[发明专利]大尺寸钛铝基合金的激光立体成形方法

说明书

技术领域

本发明属于金属特种成形加工技术领域，涉及一种钛铝基合金激光立体成形方法，特别针对尺寸较大的钛铝合金的激光立体成形方法。

背景技术

钛铝合金具有密度低、高弹性模量、高温强度好和抗氧化性能好等优点，是一种在航空航天、汽车等领域具有重要发展潜力的高温结构材料。但该合金室温塑性很差，加工成形非常困难，限制了该材料的工程化应用。为此，研究人员正积极发展其近净成形技术，如粉末冶金、精密铸造、定向凝固和激光熔化沉积等。

激光熔覆成形技术是在无需专用工装模具的情况下，通过高功率激光熔化同步输送的各种金属粉末，逐点逐层堆积来成形金属零件的过程。该技术采用增量生长的方式成形零件，可显著提高材料利用率，而且成形构件仅需最终精加工，能大大缩短零件制造和研制周期，提高研制效率，降低成本。另外，在一台设备上可进行多种材料和不同外形零件的制造，并可通过再编程方便地改变零件设计，具有很高的加工柔性，在钛合金、镍基合金等高性能零件的快速制备上具有广阔的开发应用前景。

钛铝基合金在激光熔化沉积过程中由于较高热应力的存在，极易发生开裂。据国内外报道，激光成形制造的钛铝合金尺寸只有40mm左右，另外易裂的问题很难通过改变工艺参数来解决。将钛合金基体适度预热可以避免开裂的发生，但预热会使得工艺变得复杂。本发明通过调整初始熔覆层的成形工艺和对基板的预热工艺，制造了无裂纹的钛铝合金材料，并在掌握成形该合金工艺的基础上，制造出尺寸较大的钛铝基合金样品。

发明内容

本发明针对上述激光成形钛铝基合金容易开裂的问题，提供一种防止激光成形过程中出现裂纹的成形工艺，解决了目前很难进行大尺寸激光成形钛铝基合金材料的问题。

本发明通过调整初始熔覆层的成形工艺和对基板的预热工艺来进行大尺寸无裂纹钛铝基合金激光立体成形，采用的具体技术方案如下：

一种大尺寸钛铝基合金的激光立体成形方法，其步骤包括：

1）利用三维建模软件建立建立钛铝基合金的三维模型，并采用剖分软件对该三维模型进行剖分，根据剖分结果编制熔覆控制程序并载入数控系统；

2）通过数控系统控制送粉喷嘴的扫描速度为100-200m/h，将送粉系统的送粉速度设定为5-8g/min，熔覆控制程序中每层的剖分高度设定为0.1-0.2mm，在基板上熔覆5-10层，形成基础熔覆层；

3）将送粉喷嘴的扫描速度调整为200-300m/h，送粉系统的送粉速度调整为6-10g/min，熔覆控制程序中每层的剖分高度调整为0.3-0.6mm，在所述基础熔覆层上进行均匀稳定的成形，直至成形过程结束。

优选地，所述基板的材料为钛合金，进一步优选为TC4，厚度为5-10mm。

优选地，进行步骤1）和步骤2）所述熔覆的成形室内的氧含量低于50ppm。首先在成形室内充入氩气以排除空气，氩气流量10-15L/min，当成型室内的氧含量约在1000ppm时，开启净化系统使氧含量低于50ppm。

优选地，所述送粉系统采用的钛铝基合金粉末采用等离子旋转电极法生产，粒度约100目-200目。

优选地，步骤2）形成所述基础熔覆层时，设定激光功率参数为700-1000W，步骤3）进行所述均匀稳定的成形时，设定激光功率参数为2000-2500W。

一种大尺寸钛铝合金的激光立体成形装置，包括激光器、送粉系统、数控系统、反射聚焦镜、送粉喷嘴、基板、机床台面、成形室、净化系统和水冷系统；其中反射聚焦镜、送粉喷嘴、基板和机床台面置于成形室内，基板固定于机床台面上；所述激光器用于产生激光束，所述反射镜用于将产生的激光束聚焦并照射在基板上形成金属熔池，所述送粉系统用于将钛铝基合金粉末经过送粉喷嘴汇聚于所述金属熔池中，所述数控系统用于控制所述送粉喷嘴和所述机床台面的运动，所述净化系统用于降低成形室内的氧含量，所述水冷系统用于给激光器和机床台面进行冷却。

本发明采用激光立体快速成形技术进行制造，该技术是根据快速成形原理采用高功率激光束直接将同步输送的钛铝合金粉末熔化，然后快速凝固，随着激光束和送粉喷嘴的同步运动，连续逐层熔覆出致密的高性能金属结构件的制造方法。本发明通过设定不同的剖分高度，控制机床的不同运行速度（喷嘴的扫描速度），设定送粉系统不同的送粉速度，即可制造大尺寸无裂纹的钛铝合金材料或钛铝基其它易裂合金材料。与传统工艺相比，采用该工艺方法制造钛铝合金材料，可以避免熔覆过程中出现钛铝合金容易产生裂纹的现象，制造出大尺寸无裂纹的钛铝合金材料，为钛铝合金在快速制造领域实现工程化奠定了基础。

附图说明