一種鈦合金薄壁蜂窩結(jié)構(gòu)的制備方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種鈦合金薄壁蜂窩結(jié)構(gòu)的制備方法，其步驟：(a)將該鈦合金薄壁蜂窩結(jié)構(gòu)模型按20～30μm層厚切片分層；(b)將該鈦合金粉末均勻地鋪設(shè)在鈦合金基板上，激光器發(fā)射的激光束按照確定的激光束掃描的軌跡對(duì)鈦合金粉末層進(jìn)行選擇性熔化，完成一層鈦合金薄壁蜂窩結(jié)構(gòu)加工；(c)在形成的一層鈦合金薄壁蜂窩結(jié)構(gòu)上再次鋪設(shè)鈦合金粉末，激光器發(fā)射的激光束按照確定的激光束掃描的軌跡對(duì)鈦合金粉末層進(jìn)行選擇性熔化；(d)逐層加工鈦合金薄壁蜂窩結(jié)構(gòu)，最終形成鈦合金薄壁蜂窩結(jié)構(gòu)。本發(fā)明方法減小成形過程中的應(yīng)力累積及成形件的變形，柔性化程度高，能夠制備變蜂窩距甚至具有三維點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的薄壁蜂窩結(jié)構(gòu)件。
【專利說明】一種鈦合金薄壁蜂窩結(jié)構(gòu)的制備方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于激光增材制造【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及一種鈦合金薄壁蜂窩結(jié)構(gòu)的制備方法。

【背景技術(shù)】
[0002]蜂窩結(jié)構(gòu)是一種特殊結(jié)構(gòu)，具有抗壓、減震、隔音、保溫、質(zhì)輕、比強(qiáng)度高等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于航空航天、軍事等領(lǐng)域。蜂窩結(jié)構(gòu)的傳統(tǒng)制造方法有兩種，一種是膠接式，其連接方式為物理結(jié)合，其強(qiáng)度、使用壽命以及允許的工作環(huán)境在很大程度上受膠粘劑性能制約。為了提高蜂窩結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，壓力釬焊成形法逐漸發(fā)展起來，此方法采用釬焊，取代了壓力成形法中的膠接。壓力釬焊成形法柔性化程度低，需要大量成套專用工模具，限制了蜂窩結(jié)構(gòu)幾何形狀的多樣性及零件結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步優(yōu)化，同時(shí)釬料的低熔點(diǎn)也影響了蜂窩結(jié)構(gòu)的高溫使用性能。
[0003]選區(qū)激光熔化成形(Selective Laser Melting,簡稱SLM)技術(shù)是基于快速原型的基本思想，結(jié)合激光熔覆技術(shù)發(fā)展起來的數(shù)字化制造技術(shù)，十分適合鈦合金薄壁蜂窩結(jié)構(gòu)件的快速成形。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種鈦合金薄壁蜂窩結(jié)構(gòu)的制備方法，通過選區(qū)激光熔化成形技術(shù)得到力學(xué)強(qiáng)度高、幾何形狀多樣的蜂窩結(jié)構(gòu)。
[0005]實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)方案:一種鈦合金薄壁蜂窩結(jié)構(gòu)的制備方法，其采用選區(qū)激光熔化成形系統(tǒng)方法鈦合金薄壁蜂窩結(jié)構(gòu)，該制備方法包括如下步驟:
[0006](a)首先在計(jì)算機(jī)中建立鈦合金薄壁蜂窩結(jié)構(gòu)的三維CAD模型，將該鈦合金薄壁蜂窩結(jié)構(gòu)模型按20?30 μ m層厚切片分層，從而按照各層鈦合金薄壁蜂窩結(jié)構(gòu)逐層加工；
[0007](b)將每層的鈦合金薄壁蜂窩結(jié)構(gòu)的三維形狀數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成一系列二維輪廓數(shù)據(jù)，然后根據(jù)每層的二維輪廓數(shù)據(jù)確定激光束掃描的軌跡；
[0008]通過旋振篩得到粒度小于300目的TC4球形鈦合金粉末，將該鈦合金粉末均勻地鋪設(shè)在10?20mm厚的TC4鈦合金基板上，鈦合金粉末鋪設(shè)厚度符合步驟(a)中分層的厚度要求；激光器發(fā)射的激光束按照確定的激光束掃描的軌跡對(duì)鈦合金粉末層進(jìn)行選擇性熔化，其中采用的激光功率范圍為200?350W、光斑直徑為0.1?0.6mm、掃描速度為20?40m/min,完成一層鈦合金薄壁蜂窩結(jié)構(gòu)加工；
[0009](c)在形成的一層鈦合金薄壁蜂窩結(jié)構(gòu)上再次鋪設(shè)鈦合金粉末，鈦合金粉末鋪設(shè)厚度符合步驟(a)中分層的厚度要求；激光器發(fā)射的激光束按照確定的激光束掃描的軌跡對(duì)鈦合金粉末層進(jìn)行選擇性熔化，相鄰層鈦合金薄壁蜂窩結(jié)構(gòu)加工時(shí)，激光束掃描方向相反，其中采用的激光功率范圍為200?350W、光斑直徑為0.5?1.0mm、掃描速度為20?40m/min，完成相鄰層鈦合金薄壁蜂窩結(jié)構(gòu)加工；
[0010](d)按照步驟(C)的加工方法反復(fù)進(jìn)行，逐層加工鈦合金薄壁蜂窩結(jié)構(gòu)，最終形成鈦合金薄壁蜂窩結(jié)構(gòu)。
[0011]如上所述的一種鈦合金薄壁蜂窩結(jié)構(gòu)的制備方法，其所述的鈦合金薄壁蜂窩結(jié)構(gòu)為六邊形蜂窩結(jié)構(gòu)，壁厚為0.15mm?0.8mm。
[0012]如上所述的一種鈦合金薄壁蜂窩結(jié)構(gòu)的制備方法，其所述的激光束掃描采用局部區(qū)域仿形式掃描策略，成形同一層六邊形蜂窩結(jié)構(gòu)時(shí)，同排每個(gè)局部六邊形采用相同回轉(zhuǎn)方向，相鄰排采用相反的回轉(zhuǎn)方向。
[0013]如上所述的一種鈦合金薄壁蜂窩結(jié)構(gòu)的制備方法，其選區(qū)激光熔化成形時(shí)保護(hù)氣氛為純度為99.999%的高純氬氣。
[0014]如上所述的一種鈦合金薄壁蜂窩結(jié)構(gòu)的制備方法，其所述的激光器采用400W光纖激光器，激光束經(jīng)聚焦鏡及掃描振鏡射出至鈦合金粉末上。
[0015]本發(fā)明的效果在于:本發(fā)明提供一種鈦合金薄壁蜂窩結(jié)構(gòu)的制備方法，通過選區(qū)激光熔化成形技術(shù)得到力學(xué)強(qiáng)度高、幾何形狀多樣的蜂窩結(jié)構(gòu)，其不需專用工模具，效率高。本發(fā)明方法采用局部區(qū)域仿形式掃描策略，減小成形過程中的應(yīng)力累積及成形件的變形，柔性化程度高，能夠制備變蜂窩距甚至具有三維點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的薄壁蜂窩結(jié)構(gòu)件。本發(fā)明方法獲得的鈦合金薄壁蜂窩結(jié)構(gòu)最小壁厚可達(dá)0.15mm，材料組織致密、細(xì)小均勻，零件的力學(xué)性能和耐腐蝕性能優(yōu)異。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0016]圖1為本發(fā)明所述的一種鈦合金薄壁六變形蜂窩結(jié)構(gòu)示意圖；
[0017]圖2為本發(fā)明所述的鈦合金薄壁蜂窩結(jié)構(gòu)的制備過程示意圖；
[0018]圖3為本發(fā)明所述的一種鈦合金薄壁六邊形蜂窩局部區(qū)域仿形式掃描策略示意圖。
[0019]圖中:1.計(jì)算機(jī)；2.送粉箱；3.刮板；4.成形箱；5.激光器；6.聚焦鏡；7.掃描振鏡。

【具體實(shí)施方式】
[0020]下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明所述的一種鈦合金薄壁蜂窩結(jié)構(gòu)的制備方法作進(jìn)一步描述。
[0021]實(shí)施例1
[0022]本發(fā)明所述的鈦合金薄壁蜂窩結(jié)構(gòu)的制備方法，其采用選區(qū)激光熔化成形方法制備鈦合金薄壁蜂窩結(jié)構(gòu)。選區(qū)激光熔化成形技術(shù)是基于快速原型的基本思想，即逐層熔覆/增量制造的方式。
[0023]如圖1所示，以一種鈦合金薄壁六變形蜂窩結(jié)構(gòu)為例，尺寸:10mmX 10mmX 50mm,壁厚0.5mm,米用本發(fā)明所述的一種鈦合金薄壁蜂窩結(jié)構(gòu)的制備方法進(jìn)行加工具體步驟如下，如圖2所示:
[0024](a)首先在計(jì)算機(jī)I中建立鈦合金薄壁蜂窩結(jié)構(gòu)的三維CAD模型，將該鈦合金薄壁蜂窩結(jié)構(gòu)模型按25 μ m層厚切片分層(具體分為2000層)，從而按照各層鈦合金薄壁蜂窩結(jié)構(gòu)逐層加工；
[0025](b)將每層的鈦合金薄壁蜂窩結(jié)構(gòu)的三維形狀數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成一系列二維輪廓數(shù)據(jù)，然后根據(jù)每層的二維輪廓數(shù)據(jù)確定激光束掃描的軌跡；
[0026]通過旋振篩得到粒度小于300目的TC4球形鈦合金粉末，鈦合金粉末放入送粉箱2內(nèi)；通過刮板3將該鈦合金粉末均勻地鋪設(shè)在15mm厚的TC4鈦合金基板上，TC4鈦合金基板放在成形箱4內(nèi)，鈦合金粉末鋪設(shè)厚度限定在步驟(a)中分層的厚度要求；激光器5發(fā)射的激光束按照確定的激光束掃描的軌跡對(duì)鈦合金粉末層進(jìn)行選擇性熔化，其中采用的激光功率范圍為300W、光斑直徑為0.4mm、掃描速度為30m/min，完成一層鈦合金薄壁蜂窩結(jié)構(gòu)加工。
[0027](C)成形箱4按照設(shè)定下降一個(gè)層厚的距離，送粉箱2按照設(shè)定上升一個(gè)層厚的距離，通過刮板3在形成的一層鈦合金薄壁蜂窩結(jié)構(gòu)上再次鋪設(shè)鈦合金粉末，鈦合金粉末鋪設(shè)厚度符合步驟(a)中分層的厚度要求；激光器發(fā)射的激光束按照確定的激光束掃描的軌跡對(duì)鈦合金粉末層進(jìn)行選擇性熔化，相鄰層鈦合金薄壁蜂窩結(jié)構(gòu)加工時(shí)，激光束掃描方向相反，減小層間的應(yīng)力集中，其中采用的激光功率范圍為300W、光斑直徑為0.4mm、掃描速度為30m/min，完成另一層鈦合金薄壁蜂窩結(jié)構(gòu)加工。
[0028](d)按照步驟(C)的加工方法再進(jìn)行上一層鈦合金薄壁蜂窩結(jié)構(gòu)加工，如此往復(fù)，最終形成鈦合金薄壁蜂窩結(jié)構(gòu)。
[0029]如圖3所示，上述方法中激光束掃描采用仿形式掃描路徑，成形同一層六邊形蜂窩結(jié)構(gòu)時(shí)，同排每個(gè)局部六邊形采用相同回轉(zhuǎn)方向，相鄰排采用相反的回轉(zhuǎn)方向，減小層內(nèi)的應(yīng)力集中。
[0030]上述選區(qū)激光熔化成形時(shí)保護(hù)氣氛為純度為99.999%的高純氬氣。
[0031]上述激光器5采用400W光纖激光器，激光束經(jīng)聚焦鏡6及掃描振鏡射7出至鈦合金粉末上。
[0032]實(shí)施例2
[0033]如圖1所示，以一種鈦合金薄壁六變形蜂窩結(jié)構(gòu)為例，尺寸:10mmX60mmX30mm，壁厚0.15mm，采用本發(fā)明所述的一種鈦合金薄壁蜂窩結(jié)構(gòu)的制備方法進(jìn)行加工具體步驟如下，如圖2所示:
[0034](a)首先在計(jì)算機(jī)I中建立鈦合金薄壁蜂窩結(jié)構(gòu)的三維CAD模型，將該鈦合金薄壁蜂窩結(jié)構(gòu)模型按20 μ m層厚切片分層(具體分1500層)，從而按照各層鈦合金薄壁蜂窩結(jié)構(gòu)逐層加工；
[0035](b)將每層的鈦合金薄壁蜂窩結(jié)構(gòu)的三維形狀數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成一系列二維輪廓數(shù)據(jù)，然后根據(jù)每層的二維輪廓數(shù)據(jù)確定激光束掃描的軌跡；
[0036]通過旋振篩得到粒度小于300目的TC4球形鈦合金粉末，鈦合金粉末放入送粉箱2內(nèi)；通過刮板3將該鈦合金粉末均勻地鋪設(shè)在1mm厚的TC4鈦合金基板上，TC4鈦合金基板放在成形箱4內(nèi)，鈦合金粉末鋪設(shè)厚度限定在步驟(a)中分層的厚度要求；激光器5發(fā)射的激光束按照確定的激光束掃描的軌跡對(duì)鈦合金粉末層進(jìn)行選擇性熔化，其中采用的激光功率范圍為200W、光斑直徑為0.1mm、掃描速度為20m/min，完成一層鈦合金薄壁蜂窩結(jié)構(gòu)加工。
[0037](C)成形箱4按照設(shè)定下降一個(gè)層厚的距離，送粉箱2按照設(shè)定上升一個(gè)層厚的距離，通過刮板3在形成的一層鈦合金薄壁蜂窩結(jié)構(gòu)上再次鋪設(shè)鈦合金粉末，鈦合金粉末鋪設(shè)厚度符合步驟(a)中分層的厚度要求；激光器發(fā)射的激光束按照確定的激光束掃描的軌跡對(duì)鈦合金粉末層進(jìn)行選擇性熔化，相鄰層鈦合金薄壁蜂窩結(jié)構(gòu)加工時(shí)，激光束掃描方向相反，減小層間的應(yīng)力集中，其中采用的激光功率范圍為200W、光斑直徑為0.1mm、掃描速度為20m/min，完成另一層鈦合金薄壁蜂窩結(jié)構(gòu)加工。
[0038](d)按照步驟(C)的加工方法再進(jìn)行上一層鈦合金薄壁蜂窩結(jié)構(gòu)加工，如此往復(fù)，最終形成鈦合金薄壁蜂窩結(jié)構(gòu)。
[0039]如圖3所示，上述方法中激光束掃描采用仿形式掃描路徑，成形同一層六邊形蜂窩結(jié)構(gòu)時(shí)，同排每個(gè)局部六邊形采用相同回轉(zhuǎn)方向，相鄰排采用相反的回轉(zhuǎn)方向，減小層內(nèi)的應(yīng)力集中。
[0040]上述選區(qū)激光熔化成形時(shí)保護(hù)氣氛為純度為99.999%的高純氬氣。
[0041]上述激光器5米用400W光纖激光器,激光束經(jīng)聚焦鏡6及掃描振鏡射7出至鈦合金粉末上。
[0042]實(shí)施例3
[0043]以一種鈦合金薄壁六變形蜂窩結(jié)構(gòu)為例,尺寸:10mmX 40mmX 60mm,壁厚0.8mm,采用本發(fā)明所述的一種鈦合金薄壁蜂窩結(jié)構(gòu)的制備方法進(jìn)行加工具體步驟如下，如圖2所示:
[0044](a)首先在計(jì)算機(jī)I中建立鈦合金薄壁蜂窩結(jié)構(gòu)的三維CAD模型，將該鈦合金薄壁蜂窩結(jié)構(gòu)模型按30 μ m層厚切片分層(具體分2000層)，從而按照各層鈦合金薄壁蜂窩結(jié)構(gòu)逐層加工；
[0045](b)將每層的鈦合金薄壁蜂窩結(jié)構(gòu)的三維形狀數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成一系列二維輪廓數(shù)據(jù)，然后根據(jù)每層的二維輪廓數(shù)據(jù)確定激光束掃描的軌跡；
[0046]通過旋振篩得到粒度小于300目的TC4球形鈦合金粉末，鈦合金粉末放入送粉箱2內(nèi)；通過刮板3將該鈦合金粉末均勻地鋪設(shè)在20mm厚的TC4鈦合金基板上，TC4鈦合金基板放在成形箱4內(nèi)，鈦合金粉末鋪設(shè)厚度限定在步驟(a)中分層的厚度要求；激光器5發(fā)射的激光束按照確定的激光束掃描的軌跡對(duì)鈦合金粉末層進(jìn)行選擇性熔化，其中采用的激光功率范圍為350W、光斑直徑為0.6mm、掃描速度為40m/min，完成一層鈦合金薄壁蜂窩結(jié)構(gòu)加工。
[0047](C)成形箱4按照設(shè)定下降一個(gè)層厚的距離，送粉箱2按照設(shè)定上升一個(gè)層厚的距離，通過刮板3在形成的一層鈦合金薄壁蜂窩結(jié)構(gòu)上再次鋪設(shè)鈦合金粉末，鈦合金粉末鋪設(shè)厚度符合步驟(a)中分層的厚度要求；激光器發(fā)射的激光束按照確定的激光束掃描的軌跡對(duì)鈦合金粉末層進(jìn)行選擇性熔化，相鄰層鈦合金薄壁蜂窩結(jié)構(gòu)加工時(shí)，激光束掃描方向相反，減小層間的應(yīng)力集中，其中采用的激光功率范圍為350W、光斑直徑為0.6mm、掃描速度為40m/min，完成另一層鈦合金薄壁蜂窩結(jié)構(gòu)加工。
[0048](d)按照步驟(C)的加工方法再進(jìn)行上一層鈦合金薄壁蜂窩結(jié)構(gòu)加工，如此往復(fù)，最終形成鈦合金薄壁蜂窩結(jié)構(gòu)。
[0049]如圖3所示，上述方法中激光束掃描采用仿形式掃描路徑，成形同一層六邊形蜂窩結(jié)構(gòu)時(shí)，同排每個(gè)局部六邊形采用相同回轉(zhuǎn)方向，相鄰排采用相反的回轉(zhuǎn)方向，減小層內(nèi)的應(yīng)力集中。
[0050]上述選區(qū)激光熔化成形時(shí)保護(hù)氣氛為純度為99.999%的高純氬氣。
[0051]上述激光器5米用400W光纖激光器,激光束經(jīng)聚焦鏡6及掃描振鏡射7出至鈦合金粉末上。
【權(quán)利要求】
1.一種鈦合金薄壁蜂窩結(jié)構(gòu)的制備方法，其采用選區(qū)激光熔化成形方法制備鈦合金薄壁蜂窩結(jié)構(gòu)，其特征在于，該制備方法包括如下步驟: (a)首先在計(jì)算機(jī)中建立鈦合金薄壁蜂窩結(jié)構(gòu)的三維CAD模型，將該鈦合金薄壁蜂窩結(jié)構(gòu)模型按20?30 μ m層厚切片分層，從而按照各層鈦合金薄壁蜂窩結(jié)構(gòu)逐層加工； (b)將每層的鈦合金薄壁蜂窩結(jié)構(gòu)的三維形狀數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成一系列二維輪廓數(shù)據(jù)，然后根據(jù)每層的二維輪廓數(shù)據(jù)確定激光束掃描的軌跡； 通過旋振篩得到粒度小于300目的TC4球形鈦合金粉末，將該鈦合金粉末均勻地鋪設(shè)在10?20mm厚的TC4鈦合金基板上，鈦合金粉末鋪設(shè)厚度符合步驟(a)中分層的厚度要求；激光器發(fā)射的激光束按照確定的激光束掃描的軌跡對(duì)鈦合金粉末層進(jìn)行選擇性熔化，其中采用的激光功率范圍為200?350W、光斑直徑為0.1?0.6mm、掃描速度為20?40m/min,完成一層鈦合金薄壁蜂窩結(jié)構(gòu)加工； (c)在形成的一層鈦合金薄壁蜂窩結(jié)構(gòu)上再次鋪設(shè)鈦合金粉末，鈦合金粉末鋪設(shè)厚度符合步驟(a)中分層的厚度要求；激光器發(fā)射的激光束按照確定的激光束掃描的軌跡對(duì)鈦合金粉末層進(jìn)行選擇性熔化，相鄰層鈦合金薄壁蜂窩結(jié)構(gòu)加工時(shí)，激光束掃描方向相反，其中采用的激光功率范圍為200?350W、光斑直徑為0.5?1.0mm、掃描速度為20?40m/min，完成相鄰層鈦合金薄壁蜂窩結(jié)構(gòu)加工； (d)按照步驟(C)的加工方法反復(fù)進(jìn)行，逐層加工鈦合金薄壁蜂窩結(jié)構(gòu)，最終形成鈦合金薄壁蜂窩結(jié)構(gòu)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種鈦合金薄壁蜂窩結(jié)構(gòu)的制備方法，其特征在于:所述的鈦合金薄壁蜂窩結(jié)構(gòu)為六邊形蜂窩結(jié)構(gòu)，壁厚為0.15mm?0.8mm。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種鈦合金薄壁蜂窩結(jié)構(gòu)的制備方法，其特征在于:所述的激光束掃描米用局部區(qū)域仿形式掃描策略，成形同一層六邊形蜂窩結(jié)構(gòu)時(shí)，同排每個(gè)局部六邊形采用相同回轉(zhuǎn)方向，相鄰排采用相反的回轉(zhuǎn)方向。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種鈦合金薄壁蜂窩結(jié)構(gòu)的制備方法，其特征在于:選區(qū)激光熔化成形時(shí)保護(hù)氣氛為純度為99.999%的高純氬氣。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種鈦合金薄壁蜂窩結(jié)構(gòu)的制備方法，其特征在于:所述的激光器米用400W光纖激光器,激光束經(jīng)聚焦鏡及掃描振鏡射出至鈦合金粉末上。
【文檔編號(hào)】B22F3/11GK104043831SQ201410265403
【公開日】2014年9月17日 申請(qǐng)日期:2014年6月13日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月13日
【發(fā)明者】王國慶, 梁曉康, 陳濟(jì)輪, 董鵬, 何京文, 趙衍華, 朱平萍 申請(qǐng)人:首都航天機(jī)械公司, 中國運(yùn)載火箭技術(shù)研究院