CN114833351B - 一种耐磨钛合金零件及其电子束熔丝增材制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种耐磨钛合金零件及其电子束熔丝增材制造方法，涉及增材制造技术领域，能够实现零件本体、过渡区以及表面耐磨涂层的一体化制造，减少制造工序、缩短制造周期、降低成本；该方法包括：S1、将丝状的零件主体材料和耐磨涂层材料分别装入对应的送丝机构中；S2、建立一体化成型三维模型，并规划成形路径及参数建立工艺模型；S3、将零件主体材料送进真空环境中，通过电子束熔丝制备零件主体结构；S4、将零件主体材料和耐磨涂层材料同时送入真空环境中，通过电子束熔丝在主体结构表面制备过渡区；S5、将耐磨涂层材料送进真空环境中，通过电子束熔丝在过渡区表面制备耐磨涂层；S6、整个零件制备完成后，冷却并取出。
Description
技术领域
本发明涉及增材制造技术领域，尤其涉及一种耐磨钛合金零件及其电 子束熔丝增材制造方法。
背景技术
钛合金具有比强度高、耐腐蚀、生物相容性好等优点，被广泛应用于 航空航天、汽车、船舶和生物医药等领域，但由于其表面硬度较低、摩擦 磨损性能较差，限制了其在高载荷运动摩擦副等工况中的应用。许多学者 对如何提高钛合金的耐磨性能进行研究，目前主要通过后续的表面处理技 术来提高钛合金零件表层的耐磨性。
电子束增材制造技术是一种通过高能束热源将原材料熔化并快速凝 固，逐层沉积直接成形零件的先进制造方法。其中，电子束熔丝增材制造 作为一种定向能量沉积增材制造技术，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。电子束熔丝工艺的工作环境为真空室，在 提高零件成形质量的同时也限制了原材料的形式，不适用于粉末材料的送进。
现有技术1公开了一种钛合金激光增材修复与表面渗氮复合处理工 艺。首先，对钛合金零件表面进行前处理，再对修复钛合金表面进行后处 理，恢复钛合金尺寸及精度，再将钛合金进行渗氮处理，最后进行热处理， 获得高质量的钛合金修复与表面改性试样。该发明先通过激光增材工艺修复钛合金零件恢复尺寸，然后再通过表面渗氮处理对钛合金修复件进行表 面强化，开展的工序较多，周期较长，且表面耐磨层厚度难控制。
现有技术2公开了一种油田钻杆表面耐磨层及其制备方法。以包覆型WC-Co金属基陶瓷复合粉末作为熔覆材料，以钛合金为基体，将包覆型 WC-Co金属基陶瓷复合粉末作为熔覆材料置于送粉器内，利用同步送粉 方式在钛合金基体上进行搭接扫描熔覆，得到具有耐磨层的钛合金，具有 高能量密度的激光束使得基体表层与熔覆材料同时融化，并快速凝固形成 耐磨性优异的熔覆层。该发明需要先对钛合金基体进行表面处理后再通过 激光熔覆方法进行耐磨层的制备，制造周期较长，耐磨层与基体存在明显界面。
现有技术3提供了一种基于激光增材制造的具有梯度耐磨涂层的模 具的制备方法。提供待加工的模具及成型粉末，并将成型粉末分别转移至 送粉器进行预加热、保温，所述成型粉末包括与所述模具材料一致或组成 接近的粉末A、强化粉末B及至少一种由粉末A与强化粉末B组成的混 合粉末C；制定加工程序，并依据加工程序将粉末A、混合粉末C、强化粉末B依次逐层熔化沉积在模具表面；将上述完成激光加工的模具进行热处理后再机加工至目标尺寸，得到成品模具。采用该制备方法，通过混 合粉末C形成的过渡层减少多层激光增材加工过程中可能产生的结构缺 陷，能够制得耐磨性能好且不易剥落的耐磨涂层的模具，解决现有模具寿 命短，表面强化工艺复杂的难题。该发明需要预先将粉末按不同比例进行 多次混合，然后再将不同比例混合的粉末依次逐层熔化沉积在模具表面，需要开展的工序较多。
现有技术4提供了一种钛及钛合金表面使用热喷涂制备高硬度复合 组织层的方法。在钛及钛合金表面用100～200目的不规则石英砂粒做喷砂表面处理，高压风清理干净后，使用热喷涂法中的超音速等离子喷涂法， 用N2等作为保护气体，将200～400目的不规则纯钛粉末喷涂在处理后的 表面上。喷涂后经过表面处理得到关键特征钛表面，此钛表面得到强化并 呈现出粗糙度均匀的光滑表面。此表面由钛和钛的氮化物以及氧化物组成，外观呈不规则的明暗交替的麻纹状分布。经测试此表面的维氏硬度可达到 1000HV以上。该发明通过超音速等离子喷涂法制备钛合金表面高硬度层， 该方法需要先进行表面处理，再通过超音速等离子设备进行喷涂，工序较多，设备及耗材成本较高。
现有技术5提供了一种钛合金表面化学镀耐磨涂层的制备方法，主要 包括了碱洗、酸洗、微粒改性、化学镀、后处理等几个步骤。所制备的涂 层均匀致密、耐磨性好，能显著提高钛合金耐磨性能；耐磨颗粒在涂层中 的分散性好，涂层与基体结合力强；制备工艺简单可控，成本较低，在航空航天、机械、化工、人体植入材料等领域有广阔的应用前景。该发明通 过表面化学镀的方法制备钛合金表面耐磨涂层，该方法需要进行一系列表 面处理再进行化学镀，工序较多，且镀层厚度薄。
在目前已公开的现有技术中，钛合金表面强化方法多作为单独的一个 工艺流程来设计，很少与构件成形过程相联系。
因此，有必要研究一种耐磨钛合金零件及其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，本发明提供了一种耐磨钛合金零件及其电子束熔丝增材制 造方法，能够实现零件本体、过渡区以及表面耐磨涂层的一体化制造，减 少制造工序、缩短制造周期、降低成本。
一方面，本发明提供一种耐磨钛合金零件电子束熔丝增材制造方法， 所述方法的步骤包括：
S1、装入丝材：将丝状的零件主体材料和丝状的耐磨涂层材料分别装 入对应的送丝机构中；
S2、构建模型：建立零件一体化成形的三维模型，并根据三维模型规 划成形路径及参数，从而建立增材制造的工艺模型；
S3、制备零件主体结构：根据工艺模型将所述零件主体材料送进真空 环境中，通过电子束熔丝制备零件主体结构；
S4、制备过渡区：根据工艺模型将所述零件主体材料和所述耐磨涂层 材料同时送入真空环境中，通过电子束熔丝在主体结构表面制备过渡区；
S5、制备耐磨涂层：根据工艺模型将所述耐磨涂层材料送进真空环境 中，通过电子束熔丝在过渡区表面制备耐磨涂层；
S6、整个零件制备完成后，冷却并取出。
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， 步骤S3中零件主体结构制备在基板上，所述基板可拆卸地固定在真空环 境中的工作台上。
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， 所述零件主体材料为钛合金丝材。
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， 所述钛合金丝材的直径为0.8mm-2.0mm。
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， 所述耐磨涂层材料为钛皮药芯焊丝。
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， 所述钛皮药芯焊丝具体为：以纯钛为药皮，所述药皮内填充有钛粉和增强相的混合粉末。
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， 所述钛皮药芯焊丝的直径为0.8mm-2.0mm。
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， 所述增强相为细小的高熔点高稳定颗粒。
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， 所述增强相为氧化物、氮化物、硼化物、硅化物中的任意一种或多种的混 合物。
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， 所述基板的材料为工业纯钛；
所述基板为经过打磨、清洗和干燥处理后的基板。
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， 上述的真空环境具体为：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， 步骤S2中建立零件一体化成型的三维模型时，结合表面加工余量进行耐 磨涂层位置、形状和厚度的设计。
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， 所述过渡区沿所述零件主体结构到所述耐磨涂层的方向，其中的所述零件 主体材料和所述耐磨涂层材料的占比是渐变的，具体为：所述零件主体材 料的占比由大渐小。
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， 上述占比渐变的实现方式是：通过调整钛合金丝材和钛皮药芯焊丝的送进 速度，实现过渡区成分连续变化。
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， 耐磨涂层的制备过程中，通过减小热输入以及调整送丝速度的方式获得较 高的、同时也是零件所需的表面质量。零件主体结构采用较高的送丝速度 和较大束流，成形效率高，零件耐磨涂层结构采用较低的送丝速度和较小 束流，可获得质量较高的表面。
另一方面，本发明提供一种采用如上任一所述耐磨钛合金零件电子束 熔丝增材制造方法制备的耐磨钛合金零件，所述耐磨钛合金零件包括零件 主体结构、过渡区和耐磨涂层；所述过渡区铺设在所述零件主体结构和所 述耐磨涂层之间；
所述过渡区具有成分渐变特性。
与现有技术相比，上述技术方案中的一个技术方案具有如下优点或有 益效果：采用钛合金丝和内部填充增强相粉末的钛皮药芯焊丝作为原材料， 在真空室中通过电子束熔丝增材制造方法，实现直接成形一体化表面耐磨 钛合金零件，解决了钛合金零件表面硬度较低、摩擦磨损性能较差，在高 载荷运动摩擦副等工况中存在应用限制的问题，可减少工艺流程，缩短制造周期，降低成本；
上述技术方案中的另一个技术方案具有如下优点或有益效果：通过调 整钛合金丝材和钛皮药芯焊丝的送进速度，调控熔池中钛合金丝和药芯焊 丝比例，实现过渡区连续变化，使得钛合金和表面耐磨涂层之间实现良好 过渡，表面耐磨涂层不易剥落，并且可以精确控制涂层厚度；
上述技术方案中的另一个技术方案具有如下优点或有益效果：通过钛 皮药芯焊丝作为耐磨涂层原材料，解决了电子束真空室无法通过送进粉末 的问题，电子束真空室可保证钛合金表面不发生氧化，提高成形质量。
上述技术方案中的另一个技术方案具有如下优点或有益效果：本发明 用于制造航空航天、汽车、船舶等领域中存在相对运动、易磨损的零件， 如机翼滑动导轨、起落架作动筒等。
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耐磨钛合金零件电子束熔丝增材制 造方法流程图；
图2是本发明一个实施例提供的耐磨钛合金零件电子束熔丝增材制 造方法原理图；其中，(a)为过渡区制备原理，两种丝材同时参与制备； (b)为耐磨涂层制备原理，仅耐磨涂层材料参与制备；
图3是本发明一个实施例提供的耐磨钛合金零件电子束熔丝增材制 造方法丝材原料示意图。
其中，图中：
1、工作台；2、基板；3、钛合金沉积层；4、过渡区；5、表面耐磨 涂层；6、第一送丝机构；7、第二送丝机构；8、电子束；9、电子枪；10、 钛合金丝材；11、药芯焊丝；
111、药皮；112、内部填充粉末。
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做出创造 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。
本发明提供一种电子束熔丝增材制造耐磨钛合金零件成形方法，通过 钛合金丝和钛皮药芯焊丝作为送进丝材，实现直接成形一体化表面耐磨钛 合金零件，可减少工艺流程，缩短制造周期，降低成本；通过控制丝材送 进速度，实现钛合金和表面耐磨涂层过渡区连续变化，涂层不易剥落且厚 度可控。
本发明实现其发明目的所采取的技术方案是：一种耐磨钛合金零件电 子束熔丝增材制造方法，其步骤如下：
步骤1：选择并清洁基板2，将其固定于工作台1；
具体包括：选择工业纯钛板作为基板，打磨去除基板表面氧化皮，用 无水乙醇清洗基板表面去除油污，再用去离子水清洗，然后快速烘干，并 固定于工作台；
步骤2：选择零件主体材料，将其装入第一送丝机构6；
零件主体材料具体为钛合金丝材10，丝材直径为0.8mm-2.0mm；
步骤3：设计表面耐磨涂层区材料，将其装入第二送丝机构7；
表面耐磨涂层区丝材选择为：纯钛为药皮111、内部填充钛粉与增强 相混合粉末112的药芯焊丝11，丝材直径为0.8mm-2.0mm；其中，增强 相为细小的高熔点高稳定颗粒，如氧化物、氮化物、硼化物、硅化物等及 其混合物；
步骤4：对零件三维数模进行一体化设计；
具体包括：对零件钛合金主体结构和表层耐磨涂层区域进行一体化设 计，结合表面加工余量，进行涂层位置、形状与厚度设计；
步骤5：规划零件的成形路径及参数，建立增材制造工艺数模；
步骤6：在真空环境中，将钛合金丝材通过送丝装置送进，在电子束 8辐照下熔化丝材，制造零件主体结构3；
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；
步骤7：在接近涂层位置的增材区域，以钛合金丝材和钛皮药芯焊丝 作为送进丝材，在电子束8辐照下熔化丝材，制造钛合金和表面耐磨涂层 之间的过渡区4；
过渡区制造，通过调整钛合金丝材和钛皮药芯焊丝的送进速度，实现 过渡区成分连续变化；
步骤8：在涂层表面的增材区域，以钛皮药芯焊丝作为送进丝材，在 电子束8辐照下熔化丝材，制造表面耐磨层5；
表面耐磨层制造，通过减小热输入、调整送丝速度等方式获得较高的 表面质量；
步骤9：根据零件加工路径规划，重复步骤6-步骤8至零件成形完成， 冷却到室温后，将零件同基板一起取出；
步骤10：根据实际需要，经过后续热处理和机加工，完成耐磨钛合 金零件制备。
实施例1：
该实施例选择TC4钛合金作为零件主体结构材料，选择WC颗粒作 为钛合金零件耐磨涂层增强相。
本实施例制造方法的流程包括如下步骤：
1)选择工业纯钛TA2板作为基板，打磨去除基板表面氧化皮，用无 水乙醇清洗基板表面去除油污，再用去离子水清洗，然后快速烘干；
2)选择TC4钛合金作为零件主体结构材料，焊丝直径1.2mm，装入 送丝机构1；
3)以纯钛为药皮、内部填充钛粉与WC增强相混合粉末的药芯焊丝 作为涂层区域的丝材原料，焊丝直径1.2mm，装入送丝机构2；
4)根据零件的三维数模，对钛合金主体结构和表层耐磨涂层区域进 行一体化设计，结合表面加工余量，进行涂层位置、形状与厚度设计；
5)规划零件的成形路径及参数，生成电子束熔丝增材制造工艺数模；
6)将电子束工作腔抽真空，在真空度小于5×10-2Pa环境下，将TC4 钛合金丝材通过送丝装置送进，在电子束辐照下熔化丝材，制造主体结构， 丝材送进速度为30-60mm/s，加速电压60kV,电子束流70-150mA，运动 速度10-30mm/s，高效率沉积制造内部主体结构；
7)在接近涂层位置的增材区域，以钛合金丝材和药芯焊丝作为送进 丝材，同时送进，在电子束辐照下熔化丝材，制造过渡区，丝材送进速度 为20-60mm/s，加速电压60kV,电子束流50-150mA，运动速度10-30mm/s， 通过调整钛合金丝材和钛皮药芯焊丝的送进速度，控制过渡区成分，实现 过渡区连续变化；
8)在涂层表面，以钛皮药芯焊丝作为送进丝材，在电子束辐照下熔 化丝材，制造表面耐磨层，丝材送进速度为20-45mm/s，加速电压60kV,电子束流50-100mA，运动速度10-30mm/s，通过减小热输入、调整送丝 速度等方式获得较高的表面质量；
9)根据零件加工路径规划，重复步骤6)7)8)至零件成形完成， 冷却到室温后，将零件同基板一起取出。
实施例2：
该实施例与实施例1的不同之处在于：选择TA15钛合金作为零件主 体结构材料。TA15焊丝直径1.0mm；选择TiC颗粒作为钛合金零件耐磨 涂层增强相，以纯钛为药皮、内部填充钛粉与TiC增强相混合粉末的药芯 焊丝作为涂层区域的丝材原料，焊丝直径1.0mm。其他工艺过程与实施例 1相同。
可行性验证说明：
本发明在前期研究中，进行了钛合金与增强相增材制造试验，未见有 宏观开裂，微观裂纹以及气孔等现象，得到显微组织，增强相颗粒被钛合 金基体所包围，在涂层中均匀分布。
以上对本申请实施例所提供的一种耐磨钛合金零件及其电子束熔丝 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。
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。“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。
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。在本申请中，术语“上”、“下”、“左”、“右”、 “内”、“外”、“中”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。上述部分术语除了可以用于表示方位或位置关系以外，还可 能用于表示其他含义，例如术语“上”在某些情况下也可能用于表示某种 依附关系或连接关系。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况 理解这些术语在本申请中的具体含义。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。
Claims (5)
1.一种耐磨钛合金零件电子束熔丝增材制造方法，其特征在于，包括如下步骤：
一种耐磨钛合金零件及其电子束熔丝增材制造方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、以工业纯钛板为基板，打磨去除基板表面氧化皮，用无水乙醇清洗基板表面去除油污，再用去离子水清洗，然后快速烘干；
装入丝材：将丝状的零件主体材料和丝状的耐磨涂层材料分别装入对应的送丝机构中；
所述丝状的零件主体材料为钛合金丝材；
所述钛合金丝材的直径为0.8mm-2.0mm；
所述丝状的耐磨涂层材料为钛皮药芯焊丝；所述药皮为纯钛，内填充有钛粉和增强相的混合粉末；
所述钛皮药芯焊丝的直径为0.8mm-2.0mm；
S2、构建模型：建立零件一体化成形的三维模型，并根据三维模型规划成形路径及参数，从而建立增材制造的工艺模型；
S3、制备零件主体结构：根据工艺模型将所述零件主体材料送进真空环境中，通过电子束熔丝制备零件主体结构；
所述丝材送进速度为30-60mm/s；电子束的加速电压60kV,电子束流70-150mA，运动速度10-30mm/s；
S4、制备过渡区：根据工艺模型将所述零件主体材料和所述耐磨涂层材料同时送入真空环境中，通过电子束熔丝在主体结构表面制备过渡区；
所述丝材送进速度为20-60mm/s；电子束的加速电压60kV,电子束流50-150mA，运动速度10-30mm/s；
S5、制备耐磨涂层：根据工艺模型将所述耐磨涂层材料送进真空环境中，通过电子束熔丝在过渡区表面制备耐磨涂层；
所述丝材送进速度为20-45mm/s；电子束的加速电压60kV,电子束流50-100mA，运动速度10-30mm/s；
S6、整个零件制备完成后，冷却并取出。
2.根据权利要求1所述的耐磨钛合金零件电子束熔丝增材制造方法，其特征在于，所述增强相为细小的高熔点高稳定颗粒。
3.根据权利要求2所述的耐磨钛合金零件电子束熔丝增材制造方法，其特征在于，所述增强相为氧化物、氮化物、硼化物、硅化物中的任意一种或多种的混合物。
4.根据权利要求1所述的耐磨钛合金零件电子束熔丝增材制造方法，其特征在于，制备的所述过渡区中，所述零件主体材料和所述耐磨涂层材料的占比是渐变的；实现材料占比渐变的方式是：通过调整所述零件主体材料和所述耐磨涂层材料的送进速度，实现过渡区成分连续变化。
5.一种采用如权利要求1-4任一所述耐磨钛合金零件电子束熔丝增材制造方法制备的耐磨钛合金零件，其特征在于，所述耐磨钛合金零件包括零件主体结构、过渡区和耐磨涂层；所述过渡区铺设在所述零件主体结构和所述耐磨涂层之间；
所述过渡区具有成分渐变特性。
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