CN115319420B - 一种基于电弧增材的钛合金圆盘类零件制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于电弧增材的钛合金圆盘类零件制造方法，将圆盘零件分为底、侧壁和法兰三部分组合制造，以钛合金板材作为零件的底和增材制造的基板，在基板上采用冷金属过渡（CMT）工艺电弧增材成形零件的筒形侧壁和法兰部分，侧壁和法兰部分成形后分别进行去应力退火，最后采用机械加工方式去除余量。
Description
技术领域
本发明属于增材制造技术领域，具体涉及一种基于电弧增材的钛合金圆盘类零件制造方法。
背景技术
钛合金具有高强度、低密度、高断裂韧性、优异的耐腐蚀性，在军工电子等领域已应用，但由于导热性差、应变硬化倾向和对氧的活性化学反应，其制造一直面临挑战。
水铰链是雷达冷却系统的重要设备，外壳体是水铰链的主要组成构件之一，其常见的一种结构形式为圆盘形，材料为钛合金TC4。水铰链在工作过程中外壳体受液体压力、载体振动等多种不平衡力作用，因此要求壳体必须有足够的材料致密性、强度和刚度。
水铰链壳体尺寸较大，在传统制造时，通常采用铸造工艺，实践表明，铸造工艺存在以下问题：第一，铸造容易出现宏观偏析和缩孔缩松等冶金缺陷，内部质量难以保证，合格率低；第二，水铰链外壳具有品种多数量少的特点，铸造成形方法成本较高；第三，铸造涉及模具的设计制造，其整个制造周期长，很难满足产品快速研制的需求。另外，水铰链壳体可采用锻造工艺，首先成形大型圆棒毛坯，然后进行机械加工，其成形质量高，但切削量大，材料利用率低，加工周期长，制造成本较高。
发明内容
本发明提供了一种基于电弧增材的钛合金圆盘类零件制造方法，将圆盘零件分为底、侧壁和法兰三部分组合制造，以钛合金板材作为零件的底和增材制造的基板，在基板上采用冷金属过渡(CMT)工艺电弧增材成形零件的筒形侧壁和法兰部分，侧壁和法兰部分成形后分别进行去应力退火，最后采用机械加工方式去除余量。
本发明提供了一种基于电弧增材的钛合金圆盘类零件制造方法，该方法步骤如下：
步骤一：根据零件结构特点，选择电弧增材焊丝，确定成形工艺参数，包括焊接电流、送丝速度、焊接速度、扫描间距、层高。
步骤二：基板打磨去除氧化层和无水乙醇清洗吹干后，固定在工作台上。
步骤三：在工作舱内充入保护气体。
步骤四：按步骤一工艺参数，在基板上逐层堆积圆盘零件的筒形侧壁，机械臂控制焊枪堆积轨迹，每层由多道搭接而成，每堆积完一层焊枪抬高一个层高，如此反复直至达到筒形部分高度尺寸要求。
步骤五：将成形零件连同基板放入电加热炉，进行去应力退火处理。
步骤六：机械加工去除筒外壁氧化层，见光即可。
步骤七：基板固定在工作台上，用无水乙醇清洗筒外壁后吹干。
步骤八：重复步骤三。
步骤九：按步骤一工艺参数，在筒外壁上由机械臂和变位机联动成形法兰，变位机俯仰旋转90°，机械臂控制焊枪定位筒壁最高点，变位机沿Z轴单轴旋转运动，定枪堆积单道后，机械臂控制焊枪偏置，堆积下一道与前道形成搭接，每堆积完一层焊枪抬高单层高度，如此反复直至达到法兰直径尺寸要求。
步骤十：重复步骤五。
步骤十一：采用机械加工切削去除多余基板以及其它余量，得到满足尺寸要求的成品。
优选的，所述步骤一中，焊丝为直径1.0mm或1.2mm或1.6mm的TC4钛合金焊丝，焊丝化学成分：Al5.5～6.8％，V3.5～4.5％，Fe≤0.30％，C≤0.10％，N≤0.05％，H≤0.015％，O≤0.020％，余量为Ti，其中化学成分的单位是：wt.％。
优选的，所述步骤一中，电弧增材为冷金属过渡CMT工艺，侧壁和法兰部分前三层焊接电流130-210A，上层焊接电流比前三层小30～50A，送丝速度3.0-6.0m/min，焊接速度5.0-10.0mm/s，扫描间距2.2-3.6mm，层高1.5-2.5mm。
优选的，所述步骤二中，基板材料为TC4板材，主要化学成分：Al5.5～6.75％，V3.5～4.5％，Fe≤0.30％，C≤0.10％，N≤0.05％，H≤0.015％，O≤0.20％，余量为Ti，其中化学成分的单位是：wt.％。
优选的，所述步骤二中，圆形基板厚度大于30mm，同时比零件底板至少大4-6mm，直径比零件底板大60-100mm。
优选的，所述步骤三中，保护气体为99.99％的氩气，气体流量不小于20L/min。
优选的，所述步骤四和步骤九中，采用轮廓偏置填充路径策略，单道起弧点相对搭接前道同方向旋转30-90°。
优选的，所述步骤五中，退火温度600℃，保温2-3h，随炉降温至200℃后出炉空冷。
本发明的有益效果是：
通过采用上述技术方案，本发明具有以下的有益效果：
本发明所提出的基于电弧增材的钛合金圆盘类零件制造方法，与传统制造工艺比，制造周期比铸造缩短50％以上，成本相对铸造降低20％以上，材料利用率比锻造高50％以上，整个制造周期比锻造缩短30％以上，成本相比锻造降低10％以上，本发明方法成形钛合金圆盘类零件的化学成分均匀、组织晶粒尺寸小，未出现铸件存在的宏观偏析和缩孔缩松等冶金缺陷，零件在增材过程中受热沉作用影响，使零件组织获得较充分的低温回火，整体性能好于铸件，近似于锻件。
附图说明
图1是一种钛合金圆盘零件剖面示意图
具体实施方式
以下将结合具体实施例对本发明提供的技术方案进行详细说明，应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。
实施例：
一种基于电弧增材的钛合金圆盘类零件制造方法，制造的零件为：直径600mm、高180mm的TC4钛合金圆盘零件，其中，底部壁厚30mm，筒形侧壁壁厚40mm，圆筒外径450mm，法兰壁厚40mm，法兰直径600mm。具体步骤如下：
步骤1、采用直径1.2mm的TC4钛合金焊丝，焊丝化学成分(wt.％)：Al6.1％，V4.0％，Fe0.28％，C0.08％，N0.04％，H0.01％，O0.020％，余量为Ti；
步骤2、电弧增材采用冷金属过渡CMT工艺，试验确定一组合适工艺参数，侧壁和法兰部分前三层焊接电流210A，上层焊接电流180A，送丝速度4m/min，焊接速度7mm/s，扫描间距2.5mm，层高2mm；
步骤3、采用直径520mm、厚36mm的圆形基板，基板材料为TC4板材，主要化学成分(wt.％)：Al6.05％，V3.9％，Fe0.15％，C0.08％，N0.05％，H0.015％，O0.20％，余量为Ti；
步骤4、基板打磨去除氧化层和无水乙醇清洗吹干后，固定在工作台上；
步骤5、在工作舱内充入99.99％的氩气，气体流量22L/min；
步骤6、按确定工艺参数，采用轮廓偏置填充路径策略，在基板上逐层堆积圆盘零件的筒形侧壁，机械臂控制焊枪堆积轨迹，单道起弧点相对搭接前道同方向旋转45°，每层由多道搭接而成，每堆积完一层焊枪抬高一个2mm，如此反复直至达到高度尺寸180mm；
步骤7、将成形零件连同基板放入电加热炉，进行去应力退火处理，退火温度600℃，保温2-3h，随炉降温至200℃后出炉空冷；
步骤8、机械加工去除筒外壁氧化层，见光即可；
步骤9、基板固定在工作台上，用无水乙醇清洗筒外壁后吹干；
步骤10、在工作舱内充入99.99％的氩气，气体流量22L/min；
步骤11、按确定工艺参数，采用轮廓偏置填充路径策略，在筒外壁上由机械臂和变位机联动成形法兰，变位机俯仰旋转90°，机械臂控制焊枪定位筒壁最高点，变位机沿Z轴单轴旋转运动，定枪堆积单道后，机械臂控制焊枪偏置2.5mm，变位机旋转控制起弧点相对前道同方向旋转45°，堆积下一道与前道形成搭接，每堆积完一层焊枪抬高2mm，如此反复直至达到法兰直径尺寸600mm；
步骤12、去应力退火处理，退火温度600℃，保温2-3h，随炉降温至200℃后出炉空冷；
步骤13、采用机械加工切削去除多余基板以及其它余量，得到满足尺寸要求的成品。
以上所述，仅为本发明最佳的具体实施方式，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。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。
Claims (5)
1.一种基于电弧增材的钛合金圆盘类零件制造方法，其特征在于，该方法步骤如下：
步骤一：根据零件结构特点，选择电弧增材焊丝，确定成形工艺参数，包括焊接电流、送丝速度、焊接速度、扫描间距、层高；
所述步骤一中，焊丝为直径1.0mm或1.2mm或1.6mm的TC4钛合金焊丝，焊丝化学成分：Al5.5~6.8%，V3.5~4.5%，Fe≤0.30%，C≤0.10%，N≤0.05%，H≤0.015%，O≤0.020%，余量为Ti，其中化学成分的单位是：wt.%；电弧增材为冷金属过渡CMT工艺，侧壁和法兰部分前三层焊接电流130-210A，上层焊接电流比前三层小30~50A，送丝速度3.0-6.0m/min，焊接速度5.0-10.0mm/s，扫描间距2.2-3.6mm，层高1.5-2.5mm；
步骤二：基板打磨去除氧化层和无水乙醇清洗吹干后，固定在工作台上；
所述步骤二中，基板材料为TC4板材，主要化学成分：Al5.5~6.75%，V3.5~4.5%，Fe≤0.30%，C≤0.10%，N≤0.05%，H≤0.015%，O≤0.20%，余量为Ti，其中化学成分的单位是：wt.%；
步骤三：在工作舱内充入保护气体；
步骤四：按步骤一工艺参数，在基板上逐层堆积圆盘零件的筒形侧壁，机械臂控制焊枪堆积轨迹，单道起弧点相对搭接前道同方向旋转45°，每层由多道搭接而成，每堆积完一层焊枪抬高一个层高，如此反复直至达到筒形部分高度尺寸要求；
步骤五：将成形零件连同基板放入电加热炉，进行去应力退火处理；
步骤六：机械加工去除筒外壁氧化层，见光即可；
步骤七：基板固定在工作台上，用无水乙醇清洗筒外壁后吹干；
步骤八：重复步骤三；
步骤九：按步骤一工艺参数，在筒外壁上由机械臂和变位机联动成形法兰，变位机俯仰旋转90°，机械臂控制焊枪定位筒壁最高点，变位机沿Z轴单轴旋转运动，定枪堆积单道后，机械臂控制焊枪偏置，变位机旋转控制起弧点相对前道同方向旋转45°，堆积下一道与前道形成搭接，每堆积完一层焊枪抬高单层高度，如此反复直至达到法兰直径尺寸要求；
步骤十：重复步骤五；
步骤十一：采用机械加工切削去除多余基板以及其它余量，得到满足尺寸要求的成品。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤二中，圆形基板厚度大于30mm，同时比零件底板至少大4-6mm，直径比零件底板大60-100mm。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤三中，保护气体为99.99%的氩气，气体流量不小于20L/min。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤四和步骤九中，采用轮廓偏置填充路径策略，单道起弧点相对搭接前道同方向旋转30-90°。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤五中，退火温度600℃，保温2-3h，随炉降温至200℃后出炉空冷。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant |