一種基于鈦及鈦合金金屬絲材的增材制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于金屬成形和制造技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于鈦及鈦合金金屬絲材的增材制造方法。
【背景技術(shù)】
[0002]金屬的近凈成形技術(shù)一般包括:鑄造(精密鑄造)，等溫鍛造，粉末冶金制造方法，屬于減材制造，近年來快速發(fā)展的是金屬增材制造技術(shù)(金屬3D打印)是近凈成形技術(shù)的熱門研究領(lǐng)域；鈦及鈦合金增材制造技術(shù)更是國(guó)內(nèi)外研究的重點(diǎn)，國(guó)內(nèi)以北京航空航天大學(xué)，西北工業(yè)大學(xué)為主的大專院校和科研院所在這個(gè)領(lǐng)域取得了很大成果，有一些鈦合金部件已經(jīng)成功應(yīng)用在重點(diǎn)型號(hào)的飛機(jī)和火箭上；但是，國(guó)內(nèi)外用的近凈成形增材制造的原材料都是鈦合金的粉末，用鈦及鈦合金粉末作為原材料有以下缺點(diǎn):①鈦合金粉末生產(chǎn)困難。鈦及鈦合金按組織分為€[，近(1，(1+0，近0，0型鈦合金，國(guó)內(nèi)現(xiàn)在α型鈦一純鈦粉末已經(jīng)能夠穩(wěn)定生產(chǎn)外，其它型號(hào)鈦合金粉末由于生產(chǎn)鈦合金粉末技術(shù)工藝和設(shè)備水平的限制尚不能穩(wěn)定生產(chǎn)；由于用于增材制造的鈦合金粉末成分要求嚴(yán)格，粒度和形狀對(duì)制造工藝有決定性影響，鈦合金部件大多用在航空航天等重要領(lǐng)域，機(jī)械性能要求高，需要穩(wěn)定和超低間隙雜質(zhì)元素含量的鈦合金粉末，而鈦合金粉末化學(xué)活性高，比表面積大，生產(chǎn)技術(shù)很難突破；②原材料來源受限:國(guó)內(nèi)主要用于增材制造使用的TC4(T1-6Al-4V，α +β型)鈦合金粉末還需要進(jìn)口，價(jià)格昂貴，成本高。特別是對(duì)于用在航空航天發(fā)動(dòng)機(jī)上的耐高溫鈦合金和高強(qiáng)度高韌性的結(jié)構(gòu)鈦合金粉末，屬于高度敏感材料，幾乎無進(jìn)口可能性。這也是我國(guó)沒有大面積應(yīng)用增材制造鈦合金部件的原因；α型純鈦粉末國(guó)內(nèi)一些單位雖然可以穩(wěn)定生產(chǎn)，但其主要制品主要應(yīng)用在民用耐腐蝕領(lǐng)域，和其它近凈成形技術(shù)比，價(jià)格明顯沒有優(yōu)勢(shì)。③粉末利用率問題。用鈦及鈦合金粉末增材制造過程中，不可避免的要有一部分粉末要損耗掉，不能再利用，造成成本進(jìn)一步增加。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]針對(duì)上述存在的問題，本發(fā)明提供一種基于鈦及鈦合金金屬絲材的增材制造方法。
[0004]本發(fā)明的基于鈦及鈦合金金屬絲材的增材制造方法，要點(diǎn)在于包括三個(gè)關(guān)鍵流程工藝方法，首先為高品質(zhì)鈦及鈦合金絲材制備工藝，其次為用絲材作原料，激光作加熱源的增材制造熔敷工藝，最后為鈦合金部件制造過程中的組織控制和熱處理工藝。
[0005]尚品質(zhì)欽合金絲是制造尚品質(zhì)增材欽合金部件的基礎(chǔ)，而原材料和欽合金徒的恪鑄是生產(chǎn)鈦合金絲的核心工藝；其生產(chǎn)工藝步驟為:①需選用超O級(jí)海綿鈦和超低雜質(zhì)含量的中間合金及純金屬；②根據(jù)各個(gè)鈦合金牌號(hào)的具體要求配料，用液壓擠壓機(jī)壓制成熔煉用的自耗電極塊；③用等離子焊機(jī)在真空狀態(tài)下組焊成自耗用電極；④根據(jù)鈦合金牌號(hào)合金含量的不同，采用不同的熔煉方法:合金含量< 10% (重量百分比，下同)，采用兩次真空自耗電弧爐熔煉成鈦錠；10% <合金含量< 20%的鈦合金，采用三次真空自耗電弧爐熔煉成鈦錠；合金含量> 20%的高合金含量鈦合金，為防止合金偏析，需采用兩次真空自耗電弧爐+ —次真空自耗凝殼爐的熔煉方法熔煉成鈦錠，熔煉成的鈦合金錠除滿足其主成分的合金要求外，其雜質(zhì)成分的要求必須控制在O < 0.08%，N < 0.002%，H < 0.001%, C
<0.002%.本發(fā)明有加入5 0.005%的細(xì)化晶粒的元素；
熔煉成的鈦合金錠按其牌號(hào)的要求進(jìn)行熱鍛開坯，熱乳盤圓，修磨，冷拉，真空退火一系列正常工序加工成Φ2的鈦合金軟態(tài)盤絲。本發(fā)明根據(jù)制造的鈦合金零部件的大小和精度不同，需要生產(chǎn)0.01 < Φ < 1.0的鈦合金絲才能滿足工藝要求。需在滾模拉伸機(jī)(乳絲機(jī))上，以Φ2盤絲為原料進(jìn)一步加工；以自制的氬氣保護(hù)連續(xù)加熱設(shè)備在乳絲機(jī)上溫拉(乳)為工藝要點(diǎn)，溫度控制依據(jù)其鈦合金的相變點(diǎn)不同而不同，600°C—一950°C。成品絲要無應(yīng)力狀態(tài)絲，表面光滑無污染物，繞制在自動(dòng)送絲機(jī)用的軸盤上。
[0006]選擇以激光作為熱源是因?yàn)槠淙刍俣瓤?，穩(wěn)定，熱敷成形熱影響區(qū)小，鈦合金部件變形小這些優(yōu)點(diǎn)；當(dāng)然，也可以用電子束，等離子，電弧作為熱源進(jìn)行以絲材為原料的增材制造成形，各有其優(yōu)缺點(diǎn)；本發(fā)明只以激光作熱源工藝技術(shù)進(jìn)行說明；本發(fā)明使用的激光熔敷成形機(jī)是以外購的能自動(dòng)送絲的激光源為基礎(chǔ)，改制成的，工作臺(tái)行程尺寸為200 X 200 X 300，控制及切片軟件為自主研發(fā)。
[0007]本發(fā)明以絲材為原料激光熔敷成形的技術(shù)工藝過程為①把待制造的鈦合金部件圖紙進(jìn)行數(shù)字化處理切片，編程②根據(jù)鈦合金的牌號(hào)，組織特點(diǎn)，熱力學(xué)數(shù)據(jù)和該部件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)建立凝固溫度場(chǎng)數(shù)字模型，選用合理的鈦絲規(guī)格和熔敷速度③選取激光機(jī)的電壓，電流和光學(xué)參數(shù)④調(diào)定激光熔敷部位保護(hù)氣體的流量壓力⑤調(diào)定成形的鈦合金金屬部件包護(hù)套的保護(hù)氣體的流量和壓力⑥開始熱敷成形。
[0008]對(duì)于鈦合金的近成形增材制造來說，無論是原料是金屬粉末還是絲材，鈦合金零部件組織的控制對(duì)其常溫機(jī)械性能和高溫性能，疲勞性能，斷裂韌性，沖擊韌性都有決定性影響，成形過程中形成的應(yīng)力分布和殘余應(yīng)力對(duì)鈦合金部件的變形，開裂有重要影響；這也是增材制造生產(chǎn)高品質(zhì)部件必須解決的問題；本發(fā)明上述問題的解決方案為:①嚴(yán)格控制鈦合金絲的低間隙雜質(zhì)元素0，N, H, C的含量填加微量的細(xì)化晶粒的元素，控制晶粒長(zhǎng)大；③根據(jù)鈦合金牌號(hào)的相變點(diǎn)，在凝固和冷卻過程中，調(diào)整氣體保護(hù)的溫度，氣壓，流量，使其固溶處理溫度范圍內(nèi)保證冷卻速度，特別是對(duì)于組織α + β，近β和β型鈦合金部件更是非常必要；④控制熔敷速度，不同的部位，熱量散發(fā)的速度不同，熔敷速度也要有區(qū)另O。⑤根據(jù)不同鈦合金部件凝固過程的溫度場(chǎng)模型和壁厚尺寸，確定熔敷部件的前后順序，使其應(yīng)力分布更均勻，減少殘余應(yīng)力的聚集。
[0009]本發(fā)明的有益效果是:本發(fā)明完全不用鈦粉末材料，徹底解決了上述問題；用鈦及鈦合金絲材做為原料的增材制造，對(duì)于高品質(zhì)高可靠性要求的航空航天領(lǐng)域鈦合金部件的制造有比較大促進(jìn)作用，對(duì)復(fù)雜形體的單件小批量人體置入物和其他民用鈦合金產(chǎn)品也有較高的應(yīng)用價(jià)值。
【附圖說明】
[0010]圖1為本發(fā)明的高品質(zhì)鈦及鈦合金絲材制備工藝流程框圖；
圖2為本發(fā)明的鈦合金部件制造過程中的組織控制和熱處理工藝流程框圖。
【具體實(shí)施方式】
[0011]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說明。
[0012]本發(fā)明的基于鈦及鈦合金金屬絲材的增材制造方法，包括三個(gè)關(guān)鍵流程工藝方法，首先為高品質(zhì)鈦及鈦合金絲材制備工藝，其次為用絲材作原料，激光作加熱源的增材制造熔敷工藝，最后為鈦合金部件制造過程中的組織控制和熱處理工藝。
[0013]尚品質(zhì)欽合金絲是制造尚品質(zhì)增材欽合金部件的基礎(chǔ)，而原材料和欽合金徒的恪鑄是生產(chǎn)鈦合金絲的核心工藝；其生產(chǎn)工藝步驟為:①需選用超O級(jí)海綿鈦和超低雜質(zhì)含量的中間合金及純金屬；②根據(jù)各個(gè)鈦合金牌號(hào)的具體要求配料，用液壓擠壓機(jī)壓制成熔煉用的自耗電極塊；③用等離子焊機(jī)在真空狀態(tài)下組焊成自耗用電極；④根據(jù)鈦合金牌號(hào)合金含量的不同，采用不同的熔煉方法:合金含量< 10% (重量百分比，下同)，采用兩次真空自耗電弧爐熔煉成鈦錠；10% <合金含量< 20%的鈦合金，采用三次真空自耗電弧爐熔煉成鈦錠；合金含量> 20%的高合金含量鈦合金，為防止合金偏析，需采用兩次真空自耗電弧爐+ —次真空自耗凝殼爐的熔煉方法熔煉成鈦錠，熔煉成的鈦合金錠除滿足其主成分的合金要求外，其雜質(zhì)成分的要求必須控制在O < 0.08%，N < 0.002%，H