[发明专利]一种基于钛及钛合金金属丝材的增材制造方法

摘要

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，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，完全不用钛粉末材料，彻底解决了上述问题；用钛及钛合金丝材做为原料的增材制造，对于高品质高可靠性要求的航空航天领域钛合金部件的制造有比较大促进作用。

主权项

一种基于钛及钛合金金属丝材的增材制造方法，其特征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合金锭，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，熔敷成形热影响区小，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；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保护套的保护气体的流量和压力；⑥开始熔敷成形；对于钛合金的近净成形增材制造来说，无论是原料是金属粉末还是丝材，钛合金零部件组织的控制对其常温机械性能和高温性能，疲劳性能，断裂韧性，冲击韧性都有决定性影响，成形过程中形成的应力分布和残余应力对钛合金部件的变形，开裂有重要影响；这也是增材制造生产高品质部件必须解决的问题；解决方案为：①严格控制钛合金丝的低间隙杂质元素O,N,H,C的含量；②填加微量的细化晶粒的元素，控制晶粒长大；③根据钛合金牌号的相变点，在凝固和冷却过程中，调整气体保护的温度，气压，流量，使其固溶处理温度范围内保证冷却速度，特别是对于组织α＋β，近β和β型钛合金部件更是非常必要；④控制熔敷速度，不同的部位，热量散发的速度不同，熔敷速度也要有区别；⑤根据不同钛合金部件凝固过程的温度场模型和壁厚尺寸，确定熔敷部件的前后顺序，使其应力分布更均匀，减少残余应力的聚集。