[发明专利]一种基于钛及钛合金金属丝材的增材制造方法

说明书

技术领域

本发明属于金属成形和制造技术领域，具体涉及一种基于钛及钛合金金属丝材的增材制造方法。

背景技术

金属的近净成形技术一般包括：铸造（精密铸造），等温锻造，粉末冶金制造方法，属于减材制造，近年来快速发展的是金属增材制造技术（金属3D打印）是近净成形技术的热门研究领域;钛及钛合金增材制造技术更是国内外研究的重点，国内以北京航空航天大学，西北工业大学为主的大专院校和科研院所在这个领域取得了很大成果，有一些钛合金部件已经成功应用在重点型号的飞机和火箭上；但是，国内外用的近净成形增材制造的原材料都是钛合金的粉末，用钛及钛合金粉末作为原材料有以下缺点：①钛合金粉末生产困难。钛及钛合金按组织分为α，近α，α+β，近β，β型钛合金，国内现在α型钛—纯钛粉末已经能够稳定生产外，其它型号钛合金粉末由于生产钛合金粉末技术工艺和设备水平的限制尚不能稳定生产；由于用于增材制造的钛合金粉末成分要求严格，粒度和形状对制造工艺有决定性影响，钛合金部件大多用在航空航天等重要领域，机械性能要求高，需要稳定和超低间隙杂质元素含量的钛合金粉末，而钛合金粉末化学活性高，比表面积大，生产技术很难突破；②原材料来源受限：国内主要用于增材制造使用的TC4(Ti-6Al-4V, α+β型)钛合金粉末还需要进口，价格昂贵，成本高。特别是对于用在航空航天发动机上的耐高温钛合金和高强度高韧性的结构钛合金粉末，属于高度敏感材料，几乎无进口可能性。这也是我国没有大面积应用增材制造钛合金部件的原因；α型纯钛粉末国内一些单位虽然可以稳定生产，但其主要制品主要应用在民用耐腐蚀领域，和其它近净成形技术比，价格明显没有优势。③粉末利用率问题。用钛及钛合金粉末增材制造过程中，不可避免的要有一部分粉末要损耗掉，不能再利用，造成成本进一步增加。

发明内容

针对上述存在的问题，本发明提供一种基于钛及钛合金金属丝材的增材制造方法。

本发明的基于钛及钛合金金属丝材的增材制造方法，要点在于包括三个关键流程工艺方法，首先为高品质钛及钛合金丝材制备工艺，其次为用丝材作原料，激光作加热源的增材制造熔敷工艺，最后为钛合金部件制造过程中的组织控制和热处理工艺。

高品质钛合金丝是制造高品质增材钛合金部件的基础，而原材料和钛合金锭的熔铸是生产钛合金丝的核心工艺；其生产工艺步骤为：①需选用超0级海绵钛和超低杂质含量的中间合金及纯金属；②根据各个钛合金牌号的具体要求配料，用液压挤压机压制成熔炼用的自耗电极块；③用等离子焊机在真空状态下组焊成自耗用电极；④根据钛合金牌号合金含量的不同，采用不同的熔炼方法：合金含量＜10%，采用两次真空自耗电弧炉熔炼成钛锭；10%＜合金含量＜20%的钛合金，采用三次真空自耗电弧炉熔炼成钛锭；合金含量＞20%的高合金含量钛合金，为防止合金偏析，需采用两次真空自耗电弧炉＋ 一次真空自耗凝壳炉的熔炼方法熔炼成钛锭，熔炼成的钛合金锭除满足其主成分的合金要求外，其杂质成分的要求必须控制在O＜0.08%，N＜0.002%，H＜0.001%,C＜0.002%，有加入≤0.005%的细化晶粒的元素；

熔炼成的钛合金锭按其牌号的要求进行热锻开坯，热轧盘圆，修磨，冷拉，真空退火一系列正常工序加工成φ2mm的钛合金软态盘丝；根据制造的钛合金零部件的大小和精度不同，需要生产0.01mm＜φ＜1.0mm的钛合金丝才能满足工艺要求。需在滚模拉伸机上，以φ2mm盘丝为原料进一步加工；以自制的氩气保护连续加热设备在轧丝机上温拉为工艺要点，温度控制依据其钛合金的相变点不同而不同，600℃——950℃；成品丝要无应力状态丝，表面光滑无污染物，绕制在自动送丝机用的轴盘上。

选择以激光作为热源是因为其熔化速度快，稳定，热敷成形热影响区小，钛合金部件变形小；激光熔敷成形机是以能自动送丝的激光源为基础，且工作台行程尺寸为200mm×200mm×300mm；或用电子束，等离子，电弧作为热源进行以丝材为原料的增材制造成形。

以丝材为原料激光熔敷成形的技术工艺过程为：①把待制造的钛合金部件图纸进行数字化处理切片，编程；②根据钛合金的牌号，组织特点，热力学数据和该部件的结构特点建立凝固温度场数字模型，选用合理的钛丝规格和熔敷速度；③选取激光机的电压，电流和光学参数；④调定激光熔敷部位保护气体的流量压力；⑤调定成形的钛合金金属部件包护套的保护气体的流量和压力；⑥开始热敷成形。