一種在空氣中直接制造鈦合金零件的快速成形方法
【專利摘要】一種在空氣中直接制造鈦合金零件的快速成形方法屬于激光先進(jìn)制造中的快速成形領(lǐng)域。同軸送粉噴嘴輸送的保護(hù)氣體分兩路，一路為中路保護(hù)氣體；另一路為設(shè)計在送粉通路外側(cè)；所述中路氣體輸入采用如下設(shè)計：中路螺旋氣路導(dǎo)套采用四向螺旋式進(jìn)氣裝置，下面連接有中路螺旋氣路座套；所述四向螺旋式進(jìn)氣裝置為采用在空心圓柱體的外壁上均勻分布在一個圓周上的四個斜插入該空心圓柱體的四根管構(gòu)成，這四根管和豎直方向即z軸方向的夾角α為45°；而這四根管的俯視方向和中路螺旋氣路座套的四個出口方向夾角為β角為60°；中路保護(hù)氣體流速：1-5L/min；外側(cè)保護(hù)氣體送進(jìn)速度：12-18L/min。該鈦合金零件制造方法簡單實(shí)用、成本較低，適合大量生產(chǎn)，具有很大經(jīng)濟(jì)效益。
【專利說明】一種在空氣中直接制造鈦合金零件的快速成形方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明提出一種在空氣中直接制造鈦合金零件的快速成形方法，主要采用激光熔覆成形方法(或者激光近凈成形)的技術(shù)特點(diǎn)，在空氣中直接完成鈦合金零部件的制造，以區(qū)別于其他在密閉氣室的真空、過壓或者惰性氣體保護(hù)氣氛中進(jìn)行的鈦合金零部件制造方法。采用該方法制造的鈦合金零部件含氧量低，滿足苛刻的航空航天零部件對鈦合金零部件含氧量的要求，屬于激光先進(jìn)制造中的快速成形領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]鈦合金在500°C以下具有高比強(qiáng)度和比疲勞強(qiáng)度，有良好的熱穩(wěn)定性。在中性、氧化性氣氛及眾多惡劣環(huán)境中，鈦合金具有比常用金屬材料更優(yōu)異的耐蝕性。同時，鈦合金與復(fù)合材料的強(qiáng)度、剛度匹配可使飛機(jī)結(jié)構(gòu)獲得更好的減重效果。因而，在壓氣機(jī)葉盤、燃燒室外殼、噴氣管等部位使用時，可大大減輕飛機(jī)重量。所以，在民用航空航天以及戰(zhàn)斗機(jī)制造中，鈦合金都占據(jù)著不可或缺的地位。[0003]由于鈦合金高溫活潑而且變形抗力大，在傳統(tǒng)的鑄造和鍛造加工中遇到困難。使用激光快速成形方法制造航空航天鈦合金結(jié)構(gòu)件已經(jīng)成為一種趨勢，飛機(jī)結(jié)構(gòu)件中激光快速成形制造零件所占有的比重已經(jīng)成為衡量一個國家科技水平的一種標(biāo)志。鈦合金激光快速成形技術(shù)較傳統(tǒng)鈦合金零件的加工優(yōu)勢有:無需零件毛胚制備，鍛壓模具加工；較鍛件材料利用率高；加工柔性好,生產(chǎn)周期短等。
[0004]然而鈦合金在高溫下具有強(qiáng)烈的吸氫、吸氧、吸氮的能力，并且常溫下即和空氣中的氧發(fā)生反應(yīng)，使其性能顯著下降。因而，在對鈦合金進(jìn)行激光加工時，處于400攝氏度以上區(qū)域必須進(jìn)行保護(hù)。常用的方法是在加工時通過不同的激光快速成型成套設(shè)備，使工件處于惰性氣體氣氛中，與外界污染氣體隔絕。另外，還可以提升粉末載氣的純度，設(shè)計密封送粉及送氣系統(tǒng)，對成型高溫區(qū)域進(jìn)行在線溫度監(jiān)控實(shí)時閉環(huán)反饋，從源頭上控制污染物混入與鈦合金發(fā)生反應(yīng)。
[0005]針對鈦合金成型過程中極易與氮、氫、氧發(fā)生反應(yīng)的現(xiàn)象，各國研究人員分析成形過程，并提出了幾種有效的保護(hù)方式。在保護(hù)過程中，可以通過觀察鈦合金顏色來判斷保護(hù)效果，鈦氧化后，在700 V試樣表面呈淺藍(lán)色，900V試樣表面呈灰色，1000 V試樣表面呈灰白色，1100°C試樣表面呈黃白色。鈦氮化后，氮化鈦覆層具有金黃色光澤。而當(dāng)鈦吸氫后，其力學(xué)性能將發(fā)生很大變化。這時可以通過力學(xué)測試來判斷吸氫情況。
[0006]最常用的氣氛保護(hù)裝置是氣體保護(hù)箱，美國AeroMet公司最早對鈦合金零件在飛機(jī)上的應(yīng)用進(jìn)行開發(fā)，F(xiàn)G.Arclla和FH.Froes等人通過設(shè)計氣體保護(hù)箱,使五軸聯(lián)動加工機(jī)床位于氣體保護(hù)箱的底部。然后引入送粉通道和激光通道進(jìn)入保護(hù)箱上端，四周用密封圈密封。工作時，從保護(hù)箱底部充入Ar氣，使箱體充滿保護(hù)氣體后進(jìn)行激光快速成型。
[0007]而Pennsylvania State University應(yīng)用與研究實(shí)驗(yàn)室同樣使用說明書圖2所示的氣氛保護(hù)箱對鈦合金粉末進(jìn)行激光成型制造。有趣的是他們在氣氛箱的端蓋部加入保護(hù)鏡片，而端蓋通過CNC機(jī)床與激光頭的運(yùn)動軌跡指令保持同步這樣一來，氣氛箱將形成更為封閉的運(yùn)動結(jié)構(gòu)，使加工過程中的氧含量得到更有效的控制。
[0008]國內(nèi)西北工業(yè)大學(xué)的黃衛(wèi)東課題組和北京航空航天大學(xué)王華明課題組所進(jìn)行的鈦合金激光加工也使用了相似的設(shè)計原理。其中，黃衛(wèi)東等人在保護(hù)箱內(nèi)加入了氣體檢測裝置，保證了足夠的的惰性氣體百分比。王華明課題組自主研制成功國內(nèi)首套、具有自主知識產(chǎn)權(quán)的“自由平面接觸/動態(tài)密封/惰性氣氛保護(hù)”鈦合金結(jié)構(gòu)件激光快速成形成套工藝裝備系統(tǒng)[32]。能夠生產(chǎn)出更大型的鈦合金快速成型構(gòu)件，并使鈦合金件的力學(xué)性能達(dá)到了鍛件要求，也保證了其正常使用。由于其課題涉及軍工、國防，因而該項(xiàng)技術(shù)的具體工藝細(xì)節(jié)均處于保密狀態(tài)。
[0009]除氣體保護(hù)箱外，王家淳等人對在鈦合金焊接中的氣體保護(hù)措施進(jìn)行了研究和改良。研究出了氣體保護(hù)拖罩和焊接用保護(hù)器噴嘴。這對激光快速成形時的氣體保護(hù)研究也提供了參考。氣體保護(hù)拖罩目的在于保護(hù)已脫離噴嘴保護(hù)區(qū)，但仍處于反應(yīng)溫度區(qū)間的焊縫和熱影響區(qū)表面。說明書圖5是拖罩形式，氣流流經(jīng)氣體均布管，并將空氣擠出，再流入氣體透鏡使惰性氣體氣充滿保護(hù)區(qū)域，將熔池及熱影響區(qū)與空氣隔離，達(dá)到保護(hù)目的。
[0010]北京工業(yè)大學(xué)的曹娜在“鈦合金激光焊接工作頭研制”中設(shè)計了一種鈦合金激光焊接保護(hù)裝置，由保護(hù)焊接熔池的主保護(hù)氣噴嘴和附加保護(hù)噴嘴組成。但是這種保護(hù)氣體噴嘴只能夠保護(hù)平行于激光運(yùn)動方向的熔池窄條，而不能夠保證熔池和熱影響區(qū)整體都處于惰性氣體保護(hù)下。
[0011]根據(jù)以上保護(hù)方式，基本可以將鈦合金保護(hù)氣氛分為內(nèi)封式氣氛和開放式氣氛。內(nèi)封式氣氛保護(hù)箱保護(hù)效果好，并且使用方便，一次充入惰性保護(hù)氣可進(jìn)行較長時間使用。缺點(diǎn)是大量浪費(fèi)保護(hù)氣體，造成加工成本負(fù)擔(dān)。過多的惰性氣體還要時刻注意箱體的密封性能，由于惰性氣體一般密度大不易擴(kuò)散，一旦泄露極易造成操作人員的窒息，危機(jī)生命安全。內(nèi)封式裝備結(jié)構(gòu)復(fù) 雜，成本昂貴，更適用于大型成形件的加工制造。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0012]本發(fā)明的目的在于提供一種在空氣中直接制造鈦合金零件的快速成形方法，目的是在空氣中直接完成鈦合金零部件的制造，以區(qū)別于其他在密閉氣室的真空、過壓或者惰性氣體保護(hù)氣氛中進(jìn)行的鈦合金零部件制造方法。該鈦合金零件制造方法簡單實(shí)用、成本較低，適合大量生產(chǎn)。該技術(shù)也可以推廣到失效鈦合金零件的修復(fù)制造。
[0013]技術(shù)的關(guān)鍵在于送粉噴嘴的設(shè)計。送粉噴嘴的功能包括水冷系統(tǒng)、送氣系統(tǒng)、送粉系統(tǒng)等；水冷系統(tǒng)的作用在于在三維零件制造過程中對整個送粉噴嘴進(jìn)行冷卻，因?yàn)閲娮鞎捎诩す獾姆瓷渥饔枚鴾囟壬?。其中送氣系統(tǒng)不僅輸送攜帶粉末顆粒運(yùn)動的載流氣體，也輸送對熔池以及在建零件進(jìn)行保護(hù)的惰性氣體。同軸送粉噴嘴輸送的保護(hù)氣體分兩路，一路為中路保護(hù)氣體，即由光路輸送到熔池區(qū)，對該區(qū)進(jìn)行保護(hù)；另一路為設(shè)計在送粉通路外側(cè)的保護(hù)氣體輸送通路，該路氣體的保護(hù)范圍可以通過輸送通道的設(shè)計得以擴(kuò)展，如圖2所示。中路保護(hù)氣體與外側(cè)保護(hù)氣體可以使用相同的氣體，也可以不同。這樣的設(shè)計，零件建造過程中液態(tài)熔池以及在建零件的保護(hù)就可以通過送粉噴嘴向激光與材料相互作用區(qū)輸送粉末的同時輸送的保護(hù)氣體來實(shí)現(xiàn)。
[0014]一種可用于在空氣中直接制造鈦合金零部件的快速成形方法，其特征在于:
[0015]送粉噴嘴的功能包括水冷系統(tǒng)、送氣系統(tǒng)、送粉系統(tǒng)。同軸送粉噴嘴輸送的保護(hù)氣體分兩路，一路為中路保護(hù)氣體，即由光路輸送到熔池區(qū)，對該區(qū)進(jìn)行保護(hù)；另一路為設(shè)計在送粉通路外側(cè)的保護(hù)氣體輸送通路。中路保護(hù)氣體與外側(cè)保護(hù)氣體使用相同的氣體或者不同；
[0016] 所述中路氣體輸入采用如下設(shè)計:中路螺旋氣路導(dǎo)套對進(jìn)入的氣體進(jìn)行均化和轉(zhuǎn)向，下面設(shè)計有中路螺旋氣路座套；所述四向螺旋式進(jìn)氣裝置為采用在空心圓柱體的外壁上均勻分布在一個圓周上的四個斜插入該空心圓柱體的四根管構(gòu)成，這四根管與豎直方向即Z軸方向呈夾角a為30° -50° ;而四根管的軸線與其圓柱體連接處焦點(diǎn)的切線法相呈β為60°夾角；
[0017]中路保護(hù)氣體流速:l-5L/min ;外側(cè)保護(hù)氣體送進(jìn)速度:12_18L/min。
[0018]圖4為上述設(shè)計方案情況下的噴頭模擬保護(hù)氣流場，從結(jié)果中可以看出中路保護(hù)氣有明顯的噴射效果，對外環(huán)兩路氣流形態(tài)造成一定影響，并且打破停滯區(qū)域無黏流的流場形態(tài)。中路氣路內(nèi)存在小的上升氣流，基材表面無回流。
[0019]其中決定保護(hù)效果的重要參數(shù)有:中路保護(hù)氣體流速:l-5L/min ;外側(cè)保護(hù)氣體送進(jìn)速度:12-18L/min。兩路保護(hù)氣體與中間的粉末區(qū)相互作用，獲得較好的保護(hù)效果。
[0020]本發(fā)明的有益效果在于:本發(fā)明為早空氣中直接制造鈦合金零件提供了可能，與常用打的在密閉氣氛中進(jìn)行的制造過程相比，簡單實(shí)用、成本較低，適合大量生產(chǎn)，具有很大經(jīng)濟(jì)效益。而且該技術(shù)也可以推廣到失效鈦合金零件的修復(fù)制造，甚至在線修復(fù)過程中。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0021]圖1本發(fā)明在空氣中直接制造鈦合金零部件系統(tǒng)圖；
[0022]圖2本發(fā)明同軸送粉噴嘴的功能示意圖，其中=Vtl:為中路保護(hù)氣體通路，V1:為粉末和載氣通路；v2:為外側(cè)保護(hù)氣體通路；
[0023]圖3a中路保護(hù)氣路結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計示意圖；
[0024]圖3b四向螺旋式進(jìn)氣裝置三維圖；
[0025]圖3c四向螺旋式進(jìn)氣裝置三個方向示意圖；
[0026]圖4中路氣路為四向螺旋進(jìn)氣口時的氣體流場速度分布；
[0027]圖5鈦合金零件制造過程中不同中路氣流量對元素含量的影響。
[0028]圖中:1、高能束流，2、送粉噴嘴，3、保護(hù)氣體輸送，4、夾具，5、在建造零件，6、鈦合金底板，7、送粉器，8、機(jī)床工作臺，9、主軸(調(diào)中和通光錐管連接軸)，10、中路螺旋氣路導(dǎo)套，11、中路螺旋氣路座套
【具體實(shí)施方式】
[0029]所述四向螺旋式進(jìn)氣裝置為采用在空心圓柱體的外壁上均勻分布在一個圓周上的四個斜插入該空心圓柱體的四根管構(gòu)成，這四根管和豎直方向即z軸方向的夾角α為45° ;而這四根管的俯視方向和中路螺旋氣路座套的四個出口方向夾角為β角為60°，以及這四根管與水平方向夾角為50° ;
[0030]中路螺旋氣路導(dǎo)套的直徑為30mm，高度為20mm ;四根管插在中路螺旋氣路導(dǎo)套的中心圓周位置。
[0031]以高能束流為熱源對從同軸送粉噴嘴輸送的鈦合金粉末在同質(zhì)的基板上通過點(diǎn)-線-面疊加逐層熔化沉積，直接制造鈦合金三維實(shí)體零件。其中高能束流的運(yùn)動通過數(shù)控系統(tǒng)控制完成，其運(yùn)動路線由要建零件的單層信息決定。需要指出的是整個鈦合金零部件的制造是在空氣中直接完成的，制造過程無需在密閉氣室的真空、過壓或者惰性氣體保護(hù)氣氛中進(jìn)行。
[0032]A.高能束流可以是激光束、電子束、等離子束等作為熱源，其中激光包括固體激光、半導(dǎo)體激光以及光纖激光等工業(yè)用激光；
[0033]B.一套輸送鈦合金粉末的粉末輸送系統(tǒng):包括送粉器和送粉噴嘴。送粉器的主要作用是向送粉噴嘴輸送所需輸送速度的粉末。送粉噴嘴的功能包括水冷系統(tǒng)、送氣系統(tǒng)、送粉系統(tǒng)等；水冷系統(tǒng)的作用在于在三維零件制造過程中對整個送粉噴嘴進(jìn)行冷卻，因?yàn)閲娮鞎捎诩す獾姆瓷渥饔枚鴾囟壬?。其中送氣系統(tǒng)不僅輸送攜帶粉末顆粒運(yùn)動的載流氣體，也輸送對熔池以及在建零件進(jìn)行保護(hù)的惰性氣體。
[0034]C.鈦合金零件的制造過程是在大氣中完成的，零件建造過程中液態(tài)熔池以及在建零件的保護(hù)僅僅通過送粉噴嘴向激光與材料相互作用區(qū)輸送粉末的同時輸送的保護(hù)氣體來實(shí)現(xiàn)。粉末噴嘴輸送的保護(hù)氣體分兩路，一路為中路保護(hù)氣體，即由光路輸送到熔池區(qū)，對該區(qū)進(jìn)行保護(hù)；另一路為設(shè)計在送粉通路外側(cè)的保護(hù)氣體輸送通路，該路氣體的保護(hù)范圍可以通過輸送通道的設(shè)計得以擴(kuò)展。中路保護(hù)氣體與外側(cè)保護(hù)氣體可以使用相同的氣體，也可以不同。
[0035]該方法包括下列步驟，
[0036]第一步:將粒度為-200目~+325目的任何一種鈦合粉末放入送粉器；
[0037]第二步:采用夾緊裝置將同質(zhì)鈦合金底板夾緊，放在工作臺上；
[0038]第三步:將氬氣通入送粉器中作為粉末輸送的載氣，把氬氣(或者氦氣)分別通入送粉噴嘴的中路和外側(cè)保護(hù)氣體通路作為保護(hù)氣體輸出；
[0039]第四部:首先開啟送氣、送粉裝置，然后開動高能束流。這時粉末被連續(xù)送入激光與基板的相互作用區(qū)并進(jìn)入熔池中，其中熱源的能量輸入需要根據(jù)其他參數(shù)相互配合、共同決定。
[0040]第五步:高能束流光源沿著要建零件的CAD模型斷面軌跡掃描，將同步輸送的鈦合金粉末逐層熔化沉積在同質(zhì)合金板上，通過點(diǎn)-線-面的疊加，即可建造要建鈦零件的三維實(shí)體。
[0041]第六步:鈦合金零件制造過程中，重要的參數(shù)是激光功率、送粉量、激光進(jìn)給速度和z軸位移量。其中激光功率、送粉量、激光進(jìn)給速度決定了激光加工過程中的熱輸入量、單道熔覆線的寬度和高度。上述參數(shù)的范圍分別是:激光功率:400-1200W，送粉量:8-12g/min,激光進(jìn)給速度:400-600mm/min, z軸位移量:100-500um/次。而決定保護(hù)效果的重要參數(shù)有:中路保護(hù)氣體流速:l_5L/min ;外側(cè)保護(hù)氣體送進(jìn)速度:12_18L/min。
[0042]實(shí)施例1
[0043]實(shí)驗(yàn)選用說明書圖1所示成形系統(tǒng)進(jìn)行鈦合金零件的制造，所用送粉噴嘴如說明書圖2所示。制造過程中的工藝參數(shù)如表1所示，首先選擇氬氣作為保護(hù)氣體，其中外層氬氣保護(hù)氣流量選取為15L/min，中路保護(hù)氣路氬氣加載流量分別取值為3、7、10L/min進(jìn)行制造。
[0044]工藝參數(shù)見表1:
【權(quán)利要求】
1.一種可用于在空氣中直接制造鈦合金零部件的快速成形方法，其特征在于: 送粉噴嘴的功能包括水冷系統(tǒng)、送氣系統(tǒng)、送粉系統(tǒng)；同軸送粉噴嘴輸送的保護(hù)氣體分兩路，一路為中路保護(hù)氣體，即由光路輸送到熔池區(qū)，對該區(qū)進(jìn)行保護(hù)；另一路為設(shè)計在送粉通路外側(cè)的保護(hù)氣體輸送通路；中路保護(hù)氣體與外側(cè)保護(hù)氣體使用相同的氣體或者不同； 所述中路氣體輸入采用如下設(shè)計:中路螺旋氣路導(dǎo)套對進(jìn)入的氣體進(jìn)行均化和轉(zhuǎn)向，下面設(shè)計有中路螺旋氣路座套；所述四向螺旋式進(jìn)氣裝置為采用在空心圓柱體的外壁上均勻分布在一個圓周上的四個斜插入該空心圓柱體的四根管構(gòu)成，這四根管與豎直方向即Z軸方向呈夾角α為30° -50° ;而四根管的軸線與其圓柱體連接處焦點(diǎn)的切線法相呈β為60°夾角； 中路保護(hù)氣體流速:l_5L/min ;外側(cè)保護(hù)氣體送進(jìn)速度:12_18L/min。
【文檔編號】B22F3/105GK103952696SQ201410147260
【公開日】2014年7月30日 申請日期:2014年4月14日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月14日
【發(fā)明者】張冬云, 趙恒 , 高志鵬, 牛雯 申請人:北京工業(yè)大學(xué)