CN115921899A - 一种钛合金薄壁加强筋极高真空室的制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种钛合金薄壁加强筋极高真空室的制作方法。所述制作方法包括如下步骤：在基材表面铺洒钛合金粉末，根据3D打印模型，进行SLM成型，则在基材表面得到薄壁真空腔室；退火热处理后与基材分离；按照步骤1）或2）即得钛合金薄壁加强筋极高真空室：1）对薄壁真空腔室两端的法兰进行加工；2）在薄壁真空腔室的一端加工法兰，再将若干段薄壁真空腔室焊接。本发明将加强筋与薄壁通过打印一体成型，完美解决传统薄壁加强筋与薄壁焊缝多、极高真空室焊缝泄漏及高温烘烤钎焊加强筋容易脱落等问题。本发明钛合金薄壁加强筋极高真空室能够有效减小磁铁气隙，大幅度降低磁铁造价及磁铁电源运维成本。

Description

一种钛合金薄壁加强筋极高真空室的制作方法

技术领域

本发明涉及一种钛合金薄壁加强筋极高真空室的制作方法，属于真空腔室技术领域。

背景技术

现今，国内已研究出强流重离子加速器，它是一台束流指标领先、多学科用途的重离子科学研究装置，可以提供高达4.25GeV/u的脉冲重离子束流。束流寿命与真空腔室中的残余气体量、涡流效应及阻抗等相关。

然而，传统的薄壁加强筋真空腔室的制作材料为304或316L不锈钢，当壁厚小于或等于1mm，且真空腔室截面面积较大时，为了使得制作出的真空腔室有足够的强度和刚度，在上述小于或等于1mm壁厚真空腔室组焊的基础上，需对真空腔室外壁做加强处理，加强筋一般是周向全覆盖、长度方向间隔设置，并采用钎焊工艺使其与真空腔室壁面绑定。

传统制作方法制作出来的壁厚小于或等于1mm的不锈钢薄壁加强筋真空室由于焊缝众多，精度难以控制，且需要大量工装模具，成本过高。由于钛合金比强度是不锈钢材料的7倍，所以在占用磁铁气隙方面，钛合金薄壁加强筋真空室可有效减小磁铁气隙，大幅度降低磁铁造价及磁铁电源运维成本。与此同时，钛合金材料相对不锈钢而言，材料真空出气率更低，电阻率更大，低温条件下的热膨胀率更小。因此，在获得常温或低温加速器极高真空系统、减小涡流及阻抗、维持束流稳定性等方面，钛合金材料薄壁加强筋真空室具有显著优势。SLM技术是在高能激光作用下，金属粉末完全熔化，经散热凝固后与基体金属冶金焊合，然后逐层累积成型出三维实体。无需模具，生产周期短，相对于传统制造，成本更低，效率更高。

综上所述，提供采用钛合金材料制作薄壁加强筋极高真空室的方法具有重要意义。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于SLM技术的钛合金薄壁加强筋极高真空室的制作方法，能够加工超薄壁真空腔室，并使其壁厚控制在1mm以内。

本发明提供的钛合金薄壁加强筋极高真空室的制作方法，包括如下步骤：

S1、在基材表面铺洒钛合金粉末，根据3D打印模型，进行SLM成型，则在所述基材表面得到薄壁真空腔室；

S2、将所述薄壁真空腔室经退火热处理后与所述基材分离；

S3、按照下述步骤1）或2）即得钛合金薄壁加强筋极高真空室：

1）对所述薄壁真空腔室的两端加工法兰；

2）在所述薄壁真空腔室的一端加工法兰，再将若干段所述薄壁真空腔室焊接；

所述钛合金粉末为TC4粉末；

所述TC4粉末的粒度为20~63μm，颗粒球形度大于85%、空心粉颗粒百分比小于2.5%；经实验得知，20~63μm的粒度可以使得激光熔融过程更加充分、工件内部结构更为致密；大于85%的颗粒球形度、百分比小于2.5%的空心颗粒充分保证了打印工件表面的平整度以及减少内部缺陷。

所述TC4粉末成分的质量组成如下：C≤0.1%，H≤0.015%，O≤0.15%，N≤0.05%，5.5%≤Al≤6.8%，3.5%≤V≤4.5%，Fe≤0.2%，余量为Ti；

所述SLM成型的条件如下：

激光功率：250~350W；扫描速度：900~1200mm/s；扫描间距：0.08~0.15mm；层间旋转：60°~70°；层厚：0.04~0.08mm；激光功率太低，会导致粉末不能充分溶解，而激光功率太高会产生过烧现象，过低或过高都不利于工件的成型，经实验确定250~350W是最佳功率区间；扫描速度越快，则打印时间越短，反之，则越长，但速度不应太快，太快会使得熔融不充分，经实验确定扫描速度为900~1200mm/s；扫描间距太小，会使得成型过程中搭接区域过多，间距太大则搭接区域会变小，从而导致层与层之间会有小缺陷，影响工件强度，经实验确定扫描间距为0.08~0.15mm；层厚的薄厚会影响打印速度和熔融的充分性，层厚越薄，打印速度越慢，层厚越厚，打印速度越快，但过厚的层厚会使得层间熔融不充分；需要说明的是，上述各因素之间相互均有制约关系，最终确定了上述最优条件。

激光成形时惰性气氛室中所充填的氩气纯度应不低于99.99%，氧分析仪采样监测氧含量确认≦0.03%后，方可开始零件成形；

根据薄壁加强筋极高真空室的结构特点，将其分成三段（不限于三段）分批打印，每段沿高度方向成形，便于保证零件的成形精度。在成形过程中，基材表面铺好粉末，激光照射基材表面，使基材表面局部迅速熔化形成熔池，粉末在熔池内快速熔化。随激光束的移动，熔池在相对较大的基材或试件表面快速凝固，同时连续移动的激光束又不断在基材或试件表面形成新的熔池。如此往复，整个薄壁加强筋极高真空室结构由点到线、由线到面、由面到体，最后形成最初设计的尺寸和形状。

上述的制作方法中，步骤S2中，所述退火热处理的条件如下：

温度为700~850℃，时间为1.5~4h，如在800℃下处理2h。

上述的制作方法中，步骤S2中，采用线切割把薄壁加强筋极高真空室与基材分离，分离的顺序根据实际情况进行调整。线切割时切勿伤及零件本体，严格按照基准线及尺寸要求进行。线切割前后对零件尺寸进行自检，防止切伤零件。切割完后对零件表面的油污等进行清洗，并将零件吹干。

上述的制作方法中，所述方法还包括后处理布置：去除薄壁加强筋极高真空室上加强筋之间的支撑结构，对部件表面进行打磨抛光，对打磨抛光后的部件表面进行喷砂处理。对零件网格支撑进行去除，切勿伤及零件本体。将支撑面打磨光顺，不得有支撑残留。对零件表面进行喷砂，要求喷砂表面均匀一致，无砂砾残留。

上述的制作方法中，步骤S3中，所述薄壁真空腔室的连接处设有翻边筋板；

可采用手持式激光焊接机，使用的功率是脉冲频率2000Hz，峰值功率400W，扫描宽度1.1mm。用若干个夹具将钛合金薄壁真空室部件两两对齐夹紧，将两两夹紧的钛合金薄壁真空室部件进行激光焊接，使其形成一个完整的薄壁加强筋结构真空室。

上述的制作方法中，所述薄壁真空腔室包括厚度为0.3~1mm的薄壁和设于所述薄壁上的加强筋。

上述的制作方法中，所述加强筋沿所述薄壁的长度方向均匀布置，间距为6~30mm。

上述的制作方法中，所述加强筋为空心结构，其截面呈梯形、矩形或半圆形，呈梯形时，其上底较小，更趋向于三角形；

当所述加强筋的截面呈梯形时，所述加强筋的腰与所述薄壁之间的夹角为15°~60°。

制作完成后，利用氦质谱检漏法检测钛合金薄壁加强筋真空室是否漏气，漏率值小于1×10^-8Pa.l.s^-1。

由于采取以上技术方案，本发明具有以下优点：

采用3D打印—SLM技术加工的钛合金薄壁加强筋极高真空室，无需模具工装，生产周期短，成本更低。加强筋与薄壁通过打印一体成型，完美解决传统薄壁中加强筋与薄壁焊缝多、极高真空室焊缝泄漏及高温烘烤钎焊加强筋容易脱落等问题。由于钛合金比强度是不锈钢材料的7倍，采用钛合金材料制造的薄壁加强筋真空室，可有效减小磁铁气隙，大幅度降低磁铁造价及磁铁电源运维成本。与此同时，钛合金材料相对不锈钢而言，材料真空出气率更低，电阻率更大，低温条件下的热膨胀率更小。因此，在常温或低温加速器极高真空系统获得，减小涡流及阻抗，维持束流稳定性等方面，钛合金材料薄壁加强筋真空室具有显著优势。加强筋采用近似三角形的空心结构，三角形的稳定性更优越，打印时本身可发挥支撑作用，同时作为加强筋能对薄壁钛合金极高真空室的整体结构刚性起到至关重要的作用。加强筋与薄壁的夹角控制在15°到60°以内，可以有效避免从薄壁到厚壁过渡打印时产生的应力集中。本发明整套制作方法符合极高真空制作标准。

附图说明

图1为本发明钛合金薄壁加强筋极高真空室的制作方法的流程图。

图2为本发明制作的钛合金薄壁加强筋极高真空室的轴侧结构示意图。

图3为本发明制作的钛合金薄壁加强筋极高真空室左侧段轴侧结构示意图。

图4为本发明制作的钛合金薄壁加强筋极高真空室中间段轴测结构示意图。

图5为图2中A部分的局部放大图。

图6为图2中加强筋结构半剖示意图。

图中各标记表示如下：

1-钛合金薄壁加强筋极高真空室左侧段；2-钛合金薄壁加强筋极高真空室中间段；3-钛合金薄壁加强筋极高真空室右侧段；4-钛合金薄壁加强筋极高真空室左侧段CF法兰；5-钛合金薄壁加强筋极高真空室左侧段真空室主体；6-钛合金薄壁加强筋极高真空室翻边筋板；7-钛合金薄壁加强筋极高真空室加强筋。

具体实施方式

下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明，均为常规方法。

下述实施例中所用的材料、试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。

本发明提供的钛合金薄壁加强筋极高真空室的制作方法，采用3D打印-SLM技术对薄壁加强筋极高真空室进行分段打印，然后将打印好的部分经过一系列后处理后通过激光焊接焊接到一起，可以解决传统薄壁加强筋与薄壁焊缝多、极高真空室焊缝泄漏及高温烘烤钎焊加强筋容易脱落等问题。与此同时，由3D打印制造的钛合金薄壁加强筋极高真空室生产周期更短，成本更低，尤其是应用于常温或低温极高真空系统中，在获得极高真空和稳定性方面具有显著优势。

实施例1、如图1所示，本发明提供的钛合金薄壁加强筋极高真空室的制作方法的流程图，包括如下步骤：

选择TC4粉末：3D打印粉末采用惰性气体雾化技术制备，粉末需具有质量稳定、球形度高、杂质含量低、粒度分布均匀等优点，粒度分布20~63μm，颗粒球形度大于85%，空心粉颗粒百分比小于2.5%。TC4粉末成分（Wt./%）要求：C≤0.1%，H≤0.015%，O≤0.15%，N≤0.05%，5.5%≤Al≤6.8%，3.5%≤V≤4.5%，Fe≤0.2%，余量为Ti。

SLM成形：将已建立好的3D打印模型（带支撑结构）导入到激光选区熔化成形设备中，打印设备成形仓空间尺寸大于每个模型的外形尺寸。激光成形时惰性气氛室中所充填的氩气纯度应不低于99.99%，氧分析仪采样监测氧含量确认≦0.03%后，方可开始零件成形。根据薄壁加强筋极高真空室结构特点，将其分成三段（不限于三段）分批打印，每段沿高度方向成形，便于保证零件的成形精度。在成形过程中，基材表面铺好粉末，激光照射基材表面，使基材表面局部迅速熔化形成熔池，粉末在熔池内快速熔化。随激光束的移动，熔池在相对较大的基材或试件表面快速凝固，同时连续移动的激光束又不断在基材或试件表面形成新的熔池。如此往复，整个薄壁加强筋极高真空室结构由点到线、由线到面、由面到体，最后形成最初设计的尺寸和形状。经过不断工艺优化迭代，激光选区熔化成形钛合金薄壁加强筋真空室的参数为：图形分区，条带；扫描策略，zigzag；激光功率，300W；扫描速度，1100mm/s；扫描间距，0.12mm；层间旋转，67°；层厚，0.06mm。

粉末清理：采用清粉机、压缩空气将SLM成型设备流道内粉末清理干净。

热处理：对打印好的薄壁加强筋真空室部件进行真空炉800℃×2小时退火热处理。

零件与基材分离：用线切割把薄壁加强筋极高真空室与基材分离，分离的顺序根据实际情况进行调整。线切割时切勿伤及零件本体，严格按照基准线及尺寸要求进行。线切割前后对零件尺寸进行自检，防止切伤零件。切割完后对零件表面的油污等进行清洗，并将零件吹干。

后处理：去除钛合金薄壁加强筋极高真空室上加强筋之间的支撑结构，对部件表面进行打磨抛光，对打磨抛光后的部件表面进行喷砂处理。对零件网格支撑进行去除，切勿伤及零件本体。

将支撑面打磨光顺，不得有支撑残留。对零件表面进行喷砂，要求喷砂表面均匀一致，无砂砾残留。

法兰加工：按照对应的CF系列法兰尺寸及形位公差要求，将两段带法兰的钛合金薄壁真空室部件通过数控中心对钛合金法兰进行加工。

表面净化：通过有机溶剂清洗和超声波清洗的方式对所有钛合金薄壁真空室部件进行清洗及烘干。

焊接：采用手持式激光焊接机，使用的功率是脉冲频率2000Hz，峰值功率400W，扫描宽度1.1mm。用若干个夹具将钛合金薄壁真空室部件两两对齐夹紧，将两两夹紧的钛合金薄壁真空室部件进行激光焊接，使其形成一个完整的薄壁加强筋结构真空室。

检漏：利用氦质谱检漏法检测钛合金薄壁加强筋极高真空室是否漏气，漏率值小于1×10^-10Pa.l.s^-1。

在本实施例中，优选地，如图2、图3和图4所示，图2中所示钛合金薄壁加强筋极高真空室由钛合金薄壁加强筋极高真空室左侧段1、钛合金薄壁加强筋极高真空室右侧段3以及钛合金薄壁加强筋极高真空室中间段2经过激光焊接连接而成。

在本实施例中，优选地，图3所示钛合金薄壁加强筋极高真空室中左侧段由以下步骤实现：

图3所示钛合金薄壁加强筋极高真空室由钛合金薄壁加强筋极高真空室左侧段CF法兰4及钛合金薄壁加强筋真空室左侧段真空室主体5构成，钛合金薄壁加强筋极高真空室中加强筋的结构如图6中钛合金薄壁加强筋极高真空室加强筋7所示，钛合金薄壁加强筋极高真空室左侧段真空室主体5由等间距即间距为8.3mm设置的钛合金薄壁加强筋极高真空室加强筋7以及0.5mm薄壁构成，两者的夹角为60°。值得注意的是，本发明中的加强筋采用空心结构，其截面为梯形，但上底较小，更趋向于三角形，众所周知，三角形的稳定性非常优越，作为加强筋能对钛合金薄壁极高真空室的整体结构刚性起到至关重要的作用，打印时本身可发挥支撑作用。同时，本发明中图6中钛合金薄壁加强筋极高真空室加强筋7的结构为中空结构，此结构在不降低结构刚性的前提下可以大大减小钛合金材料的使用。更进一步的，加强筋的结构形式及间距不限于本实施例中所述，筋截面可以为矩形、半圆形等其他结构形式，加强筋间距也不限于本实施例中的8.3mm，只要加强筋的结构形式以及间距设置能够承受大气压力即可。

在本实施例中，图3所示钛合金薄壁加强筋极高真空室左侧段1因其结构设计的特殊性，因此不需要额外的支撑，在3D打印过程中从钛合金薄壁加强筋极高真空室左侧段CF法兰4的底面开始依次打印，待打印完成后，对图2所示的钛合金薄壁加强筋极高真空室左侧段1、钛合金薄壁加强筋极高真空室右侧段3、钛合金薄壁加强筋极高真空室中间段2上多余的粉末进行清理，其次为了满足极高真空对钛合金表面出气率以及强度的要求，需要对其进行800℃、2h的退火热处理，更进一步的，将钛合金薄壁加强筋极高真空室与基材分离，并按照加工尺寸运用线切割等工具进行后处理。再进一步的，对钛合金薄壁加强筋极高真空室左侧段1的法兰按照标准进行加工。

在本实施例中，图2中所示钛合金薄壁加强筋极高真空室右侧段3以及图4中所示钛合金薄壁加强筋极高真空室中间段2，其加工方式以及加工过程与图3所示钛合金薄壁加强筋极高真空室左侧段1完全一致。

在本实施例中，优选地，采用以下方式对钛合金薄壁加强筋极高真空室左侧段1、钛合金薄壁加强筋极高真空室中间段2、钛合金薄壁加强筋极高真空室右侧段3进行焊接：

由图5所示，钛合金薄壁加强筋极高真空室每段相接处均有钛合金薄壁加强筋极高真空室翻边筋板6的连接，在焊接时先用激光焊沿周向进行点焊，点焊间距3mm~8mm，然后用激光焊完成全部焊接，最后利用氦质谱检漏仪对真空室的真空性能进行测试。

本发明制备的钛合金材料与不锈钢材料的性能如表1中所示。

表1的测试结果表明：采用SLM技术制造的钛合金材料的材料表面真空出气率低于采用传统工艺制造的316L不锈钢材料；钛合金材料的比强度是不锈钢材料的7倍；钛合金材料的热膨胀系数明显低于不锈钢材料。

本实施例中，当采用粒度为70~100μm、颗粒球度70%、空心粉颗粒百分比为5%的TC4粉末时，打印出来的钛合金测试样品表面粗糙度大，并且表面有较多的小凸起，经X射线CT断层扫描仪对内部结构进行分析，可以发现内部存在气泡形缺陷，从而大大降低3D打印钛合金材料的强度、刚度以及安全性。

实施例2、按照图1所示的流程制作钛合金薄壁加强筋极高真空室，制作步骤与实施例1基本相同，不同之处在于：SLM成型的条件调整为：激光功率：250W；扫描速度：1200mm/s；扫描间距：0.08mm；层间旋转：70°；层厚：0.04mm；退火热处理的条件调整为：温度为850℃，时间为1.5h；薄壁真空腔室包括厚度为0.3mm的薄壁和设于薄壁上的加强筋；加强筋沿薄壁的长度方向均匀布置，间距为6mm；加强筋与薄壁之间的夹角为15°。

本实施例制备的钛合金材料与不锈钢材料的性能如表2中所示。

表2的测试结果表明：采用SLM技术制造的钛合金材料的材料表面真空出气率低于采用传统工艺制造的316L不锈钢材料；钛合金材料的比强度是不锈钢材料的7倍；钛合金材料的热膨胀系数明显低于不锈钢材料。

实施例3、按照图1所示的流程制作钛合金薄壁加强筋极高真空室，制作步骤与实施例1基本相同，不同之处在于：SLM成型的条件调整为：激光功率：350W；扫描速度：900mm/s；扫描间距：0.15mm；层间旋转：60°；层厚：0.08mm；退火热处理的条件调整为：温度为700℃，时间为4h；薄壁真空腔室包括厚度为1mm的薄壁和设于薄壁上的加强筋；加强筋沿薄壁的长度方向均匀布置，间距为30mm；加强筋与薄壁之间的夹角为40°。

本实施例制备的钛合金材料与不锈钢材料的性能如表3中所示。

表3的测试结果表明：采用SLM技术制造的钛合金材料的材料表面真空出气率低于采用传统工艺制造的316L不锈钢材料；钛合金材料的比强度是不锈钢材料的7倍；钛合金材料的热膨胀系数明显低于不锈钢材料。

由表1-表3的数据可以看出，由3D打印-SLM加工而成的钛合金薄壁加强筋极高真空室的表面出气率优于传统316L不锈钢加工的薄壁真空室，这可以有效减小极高真空获得的难度；3D打印-SLM技术加工的钛合金薄壁加强筋极高真空室的屈服强度远高于传统316L不锈钢材料加工的薄壁真空室，这说明在同等壁面厚度下，钛合金具有更加优越的强度、刚度以及安全性；更重要的是3D打印-SLM技术加工的钛合金薄壁加强筋极高真空室一体成型，没有大量的焊缝，规避了不锈钢薄壁加强筋真空室因焊缝过多而产生泄漏的弊端。

在上述实施例中，值得注意的是，钛合金薄壁加强筋极高真空室不限于本发明中三段组焊而成，也可以是多段组焊而成，不限于直段，也可以是弧段。同时，打印材料不限于钛合金，也可以是满足强度、刚度、真空性能的其他材料。

Claims (6)

1.一种钛合金薄壁加强筋极高真空室的制作方法，包括如下步骤：

S1、在基材表面铺洒钛合金粉末，根据3D打印模型，进行SLM成型，则在所述基材表面得到薄壁真空腔室；

所述钛合金粉末为TC4粉末；

所述TC4粉末的粒度为20~63μm，颗粒球形度大于85%，空心粉颗粒百分比小于2.5%；

所述TC4粉末的质量组成如下：C≤0.1%，H≤0.015%，O≤0.15%，N≤0.05%，5.5%≤Al≤6.8%，3.5%≤V≤4.5%，Fe≤0.2%，余量为Ti；

所述SLM成型的条件如下：

激光功率：250~350W；扫描速度：900~1200mm/s；扫描间距：0.08~0.15mm；层间旋转：60°~70°；层厚：0.04~0.08mm；

S2、将所述薄壁真空腔室经退火热处理后与所述基材分离；

S3、按照下述步骤1）或2）即得钛合金薄壁加强筋极高真空室：

1）对所述薄壁真空腔室两端的法兰进行加工；

2）在所述薄壁真空腔室的一端加工法兰，再将若干段所述薄壁真空腔室焊接。

2.根据权利要求1所述钛合金薄壁加强筋极高真空室的制作方法，其特征在于：步骤S2中，所述退火热处理的条件如下：

温度为700~850℃，时间为1.5~4h。

3.根据权利要求1或2所述钛合金薄壁加强筋极高真空室的制作方法，其特征在于：步骤S3中，所述薄壁真空腔室的连接处设有翻边筋板。

4.根据权利要求3所述钛合金薄壁加强筋极高真空室的制作方法，其特征在于：所述薄壁真空腔室包括厚度为0.3~1mm的薄壁和设于所述薄壁上的加强筋。

5.根据权利要求4所述钛合金薄壁加强筋极高真空室的制作方法，其特征在于：所述加强筋沿所述薄壁的长度方向均匀布置，间距为6~30mm。

6.根据权利要求5所述钛合金薄壁加强筋极高真空室的制作方法，其特征在于：所述加强筋为空心结构，其截面呈梯形、矩形或半圆形；

当所述加强筋的截面呈梯形时，所述加强筋的腰与所述薄壁之间的夹角为15°~60°。

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