防止三維打印大型復(fù)雜鈦合金零件變形和開裂的制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種防止三維打印大型復(fù)雜鈦合金零件變形和開裂的制備方法，采用降低激光熔覆固化部分與熔點的溫度差，邊激光熔覆固化邊退火，減少殘余應(yīng)力產(chǎn)生，步驟如下：1）在鈦合金激光熔化沉積制造設(shè)備中安裝上加熱保溫箱，將其他所需設(shè)備準(zhǔn)備就緒；2）將加熱保溫箱內(nèi)氣體排出，保持真空；3）激光熔化前，開啟加熱保溫箱的加熱按鈕，使加熱保溫箱內(nèi)部溫度升高到鈦合金的退火溫度，然后開啟保溫按鈕，使加熱保溫箱內(nèi)溫度穩(wěn)定在退火溫度上，維持恒溫狀態(tài)；4）開啟加工制造設(shè)備，開始激光熔化沉積出待加工大型復(fù)雜鈦合金零件；5）加工完成后，在退火溫度上，加熱保溫箱中保溫，之后隨箱冷卻，取出。
【專利說明】防止三維打印大型復(fù)雜鈦合金零件變形和開裂的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種鈦合金的三維打印技術(shù)和金屬熱處理工藝，尤其是一種用控制加工時零件溫度防止三維打印大型復(fù)雜鈦合金零件變形和開裂的制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]目前，鈦合金具有比強(qiáng)度高、耐熱性好、耐蝕性和生物相容性好等特點，在航空、航天、船舶、海洋、石化生物醫(yī)學(xué)和交通燈工業(yè)中得到廣泛應(yīng)用。三維打印鈦合金大型復(fù)雜零件制造飛機(jī)、船舶上的鈦合金結(jié)構(gòu)件，具有無需大型鍛造裝備及大型鍛造模具，材料利用率高，加工量小，成本低，周期短，柔性高效等突出優(yōu)點，然而，激光快速成型過程中物理、化學(xué)、力學(xué)和材料冶金現(xiàn)象極其復(fù)雜，技術(shù)難度很大，國內(nèi)外對鈦合金零件激光快速成型內(nèi)部組織形成規(guī)律及變形開裂行為等關(guān)鍵基礎(chǔ)問題缺乏深入的認(rèn)識和研究，尤其是零件變形開裂仍然是制約該技術(shù)工程應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)難題。因此，減小激光快速成型過程中零件變形是目前面臨的一個重要研究。
[0003]從1995年美國首先提出高性能金屬零件激光直接成型技術(shù)以來，美國在這方面的研究一直走在世界前列。1995?2005年間，在美國國防部先進(jìn)研究計劃署(DARPA)及海軍研究辦公室(ONR)等部門的巨額資助下，美國約翰哈普金斯大學(xué)、賓夕法尼亞州立大學(xué)及MTS公司等對飛機(jī)鈦合金結(jié)構(gòu)件激光快速成型技術(shù)進(jìn)行了大量研究。1998年由MTS公司獨資成立了專門從事飛機(jī)鈦合金結(jié)構(gòu)件激光快速成型技術(shù)研發(fā)和工程化應(yīng)用的AeroMet公司，與波音、諾克希德...格魯曼等美國三大軍用飛機(jī)制造商合作，致力于飛機(jī)鈦合金結(jié)構(gòu)件激光快速成型技術(shù)研究及其在飛機(jī)上的應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)研究。[王華明，張述泉，王向明.大型鈦合金結(jié)構(gòu)件激光直接制造的進(jìn)展與挑戰(zhàn)[J].中國激光，2009，36 (12): 3204-3209.]。國外有關(guān)激光成型技術(shù)研究以美國為主，包括美國LosAlamos國家實驗室、Sandia國家實驗室、AeroMet公司和GE公司等。[楊健.民用飛機(jī)機(jī)體用鈦合金的新技術(shù)探討[J].航空制造技術(shù)，2011，I (3):5.J0然而，由于未能有效解決激光快速成型大型鈦合金結(jié)構(gòu)件內(nèi)部質(zhì)量和力學(xué)性能控制等關(guān)鍵技術(shù)難題，激光快速成型鈦合金結(jié)構(gòu)件過程中，零件產(chǎn)生嚴(yán)重翹曲變形與開裂的問題一直沒有有效解決。
[0004]在國內(nèi)，直到“十一五”期間，北京航空航天大學(xué)在飛機(jī)鈦合金大型整體主承力結(jié)構(gòu)件激光快速成型工藝研究、工程化成套裝備研發(fā)與裝機(jī)應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)等方面才取得了突破性進(jìn)展，提出了原創(chuàng)性的“熱應(yīng)力離散控制”新方法，為有效突破大型鈦合金主承力結(jié)構(gòu)件激光快速成型過程零件嚴(yán)重翹曲變形與開裂“瓶頸難題”找到了一條新路。[王華明，張述泉，王向明.大型鈦合金結(jié)構(gòu)件激光直接制造的進(jìn)展與挑戰(zhàn)[J].中國激光，2009, 36(12):3204-3209.]。在解決激光成型過程中，零件嚴(yán)重“變形開裂”和“內(nèi)部缺陷和內(nèi)部組織”控制等長期制約該技術(shù)發(fā)展的重大“瓶頸難題”上，除北京航空航天大學(xué)取得了可喜突破外，國內(nèi)外迄今一直未能取得實質(zhì)性進(jìn)展，致使目前大型金屬構(gòu)件激光快速成型技術(shù)研究在國際上落入了 “低潮”。
[0005]總之，目前國內(nèi)外對于防止三維打印鈦合金大型復(fù)雜零件變形和開裂的研究還非常不完善，零件的“變形和開裂”是制約大型整理鈦合金關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件激光直接制造技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用的關(guān)鍵“瓶頸難題”。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的是為克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種防止三維打印大型復(fù)雜鈦合金零件變形和開裂的制備方法，該方法能夠避免三維打印鈦合金大型復(fù)雜零件的“變形和開裂”，保證零件的使用質(zhì)量，從而推動大型復(fù)雜零件三維打印技術(shù)在實際中的應(yīng)用與推廣。
[0007]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用下述技術(shù)方案:
[0008]一種防止三維打印大型復(fù)雜鈦合金零件變形和開裂的制備方法，其采用降低激光熔覆固化部分與熔點的溫度差，邊激光熔覆固化邊退火，減少殘余應(yīng)力的產(chǎn)生，從而防止變形和開裂，具體步驟如下:
[0009]I)在鈦合金的激光熔化沉積制造設(shè)備中安裝上加熱保溫箱，將其他所需設(shè)備按照三維打印鈦合金零件的常規(guī)需要依次準(zhǔn)備就緒；
[0010]2)將加熱保溫箱內(nèi)氣體排出，使加熱保溫箱內(nèi)真空度不低于5X 10_4mmHg ；
[0011]3)激光熔化沉積鈦合金零件前，開啟加熱保溫箱的加熱按鈕，使加熱保溫箱內(nèi)部溫度升高到鈦合金的退火溫度，然后開啟保溫按鈕，使加熱保溫箱內(nèi)溫度穩(wěn)定在退火溫度上，維持恒溫狀態(tài)；
[0012]4)開啟三維打印大型復(fù)雜鈦合金零件的加工制造設(shè)備，開始激光熔化沉積出待加工大型復(fù)雜鈦合金零件；
[0013]5)加工完成后，在退火溫度上，使加工后的大型復(fù)雜欽合金零件在加熱保溫箱中保溫I?4h，之后隨箱冷卻，取出大型復(fù)雜鈦合金零件。
[0014]6)激光熔化沉積制造設(shè)備的同軸噴嘴、基材、工作臺和紅外探測器均設(shè)置于加熱保溫箱中，與反饋機(jī)構(gòu)相連的紅外探測器設(shè)置于加熱保溫箱內(nèi)壁的上半部分上，同軸噴嘴固定于加熱保溫箱的上殼中間位置，同軸噴嘴的大部分位于加熱保溫箱內(nèi)，同軸噴嘴分別與送粉機(jī)構(gòu)和激光器相相連，同軸噴嘴的正下方設(shè)置有位于加熱保溫箱內(nèi)底部的工作臺和基材，基材設(shè)置于工作臺上。
[0015]所述同軸噴嘴、基材和工作臺均是由耐高溫的合金鋼制成。
[0016]所述加熱保溫箱的泄漏率即壓升率低于0.67Pa/小時。
[0017]本發(fā)明的有益效果是，經(jīng)試驗，加工后的鈦合金大型復(fù)雜零件變形和開裂的程度明顯降低。鈦合金的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度降低，沖擊韌性、斷裂韌性、伸長率和斷面收縮率提高；殘余應(yīng)力消除效果顯著。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0018]圖1是激光熔覆快速制造鈦合金大型零件的原理圖；
[0019]其中1.工作臺，2.紅外探測器，3.同軸噴嘴，4.大型復(fù)雜鈦合金零件，5.基材，
6.加熱保溫箱。
【具體實施方式】[0020]下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明進(jìn)一步說明。
[0021]實施例1:
[0022]一種防止三維打印鈦合金大型復(fù)雜零件變形和開裂的制備方法，選用的鈦合金類型為TC18合金，TC18合金是一種高合金化的α+β型鈦合金(相當(dāng)于前蘇聯(lián)的ΒΤ22合金)，其名義成分為T1-5Al-4.75Mo-4.75V_lCr_lFe。合金具有高強(qiáng)度、高韌性、高塑性、淬透性和焊接性好等優(yōu)點。結(jié)合其低溫退火性質(zhì)制定制備方法。
[0023]上述防止三維打印鈦合金TC18大型復(fù)雜零件變形和開裂的制備方法，具體步驟如下:
[0024]I)在鈦合金的激光熔化沉積制造設(shè)備中安裝上加熱保溫箱6，將其他所需設(shè)備按照三維打印鈦合金零件的常規(guī)需要依次準(zhǔn)備就緒。
[0025]2)將加熱保溫箱6內(nèi)氣體排出，使加熱保溫箱6內(nèi)真空度不低于5X 10_4mmHg，加熱保溫箱6的泄漏率即壓升率低于0.67Pa/小時；
[0026]3)激光熔化沉積鈦合金零件前，開啟加熱保溫箱6的加熱按鈕，使加熱保溫箱6內(nèi)部溫度升高到540°C，然后開啟保溫按鈕，使加熱保溫箱6內(nèi)溫度穩(wěn)定在工作設(shè)定溫度540。。。
[0027]4)開啟三維打印大型復(fù)雜鈦合金零件4的加工制造設(shè)備，開始激光熔化沉積出待加工大型復(fù)雜鈦合金零件4。
[0028]5)加工完成后，使加工后的大型復(fù)雜鈦合金零件4在加熱保溫箱中540°C條件下保溫4h，之后隨箱冷卻，取出工件即大型復(fù)雜鈦合金零件4。
[0029]如圖1所示，激光熔化沉積制造設(shè)備的同軸噴嘴3、基材5、工作臺I和紅外探測器2均設(shè)置于加熱保溫箱6中，與反饋機(jī)構(gòu)相連的紅外探測器2設(shè)置于加熱保溫箱內(nèi)壁的上半部分上，反饋機(jī)構(gòu)與激光器相連，同軸噴嘴3固定于加熱保溫箱的上殼中間位置，同軸噴嘴3的大部分位于加熱保溫箱6內(nèi)，同軸噴嘴3分別與送粉機(jī)構(gòu)和激光器相相連，同軸噴嘴3的正下方設(shè)置有位于加熱保溫箱內(nèi)底部的工作臺I和基材5，基材5設(shè)置于工作臺I上，工作臺I通過計算機(jī)控制，其中本發(fā)明中的激光熔化沉積制造設(shè)備是現(xiàn)有設(shè)備，在市場上均可購買到，具體構(gòu)造不再詳細(xì)描述。同軸噴嘴、基材和工作臺均是由耐高溫的合金鋼制成。
[0030]通過對激光熔化沉積大型復(fù)雜鈦合金零件的顯微組織觀察和力學(xué)實驗可得:保溫箱內(nèi)設(shè)定溫度為540°C時，三維打印鈦合金TC18的大型復(fù)雜鈦合金零件，鈦合金TC18內(nèi)的等軸初生α相的尺寸和含量變化不大，而次生α相的尺寸增大，含量會增加，且次生α相呈片狀彌散分布在轉(zhuǎn)變β基體上。通過實驗測得，低溫處理階段，加熱保溫箱內(nèi)退火溫度在540°C時，強(qiáng)度和塑性匹配最佳，零件的變形和開裂程度最低。
[0031]實施例2:
[0032]一種防止三維打印大型復(fù)雜鈦合金零件變形和開裂的制備方法，選用的鈦合金類型為TC18合金。結(jié)合其高溫退火性質(zhì)制定制備方法。
[0033]上述防止三維打印鈦合金TC18大型復(fù)雜零件變形和開裂的制備方法，具體步驟如下:
[0034]I)在鈦合金的激光熔化沉積制造設(shè)備中安裝上加熱保溫箱6，將其他所需設(shè)備按照三維打印鈦合金零件的常規(guī)需要依次準(zhǔn)備就緒。
[0035]2)將加熱保溫箱內(nèi)氣體排出，使加熱保溫箱為真空狀態(tài)，加熱保溫箱內(nèi)真空度不低于5X 10_4mmHg，加熱保溫箱的泄漏率即壓升率低于0.67Pa/小時；
[0036]3)激光熔化沉積鈦合金零件前，開啟加熱保溫箱的加熱按鈕，使加熱保溫箱內(nèi)部溫度升高到830°C，然后開啟保溫按鈕，使箱內(nèi)溫度穩(wěn)定在工作設(shè)定溫度830°C。
[0037]4)開啟三維打印大型復(fù)雜鈦合金零件4的加工制造設(shè)備，開始激光熔化沉積出待加工大型復(fù)雜鈦合金零件4。
[0038]5)加工完成后，使加工后的大型復(fù)雜鈦合金零件4在加熱保溫箱中830°C條件下保溫2h，然后箱冷到750°C，再保溫2h。之后隨箱冷，取出大型復(fù)雜鈦合金零件4。
[0039]如圖1所示，激光熔化沉積制造設(shè)備的同軸噴嘴3、基材5、工作臺I和紅外探測器2均設(shè)置于加熱保溫箱6中，與反饋機(jī)構(gòu)相連的紅外探測器2設(shè)置于加熱保溫箱內(nèi)壁的上半部分上，反饋機(jī)構(gòu)與激光器相連，同軸噴嘴3固定于加熱保溫箱的上殼中間位置，同軸噴嘴3的大部分位于加熱保溫箱6內(nèi)，同軸噴嘴3分別與送粉機(jī)構(gòu)和激光器相相連，同軸噴嘴3的正下方設(shè)置有位于加熱保溫箱內(nèi)底部的工作臺I和基材5，基材5設(shè)置于工作臺I上，工作臺I通過計算機(jī)控制，其中本發(fā)明中的激光熔化沉積制造設(shè)備是現(xiàn)有設(shè)備，在市場上均可購買到，具體構(gòu)造不再詳細(xì)描述。同軸噴嘴、基材和工作臺均是由耐高溫的合金鋼制成。
[0040]通過對激光熔化沉積大型鈦合金零件的顯微組織觀察和力學(xué)實驗可得:保溫箱內(nèi)設(shè)定溫度為830°C，三維打印鈦合金TC18的大型鈦合金零件時，鈦合金TC18內(nèi)的等軸初生α相尺寸增大，百分含量減少，轉(zhuǎn)變β基體中析出次生α相并逐漸長大，使鈦合金強(qiáng)度升高，塑性降低，強(qiáng)度和塑性指標(biāo)較好，且三維打印的大型鈦合金零件變形和開裂程度較低。
[0041]上述雖然結(jié)合附圖對本發(fā)明的【具體實施方式】進(jìn)行了描述，但并非對本發(fā)明保護(hù)范圍的限制，所屬領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該明白，在本發(fā)明的技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，本領(lǐng)域技術(shù)人員不需要付出創(chuàng)造性勞動即可做出的各種修改或變形仍在本發(fā)明的保護(hù)范圍以內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種防止三維打印大型復(fù)雜鈦合金零件變形和開裂的制備方法，其特征是，采用降低激光熔覆固化部分與熔點的溫度差，邊激光熔覆固化邊退火，減少殘余應(yīng)力的產(chǎn)生，從而防止變形和開裂，具體步驟如下: 1)在鈦合金的激光熔化沉積制造設(shè)備中安裝上加熱保溫箱，將其他所需設(shè)備按照三維打印鈦合金零件的常規(guī)需要依次準(zhǔn)備就緒； 2)將加熱保溫箱內(nèi)氣體排出，使加熱保溫箱內(nèi)真空度不低于5X10_4mmHg ； 3)激光熔化沉積鈦合金零件前，開啟加熱保溫箱的加熱按鈕，使加熱保溫箱內(nèi)部溫度升高到鈦合金的退火溫度，然后開啟保溫按鈕，使加熱保溫箱內(nèi)溫度穩(wěn)定在退火溫度上，維持恒溫狀態(tài)； 4)開啟三維打印大型復(fù)雜鈦合金零件的加工制造設(shè)備，開始激光熔化沉積出待加工大型復(fù)雜鈦合金零件； 5)加工完成后，在退火溫度上，使加工后的大型復(fù)雜鈦合金零件在加熱保溫箱中保溫I?4h，之后隨箱冷卻，取出大型復(fù)雜鈦合金零件。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征是，激光熔化沉積制造設(shè)備的同軸噴嘴、基材、工作臺和紅外探測器均設(shè)置于加熱保溫箱中，與反饋機(jī)構(gòu)相連的紅外探測器設(shè)置于加熱保溫箱內(nèi)壁的上半部分上，同軸噴嘴固定于加熱保溫箱的上殼中間位置，同軸噴嘴的大部分位于加熱保溫箱內(nèi)，同軸噴嘴分別與送粉機(jī)構(gòu)和激光器相相連，同軸噴嘴的正下方設(shè)置有位于加熱保溫箱內(nèi)底部的工作臺和基材，基材設(shè)置于工作臺上。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征是，所述同軸噴嘴、基材和工作臺均是由耐高溫的合金鋼制成。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征是，所述加熱保溫箱的泄漏率即壓升率低于0.67Pa/ 小時。
【文檔編號】B22F3/115GK103785835SQ201410076550
【公開日】2014年5月14日 申請日期:2014年3月4日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月4日
【發(fā)明者】萬熠, 寇兆軍, 劉戰(zhàn)強(qiáng), 黃傳真, 宋清華, 史振宇, 任小平 申請人:山東大學(xué)