CN113290254B - 一种金属零件的复合制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种金属零件的复合制造方法，包括：1）将零件模型分成分体件区和增材区；其中，分体件区可为1个或多个；2）制造分体件；3）将所述分体件按照模型组装、固定，预留增材区；4）对增材区采用增材制造进行成形，实现所述的金属零件的制造；5)对整体制造的金属零件进行热处理以改善性能、减小残余应力；其中，增材区垂直于沉积增高方向的截面面积沿着沉积增高方向逐渐增大，以使得增材区的与分体件区相邻接的面与增材区的底面形成外延夹角θ，所述外延夹角θ为5‑40°。本发明实现了大尺寸金属复杂结构件的制造，通过合理的热处理，获得较好的力学性能。
Description
技术领域
本发明涉及金属增材制造的领域，尤其是涉及一种金属零件的复合制造方法。
背景技术
通过结构整体化替代组合件，可减少连接件，降低结构重量，提升结构品质，是航空、航天、船舶等高端装备结构发展方向。例如，飞机采用翼身融合整体框替代原机身框与机翼框的组合件，可实现结构减重20%以上、零件数量减少80%以上，结构的安全性和可靠性大幅提升。
受限于金属坯料制造能力和锻造能力，传统锻、铸、焊接制造方法，难以实现大尺寸复杂构件的整体高性能制造。并且，锻造大型复杂构件由于不同位置变形差异大、不均匀，组织、性能一致性差、难以充分发挥材料性能。锻铸加焊接是当前大尺寸金属结构件制造的主要方式，但由于焊接热输入对材料性能损伤较大，焊缝的强度、塑韧性尤其是疲劳性能低于母材，对构件的使用安全性和寿命造成显著不良影响，焊缝性能一致性较差、可靠性较低，难以用作关键承力结构件。
发明内容
本发明的目的在于，提出一种大尺寸金属零件的整体制造方法，将增材制造和锻铸等工艺有机结合，实现大尺寸复杂金属零部件高性能制造。
本发明的技术方案具体为，一种金属零件的复合制造方法，包括：
1）将零件模型分成分体件区和增材区；其中，分体件区为1个或多个；
2）制造分体件；
3）将所述分体件按照零件模型组装、固定，预留增材区；
4）对增材区采用增材制造进行成形，实现所述的金属零件的制造；
5）对整体制造的金属零件进行热处理；
其中，增材区垂直于沉积增高方向的截面面积沿着沉积增高方向逐
渐增大，以使得增材区的与分体件区相邻接的面与增材区的底面形成外延夹角θ，所述外延夹角θ为5-40°。
进一步优选的，所述分体件采用锻造、铸造、粉末冶金、机械加工、增材制造的一种或两种以上方法制造。
进一步优选的，所述增材制造所用的能源为激光、电子束、等离子或电弧
中一种或两种以上。
进一步优选的，增材区的与分体件区邻接面处增材制造进行成形时所用功
率PL与增材区其他区域所用功率P0满足关系为，PL= K·P0/sinθ，K取0.8~1.5。
进一步优选的，所述的分体件区、增材区的材料为钛合金、钢、高温合金、
铝合金、镁合金中的一种。
进一步优选的，当所述材料为钛合金时，K取1.0~1.2；当金属为钢时，K取0.9~1.5。
进一步优选的，所述的分体件区、增材区的材料为钛合金、钢、高温合金、
铝合金、镁合金中的两种以上。
进一步优选的，当所述材料一个为钛合金、一个为钢时，K取1.0~1.2。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
首先，本发明提供了一种通过增材制造将分体件连接形成整体并在其上进行制造，从而实现大尺寸复杂金属零件的方法，该方法通过控制增材区垂直于沉积增高方向的截面面积沿着沉积增高方向逐渐增大，以使得增材区的与分体件区相邻接的面与增材区的底面形成5-40°的外延夹角θ，能够将大尺寸零件分块制造，大大降低了制造难度和成本，同时有效结合了增材制造、锻造等工艺各自优势，实现了高性能、整体、低成本制造。
同时，本发明通过控制增材区与分体件结合部位的能量输入，按照PL= K·P0/sinθ进行控制，能够有效保证结合部位完全冶金结合、不存在薄弱环节，进而确保金属零件的整体性能。其中，PL和P0关系是依据保持单位时间能量输入保持合理范围而确定的。单位时间能量输入是决定熔化深度和熔池过热度及温度场的关键，保持一致的单位时间能量输入，要求PL=P0/sinθ。考虑到，外延坡面的粉末利用率、不同材料实际能量吸收率和基材热传导等因素，引入了系数K进行调整，根据经验，K优选范围为0.8~1.5。
附图说明
图1是本发明金属零件的复合制造方法的工艺流程图。
图2是本发明实施例1中零件模型示意图。
图3是本发明实施例2和3中零件模型示意图。
图4是本发明实施例4中零件模型示意图。
具体实施方式
以下将结合本发明实施例中的附图对本发明实施例中的技术方案进行描述。
实施例1
如图2所示，本实施例将零件模型分成2个分体件区和1个增材区，采用激光作为增材制造的能量源，选用了锻件TC4钛合金作为分体件的基体部分材料，激光增材制造原材料为采用旋转电极雾化法制备的TC4钛合金粉末。
如图1的工艺流程所示：
准备好原材料后，首先对目标大型构件的第一分体件1和第二分体件2按照如图2所示的模型进行锻造+机械加工，随后将第一分体件1和第二分体件2按照模型进行组装和固定，预留增材区。增材区垂直于沉积增高方向的截面面积沿着沉积增高方向逐渐增大，以使得增材区的与分体件区相邻接的面（外延面）与增材区的底面形成外延夹角θ，增材区外延夹角θ为30°。
然后，将钛合金粉末进行装填，对前述预留的增材区实施激光增材制造。增材过程中，激光束方向保持不变。为保持增材制造成形时所用单位时间能量在增材区的外延面上与非外延面区域保持不变，外延面上激光功率PL与非外延面上激光功率P0的关系为，PL=KP0/sin30，K取1.1，PL = 2.2P0。
完成增材制造后，将零件进行热处理，工艺为：950±10℃保温1小时，空冷；然后，650℃保温4小时，空冷。
零件结合区通过超声缺陷检测，未发现超过φ0.8mm当量平底孔的缺陷，内部冶金质量良好，达到GJB 1580A规定的AA级水平。对含有结合区的余料部分剖取试样，进行拉伸试验，结合区拉伸强度为Rm为960MPa，RP0.2为915MPa，延伸率A为10.5%，TC4锻件标准为Rm≥895MPa、RP0.2≥825MPa、A≥8%，与锻件标准相比强度和塑性都有一定裕度。
根据使用要求对零件进行机械加工等后处理。
实施例2
本实施例将零件模型分成3个分体件区和2个增材区（如图3所示），采用电弧作为增材制造的能量源，选用了锻件TA15钛合金作为分体件的基体部分材料，同时选用增材制造原材料为TA15钛合金丝材。
准备好原材料后，首先对目标大型构件的第一分体件1、第二分体件2按照模型进行锻造+机械加工，第三分体件3采用铸造，随后将第一分体件1、第二分体件2和第三分体件3按照模型进行组装和固定，预留增材区。增材区垂直于沉积增高方向的截面面积沿着沉积增高方向逐渐增大，以使得增材区的与分体件区相邻接的面（外延面）与增材区的底面形成外延夹角θ，增材区外延夹角θ为15°。
对前述预留的增材区实施电弧增材制造。电弧始终保持与沉积底面垂直的竖直方向，为保持增材制造成形时所用单位时间能量在增材区的外延面上与非外延面区域保持不变，外延面上激光功率PL与非外延面上激光功率P0的关系为，PL=KP0/sin15，K取1.1，PL =4.25P0。
完成增材制造后，将零件进行热处理，工艺为：990±10℃保温1小时，风冷至室温；然后，700℃保温4h，空冷。
零件结合区通过超声缺陷检测，未发现超过φ0.8mm当量平底孔的缺陷，内部冶金质量良好，达到GJB 1580A规定的AA级水平。对含有结合区的余料部分剖取试样，进行拉伸试验，结合区拉伸强度为Rm为980MPa，RP0.2为910MPa，延伸率A为10%，TA15锻件标准为Rm≥930MPa、RP0.2≥855MPa、A≥8%，与锻件标准相比强度和塑性都有一定裕度。
实施例3
本实施例将零件模型分成3个分体件区和2个增材区，增材区采用激光增材制造工艺，选用了锻件316L不锈钢作为分体件的基体部分材料，同时选用增材制造原材料为316L不锈钢粉末。
准备好原材料后，首先对目标大型构件的第一分体件1、第二分体件2按照模型进行锻造+机械加工，第三分体件3采用电弧熔丝增材制造+机械加工，随后将第一分体件1、第二分体件2和第三分体件3按照模型进行组装和固定，预留增材区。增材区垂直于沉积增高方向的截面面积在沉积增高方向上外延，增材区外延夹角θ为20°。
对前述预留的增材区实施送粉激光增材制造。增材制造过程中，激光束方向不变、组装后的分体件在三个直线轴控制的基础上运动。为保持增材制造所用单位面积能量在增材区外延面上与非外延面上基本保持不变，外延面上激光功率PL与非外延面上激光功率P0的关系为，PL = KP0/sin20，K取1.03，PL=3P0。
完成增材制造后，将零件进行固溶热处理，工艺为：1090±10℃保温1小时，水淬。时效工艺根据使用条件对强韧性匹配需要进行。
零件结合区通过超声缺陷检测，未发现超过φ0.8mm当量平底孔的缺陷，内部冶金质量良好，达到GJB 1580A规定的AA级水平。对含有结合区的余料部分剖取试样，进行拉伸试验，结合区拉伸强度为Rm为590MPa，延伸率A为48%，满足锻件标准。
实施例4
本实施例将零件模型分成4个分体件区和3个增材区（如图4所示），增材区采用激光增材制造工艺，选用了TC11钛合金热轧板、锻件和增材件作为分体件，选用增材制造原材料为TC11钛合金粉末。
准备好原材料后，首先对目标大型构件的第一分体件1、第二分体件2按照模型进行锻造+机械加工；第三分体件3采用热轧板机械加工；第四分体件4为热轧板材上激光增材制造后机械加工获得。将4个分体件照模型进行组装和固定，预留增材区。增材区垂直于沉积增高方向的截面面积在沉积增高方向上外延，增材区外延夹角θ为30°。
对前述预留的增材区实施送粉激光增材制造。增材制造过程中，激光束方向不变、组装后的分体件在三个直线轴控制的平台上运动。外延面上激光功率PL与非外延面上激光功率P0的关系为，PL = KP0/sin30，K取1.0，PL=2P0。
完成增材制造后，将零件进行热处理，工艺为：990±10℃保温0.5~2h，空冷或风冷；然后，530℃保温6h，空冷。
零件结合区通过超声缺陷检测，未发现超过φ0.8mm当量平底孔的缺陷，内部冶金质量良好，达到GJB 1580A规定的AA级水平。对含有结合区的余料部分剖取试样，进行拉伸试验，结合区拉伸强度为Rm为1080MPa，RP0.2为950MPa，延伸率A为11%，TC11锻件标准为Rm≥1030MPa、RP0.2≥910MPa、A≥8%，与锻件标准相比强度和塑性都有一定裕度。
比较例1
比较例1与实施例1的差别为外延面上激光功率PL与非外延面上激光功率P0的关系选择不同。比较例1中，外延面上激光功率PL与非外延面上激光功率P0的关系为，K=0.5，PL=0.5P0/sin30=P0，增材完成后，通过超声检测，发现外延面结合区上存在多个当量大于φ1.2mm当量平底孔的缺陷，解剖后发现外延面上大量未熔合缺陷，零件报废。对含有结合区的余料部分剖取试样，进行拉伸试验，结合区拉伸强度为Rm为820MPa，延伸率A为6%，强度塑性均显著低于实施例1。
比较例2
比较例2与实施例1的差别为外延面上激光功率PL与非外延面上激光功率P0的关系选择不同。比较例2中，外延面上激光功率PL与非外延面上激光功率P0的关系为，K=2，PL=2P0/sin30=4P0，增材完成后零件结合区通过超声缺陷检测，未发现超过φ0.8mm当量平底孔的缺陷，内部冶金质量良好，达到GJB 1580A规定的AA级水平。对含有结合区的余料部分剖取试样，进行拉伸试验，结合区拉伸强度为Rm为890MPa，延伸率A为6%，与实施例1相比，强度和塑性降低，并且降低至锻件标准要求以下，这主要是由于增材过程中，结合区单位能量密度过高，导致组织宏观晶粒和微观晶内组织粗化，强度塑性均显著降低。
比较例3
比较例3与实施例1的差别为增材区外延夹角θ不同。比较例3中，增材区外延夹角θ为3℃。增材完成后，零件结合区通过超声缺陷检测，发现存在多个当量大于φ1.2mm当量平底孔的单个和面积形缺陷，解剖后发现外延面上大量未熔合缺陷，零件报废。对含有结合区的余料部分剖取试样，进行拉伸试验，结合区拉伸强度为Rm为580MPa，延伸率A为0，试样脆断。
比较例4
比较例4与实施例1的差别为增材区外延夹角θ不同。比较例4中，增材区外延夹角θ为60℃，K=1.1，PL=1.1P0/sin60=1.27P0。增材完成后，零件结合区通过超声缺陷检测，未发现超过φ0.8mm当量平底孔的缺陷，内部冶金质量良好，达到GJB 1580A规定的AA级水平。对含有结合区的余料部分剖取试样，进行拉伸试验，结合区拉伸强度为Rm为910MPa，延伸率A为6%，与实施例1相比，强度和塑性降低，其中塑性降低至锻件标准要求以下，这主要是由于增材过程中总能量输入增加，导致结合区附近母材组织粗化，强塑性降低。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉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，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
Claims (7)
1.一种金属零件的复合制造方法，包括：
1）将零件模型分成分体件区和增材区；其中，分体件区为多个；
2）制造分体件；
3）将所述分体件按照零件模型组装、固定，预留增材区；
4）对增材区采用增材制造进行成形，实现所述的金属零件的制造；
5）对整体制造的金属零件进行热处理；
其特征在于，增材区垂直于沉积增高方向的截面面积沿着沉积增高方向逐渐增大，以使得增材区的与分体件区相邻接的面与增材区的底面形成外延夹角θ，所述外延夹角θ为5-40°；增材区的与分体件区邻接面处增材制造进行成形时功率PL与增材区其他区域所用功率P0满足关系为，PL= K·P0/sinθ，K取0.8~1.5。
2.根据权利要求1所述的复合制造方法，其特征在于，所述分体件采用锻造、铸造、粉末冶金、机械加工、增材制造的一种或两种以上方法制造。
3.根据权利要求1所述的复合制造方法，其特征在于，所述增材制造所用的能源为激光、电子束、等离子或电弧中一种或两种以上。
4.根据权利要求1所述的复合制造方法，其特征在于，所述的分体件区、增材区的材料为钛合金、钢、高温合金、铝合金、镁合金中的一种。
5.根据权利要求4所述的复合制造方法，其特征在于，当所述材料为钛合金时，K取1.0~1.2；当所述材料为钢时，K取0.9~1.5。
6.根据权利要求1所述的复合制造方法，其特征在于，所述的分体件区、增材区的材料为钛合金、钢、高温合金、铝合金、镁合金中的两种以上。
7.根据权利要求6所述的复合制造方法，其特征在于，当所述材料一个为钛合金、一个为钢时，K取1.0~1.2。
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