所述的增材制造方法，其特征在于，所述纯钛基板为工业纯钛TA2板。

4.根据权利要求1所述的增材制造方法，其特征在于，所述前期处理具体为：对纯钛基板进行打磨去除氧化皮，并用无水乙醇进行表面清洗，再去离子水清洗并快速烘干，去除油污。

5.根据权利要求1所述的增材制造方法，其特征在于，所述S4中丝材与基板的夹角为30～50°。

6.根据权利要求1所述的增材制造方法，其特征在于，所述S4中真空环境具体为将电子束工作腔抽真空，真空度小于5×10^-2Pa。

7.根据权利要求1所述的增材制造方法，其特征在于，所述S4中，丝材送进速度为30～60mm/s，加速电压为60kV，电子束流为70～90mA，运动速度为6～12mm/s。

8.根据权利要求1所述的增材制造方法，其特征在于，电子束熔丝增材成形钛铝合金构件为大尺寸合金强韧化钛铝合金构件。

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