本發(fā)明涉及一種鈦基石墨烯合金輕量化結構件的增材制造方法，屬于增材制造技術領域。

背景技術：

在滿足航空器任務需求前提下，降低航空器重量是設計師一直追求的目標。對于航空器而言，輕量化結構設計已成為整個產(chǎn)品開發(fā)的主要方向，輕量化結構設計，意味著航空器能耗更低和更為優(yōu)越的性能。因此，越來越多的航空器結構件采用輕量化設計，并采用鈦合金材料進行制造。

鈦合金具有低的密度、高的強度和良好的穩(wěn)定性，作為結構材料，在航空、航天等領域得到廣泛應用。而目前鈦合金輕量化結構件往往整體強度不太理想，甚至不能滿足性能要求，如何提高鈦合金強度一直是其研究者的主攻方向。目前來看，利用改變合金熔煉方式、調(diào)控成分、調(diào)整熱處理和變形工藝等方法在進一步大大提高鈦合金性能難有突破，鈦基復合材料應運而生。在鈦合金中填加石墨和碳納米管制備鈦基復合材料，來提高合金強度成為學者們研究方向，但增強效果不盡人意。石墨烯納米片具有高的強度，和較好的塑性，很多國內(nèi)外研究機構已經(jīng)開展了研究，將石墨烯添加到鈦合金中形成石墨烯增強鈦基復合材料（鈦基烯合金），可使材料與塑性同時得到大幅度提升。而該材料適用于制造輕量化結構件，例如蜂窩接頭，既能提升綜合性能又能減輕重量。

采用傳統(tǒng)方法難以制造鈦基烯合金，由于鈦基烯合金硬度和耐磨性太高，難以加工；工序繁瑣，生產(chǎn)周期長；一致性差，合格率低。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種鈦基石墨烯合金輕量化結構的增材制造方法，用以鈦基烯合金輕量化結構件，使其能滿足減重以及性能要求。

本發(fā)明是通過以下技術方案實現(xiàn)的：

本發(fā)明提供了一種鈦基石墨烯合金輕量化結構件的增材制造方法，其包括如下步驟：

S1：制備鈦基烯合金粉末；

S2：將所述鈦基烯合金粉末干燥后添加到增材制造設備的料缸中；

S3：將基板安裝在增材制造設備的成形平臺上，將刮刀安裝在增材制造設備的刀架上；

S4：將所述基板預熱至195~205℃，用刮刀將鈦基烯合金粉末均勻地鋪在基板上；

S5：將輕量化結構件的三維數(shù)模以stl格式導出，并對stl格式的三維數(shù)模進行修復，以滿足增材制造的要求；

S6：對輕量化結構件進行懸臂角度分析、成型擺放角度分析、添加支撐以及做底部倒角；

S7：設定增材制造設備的工藝參數(shù)以及掃描策略；

S8：對三維數(shù)模進行切片，轉(zhuǎn)化成二維切片數(shù)據(jù)信息，生成加工程序文件，并將所述加工程序文件導入增材制造設備中；

S9：開啟增材制造設備，調(diào)整增材制造設備的成形艙室的氧氣含量，并對基板表面進行毛化處理；

S10：根據(jù)輕量化結構件的加工程序的第一層軌跡，增材制造設備自動開啟激光，對基板上的鈦基烯合金粉末進行選擇性熔化，與基板形成冶金結合，第一層零件部分掃描兩遍，而網(wǎng)格支撐部分只掃描一遍，形成輕量化結構件的首層截面；

S11：分別調(diào)整增材制造設備的成形缸和料缸的高度，進行第二層零件部分的熔化疊加；

S12：按照步驟S11的操作，進行剩余層零件部分的熔化疊加，控制奇數(shù)層網(wǎng)格支撐掃描，偶數(shù)層網(wǎng)格支撐不掃描，直至整個輕量化結構件的制造完成。

作為優(yōu)選方案，步驟S1中所述的鈦基烯合金粉末的制備方法為：

采用氣霧化的方法制備鈦合金粉末，并同時向所述鈦合金粉末表面噴射尺寸為不超過5μm的石墨烯納米片，使所述石墨烯納米片附著在鈦合金粉末顆粒表面，控制石墨烯納米片的用量為鈦合金粉末重量的0.37%。

作為優(yōu)選方案，所述鈦基烯合金粉末的粒度范圍不超過62μm，其中10~55μm的粉末占92%以上，粉末形狀為球形或類球形。

作為優(yōu)選方案，步驟S3中所述的基板的材料與鈦合金的材料相同，且基板的厚度不低于30mm，基板的上平面和下平面的平行度不大于0.02mm，上平面平面度不大于0.03mm，基板在成形平臺上的安裝水平度為±0.02mm。

作為優(yōu)選方案，步驟S3中所述的刮刀下底面與基板上表面的間隙不大于0.04mm。

作為優(yōu)選方案，步驟S6中所述的懸臂角度不低于25°，成形擺放角度為20~25°，添加支撐為網(wǎng)格支撐，規(guī)格為0.4~0.6mm，底部倒角的大小為，其中的a為底部拉伸的余量。

作為優(yōu)選方案，所述增材制造設備的工藝參數(shù)為：激光功率為150~380W，掃描速度為600~1700mm/s，激光搭接為0.85~0.10mm，鋪粉層厚為0.03~0.06mm，補粉量為0.05~0.08mm，光斑補償系數(shù)為0.10~0.15mm。

作為優(yōu)選方案，所述設定增材制造設備的掃描策略為：采用5×5mm離散分區(qū)掃描，激光先掃描支撐，再掃描零件內(nèi)部，最后掃描零件輪廓，相鄰層沿逆時針方向旋轉(zhuǎn)45~55°掃描。

作為優(yōu)選方案，還包括如下步驟：

取出輕量化結構件后，將帶基板的零件放進真空熱處理爐進行去應力退火，選擇溫差為±5℃的真空熱處理爐，熱處理制度：溫度為600~900℃，保溫時間3~6小時，真空度不低于2.5×10^-3Mpa，隨爐冷卻到50℃以下出爐；

取出后，對輕量化結構件進行線切割、清洗以及表面處理，結構件重量減輕了2~4%；

以同爐制造的隨爐試棒代替輕量化結構件的性能檢測，室溫拉伸強度提高25~40%，室溫延伸率提高30~45%；對輕量化結構件進行測試，整體結構強度提高10~25%。

增材制造技術，不需要傳統(tǒng)的模具、刀具、夾具及多道加工工序，在一臺設備上可快速而精密地制造出任意復雜形狀的零件，從而實現(xiàn)自由制造，解決許多過去難以制造的復雜結構零件，并大大減少了加工工序，縮短了加工周期，而且越是復雜結構產(chǎn)品，其優(yōu)勢越為凸顯，適用于鈦基烯合金輕量化結構件的制造。

與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明具有如下的有益效果：

通過本發(fā)明方法，可以實現(xiàn)一種鈦基石墨烯合金輕量化結構件的增材制造，很好地解決了鈦基烯合金輕量化結構件難以加工的問題，既實現(xiàn)了減重又提高了性能。

具體實施方式

下面結合具體實施例對本發(fā)明進行詳細說明。以下實施例將有助于本領域的技術人員進一步理解本發(fā)明，但不以任何形式限制本發(fā)明。應當指出的是，對本領域的普通技術人員來說，在不脫離本發(fā)明構思的前提下，還可以做出若干變形和改進。這些都屬于本發(fā)明的保護范圍。

本實施方式提供了一種鈦基石墨烯合金輕量化結構件的增材制造方法，其包括如下步驟：

步驟1：采用氣霧化的方法制備鈦合金粉末，并同時向鈦合金粉末表面噴射尺寸為不超過5μm的石墨烯納米片，使其附著在鈦合金粉末顆粒表面，石墨烯含量為0.37%。篩取鈦基烯合金粉末，粒度不超過62μm，其中10~55μm的粉末占92%以上，粉末形狀為球形或類球形。

步驟2：將鈦基烯合金粉末放入真空干燥箱，干燥制度為150℃/8小時，真空度不低于1×10^-1Mpa，干燥后添加到增材制造設備料缸中。

步驟3：選擇同等鈦基材料加工成基板，基板厚度不低于30mm，上下表面平行度不大于0.02mm，上表面平面度不大于0.03mm，將基板裝在增材制造設備成形平臺上，安裝水平度為±0.02mm；

步驟4：采用柔性鋼帶刮刀，將其安裝設備刀架上，使刮刀下底面與基板上表面的間隙不大于0.04mm，保證刮刀在基板上鋪粉均勻；

步驟5：將基板預熱到195~205℃，采用刮刀將鈦基烯合金粉末均勻地鋪在基板上；

步驟6：將輕量化結構件的三維數(shù)模以stl格式導出，并采用專用三維修復軟件，對輕量化結構件的stl格式三維數(shù)模進行修復，修復各種缺陷，滿足增材制造要求；

步驟7：采用專用三維修復軟件對輕量化結構件進行懸臂角度分析、成形拜訪角度分析、添加支撐以及做底部倒角。懸臂角度不能低于25°，低于25°的懸臂需要添加支撐；輕量化結構件成形擺放角度為20~25°；采用網(wǎng)格支撐，其規(guī)格為0.4~0.6mm， 底部倒角大小為，其中a為底部拉伸的余量；

步驟8：設定增材制造設備的工藝參數(shù)：激光功率為150~380W，掃描速度為600~1700mm/S，激光搭接為0.85~0.10mm，鋪粉層厚為0.03~0.06mm，補粉量為0.05~0.08mm，光斑補償系數(shù)為0.10~0.15mm；

步驟9：設定增材制造設備的掃描策略：采用5×5mm離散分區(qū)掃描，激光先掃描支撐，再掃描零件內(nèi)部，最后掃描零件輪廓，相鄰層沿逆時針方向旋轉(zhuǎn)45°~55°掃描；

步驟10：采用專用切片軟件對步驟8的三維數(shù)模進行切片，轉(zhuǎn)化成一系列的二維切片數(shù)據(jù)信息，生成相應的加工程序文件，并導入增材制造設備的中；

步驟11：開啟增材制造設備，并向設備成形艙室內(nèi)部充入純度為99.999%的高純氬氣，使成型艙內(nèi)部的氧含量降到100ppm以下；

步驟12：采用激光去除方法對基板表面進行去除處理，去除表面氧化皮并達到表面毛化效果，激光功率：100~240W，掃描速度：1800~2000mm/s，掃描間隔：0.15~0.30mm,掃描5~8遍；

步驟13：根據(jù)輕量化結構件的加工程序的第一層軌跡，增材制造設備自動開啟激光，對基板上的鈦基烯合金粉末選擇性熔化，與基板的冶金結合，第一層零件部分掃描兩遍，而網(wǎng)格支撐部分只掃描一遍，形成輕量化結構件的首層截面；

步驟14：成形缸下降單層高度，料缸上升一定高度，刮刀將粉末均勻地鋪在成形基板上，多余粉末進入回收料缸內(nèi)。激光沿加工程序軌跡掃描，相鄰層輕量化結構件掃描成形時，相對于已成形的上一層，第二層零件部分掃描一遍，而第二層網(wǎng)格支撐部分不掃描，第二層與第一層零件部分冶金結合在一起；

步驟15：按照步驟14進行，每層零件部分掃描一遍，奇數(shù)層網(wǎng)格支撐掃描，偶數(shù)層網(wǎng)格支撐不掃描，逐層掃描熔化疊加，直至整個輕量化結構件零件的制造完成；

步驟16：制造完畢后，繼續(xù)向設備內(nèi)充入氬氣，并保持設備內(nèi)氧含量低于100ppm，待冷卻12小時后，即可打開設備取出零件；

步驟17：取出零件后，將帶基板的零件放進真空熱處理爐進行去應力退火，選擇溫差為±5℃的真空熱處理爐，熱處理制度：溫度為600~900℃，保溫時間3~6小時，真空度不低于2.5×10^-3Mpa，隨爐冷卻到50℃以下出爐。

步驟18：取出后，對輕量化結構件進行線切割、清洗以及表面處理，結構件重量減輕了2~4%；

步驟19：以同爐制造的隨爐試棒代替輕量化結構件的性能檢測，室溫拉伸強度提高25~40%，室溫延伸率提高30~45%；對輕量化結構件進行測試，整體結構強度提高10%~25%。

以上對本發(fā)明的具體實施例進行了描述。需要理解的是，本發(fā)明并不局限于上述特定實施方式，本領域技術人員可以在權利要求的范圍內(nèi)做出各種變形或修改，這并不影響本發(fā)明的實質(zhì)內(nèi)容。