[发明专利]采用3D打印和热气压胀形制造薄壁金属构件的方法

说明书

本发明公开一种采用3D打印和热气压胀形制造薄壁金属构件的方法，采用3D打印获得复杂的薄壁预制坯，减小后续热气压胀形时的变形量，避免出现局部胀形减薄开裂、合模过程在分模处咬边、各截面材料分配不均出现起皱等缺陷；热气压胀形可以获得很高的形状尺寸精度，热气压胀形获得需要的形状后，在保持模具闭合状态下使构件在高温和高压下停留一段时间，使材料的晶粒和相发生转变以获得需要的微观组织，高压气体对材料产生厚度方向的压实作用，可以消除原始3D打印时存在的微小孔洞，提高材料的致密度和组织性能均匀性，还可以使3D打印坯料外表面存在的微小粉粒受到挤压并填充到邻近的微小凹坑，可提高零件外表面的平整度和光洁度。

技术领域

本发明涉及薄壁金属构件制造技术领域，特别是涉及一种采用3D打印和热气压胀形制造薄壁金属构件的方法。

背景技术

在航空、航天、汽车等工业领域，存在数量众多的薄壁金属构件。由于要满足不同的使用条件，因此薄壁金属构件的形状尺寸、壁厚、材料种类、力学性能等都存在较大差异，其制造方法也各不相同。例如，在运载火箭上，存在数量众多的曲面薄壁筋板。此类曲面薄壁筋板通常采用辊弯或压弯的方法制造。为了减轻构件重量，需要采用切削加工方法将中心部位的多个区域的材料去除，只保留壁厚为3～5mm厚的腹板和与之相连的纵横交叉的加强筋。但是，由于曲面薄壁筋板的整体刚度很小，在切削加工中心部位的局部区域时，极易出现薄壁腹板发生畸变、局部加工过量、加强筋失稳变形等缺陷。因此，此类曲面薄壁筋板的制造一直是火箭结构制造中的关键。

又如，在先进战机的进气和排气系统中，存在形状复杂、壁厚超薄、精度要求极高的薄壁金属构件。如进气系统中的进气道、排气系统中的排气道，为了满足特定的气动性能、隐身性能，都具有复杂多变的截面形状和弯曲轴线。此类构件多采用高强铝合金、钛合金或者高温合金等薄壁板坯，先分块冲压成形然后再拼焊的方法制造。之所以采用分块冲压成形然后拼焊的工艺，最主要的原因是传统的刚性模具冲压成形无法对坯料上各处施加有效合理的成形载荷，特别是对于具有负曲率的构件或者具有封闭截面的构件更是如此。

为了解决直接切削加工以及冲压拼焊工艺在制造大尺寸薄壁金属构件时存在的问题，人们尝试采用热气压胀形方法和3D打印的方法。

方法1：热气压胀形，其基本原理是：将薄壁坯料和模具加热到设定的温度，然后利用高压气体对坯料进行加压胀形。由于气体具有极好的流动特性，而且金属材料在热态下的塑性得到明显提高，因此可以实现复杂薄壁金属构件特别是具有局部小特征构件的成形，如高档自行车用铝合金异形管件、火箭整流罩铝合金曲面蒙皮等。但是，对于大尺寸薄壁金属构件，如新一代飞机的复杂整体进气道和排气道、火箭燃料储箱的整体筒段和整体箱底，难以采用薄壁管坯或板坯通过热气压胀形方法来成形制造。其中最主要的原因是大幅面的薄壁金属板材和管材难以获得。为了制备大尺寸坯料或者为了将分块成形的零件组焊成整体零件，都将产生与母材性能有很大差异的焊缝。如何在构件成形和使用过程中合理调控和协调母材与焊缝，已成为热气压胀形技术领域的一个非常重要的难题。此外，直接利用薄壁金属管坯或板坯进行热气压胀形，即使能够获得所需要的外形形状，但是因为采用原始管坯或板坯所能制备的预制坯的形状必然与最终的复杂构件存在较大差异，在胀形时必然有局部区域发生较大的胀形变形，因此在最终构件上将存在局部减薄区，难以满足壁厚分布的设计要求。

方法2：3D打印，其基本原理是：采用微小粉末或颗粒或液滴等，通过连续叠加的方式，逐步形成所需要的复杂构件。3D打印可制造的构件，既可以是金属材料也可以是非金属材料，既可以是展示模型也可以用于实际服役。从结构形式上分，3D打印的构件主要包括实体构件和薄壁构件。采用3D打印技术制造金属构件时，因为整个过程中存在复杂的加热和冷却过程，构件的形状尺寸精度很难保证；因为微观组织存在一定程度的缺陷，力学性能不足，而且疲劳寿命低；因为内外表面光洁度差且存在粘接不牢的微小粉末或颗粒，表面质量无法满足要求。虽然3D打印金属构件的微观组织和力学性能要优于传统的铸件，但是由于构件内部存在一定的微小孔洞或不均匀特性，其综合性能要比锻件差。