[发明专利]一种纯钛和钛合金的电子束熔丝增材制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及增材制造领域，具体涉及TC4钛合金与纯钛丝的熔丝电子束增材制造方法。

背景技术

目前，钛和TC4钛合金是航空、航天领域用途最广、用量最大的金属，钛合金因其耐热性强、比强度高、具有良好的塑性、韧性以及耐蚀性，广泛应用于陆战装甲、航空航天、石油化工等领域。且陆战装甲、航空、航天飞行器对大型钛合金框梁一体结构、整体骨架结构的需求与日俱增，对于钛合金使用电子束熔丝增材制造的方法能实现构件的高性能、低成本、轻量化、长寿命。

电子束熔丝增材制造的钛合金材料，借鉴贝壳珍珠层的“一软一硬”的“砖-泥”结构，可以提高材料的塑韧性，有效解决钛合金材料在应用时出现的强度较高而塑性较差的问题。近年来国内外对电子束增材制造进行了研究，杨光、巩水利等人对TC18合金进行电子束熔丝的增材制造，对其形成的组织结构特征进行研究，但仍存在成型后的塑韧性低的问题。于中强钛合金TC4进行了电子束成形后，材料的强度偏低同时塑性达不到理想效果。Lockheed Martin公司的Barnes、Brice以及美国航空航天局(NASA)兰利研究中心的Karen、Hafley等人在研究电子束熔丝增材制造TC4钛合金的力学性能时，发现用普通成分制备钛合金材料的强度与锻件相比明显偏低，塑性得不到提高。如何通过工艺和结构的匹配手段达到理性的塑性指标仍是一个技术难题。电子束熔丝成形中强钛合金强度往往比锻件低，而高强钛合金虽然强度达到较高水平，但塑性差。对于强度-塑/韧性匹配失衡的深层原因以及控制机制的认识尚不清楚；Karen、Hafley等人在研究电子束快速成形TC4钛合金的力学性能时，发现用普通成分制备钛合金材料的强度与锻件相比明显偏低。

发明内容

本发明目的在于通过对增材过程中纯钛以及钛合金的工艺参数调节、堆积结构设计、对于搭接率的控制，以及对于每层焊道进行小束流7mA的电子束扫描，有效的改善每层的气孔及残余应力等缺陷，使每层之间的结合更加致密，增强了电子束熔丝增材制造钛合金的强韧性匹配，得到强度较高和韧性匹配较好的钛合金增材试样。

实现本发明目的采用如下技术方案。

一种纯钛和钛合金的电子束熔丝增材制造方法，在TC4基底上，通过纯钛丝和TC4丝材交错重叠的沉积，纯钛丝沉积形成连接相，TC4丝材沉积形成基底相，控制沉积时同种丝材间的使两沉积道之间的搭接率为50％-58％，不同种丝材间的搭接率为40％-45％，并对每层每焊道进行小束流7mA的电子束扫描，且在不同沉积层或不同沉积层的沉积道之间形成纵向及横向的交替，完成多层多道实体的增材制造。进一步的，多层多道实体为十五层的十道沉积道。

一种纯钛和钛合金的电子束熔丝增材制造方法，具体步骤如下：

步骤1，对TC4基板进行预处理，安装TC4丝材和纯钛丝，并进行调试；

步骤2，抽取真空，设定熔积速度参数：电子束加速电压、聚焦电流、束流、送丝速度、工作台运动速度；

步骤3，设定电子束流为30mA-40mA，聚焦电流为860mA，加速电压为60KV，运动速度为5mm/s，束流上升、下降时间为1.5s；送丝速度为15mm/s；使TC4丝材位于电子束斑点下方，采取束后送丝，送丝角度为60°，丝材距离TC4基板的高度为2mm，进行第一层第一道TC4丝材基底相沉积,，记为1-1；

步骤4，设定电子束流：30mA-40mA，聚焦电流860mA，加速电压：60KV，运动速度：5mm/s，束流上升、下降时间：1.5s；送丝速度：15mm/s；使TC4丝材位于电子束斑点下方，采取束后送丝，调整位置，使丝材距离基板的高度为2mm，与1-1的沉积层的使两沉积道之间的搭接率为50％-58％，紧挨第一层第一道丝材沉积TC4，对焊道进行小束流7mA的电子束扫描，进行第一层第二道TC4丝材基底相沉积，记为1-2；

步骤5，重复步骤4，直至完成1-3至1-10的TC4丝材沉积；

步骤6，设定电子束流：20mA-30mA，聚焦电流860mA，加速电压：60KV，运动速度：5mm/s，束流上升、下降时间：1.5s，送丝速度：15mm/s；使丝材位于电子束斑点下方，采取束后送丝，移动真空室内的操作台至第一层第一道的位置坐标处，送丝角度为60°，丝材距离第一层第一道沉积层的中心线位置高度为1.5mm，并在第一层第一道TC4丝材基底相上，进行第二层第一道沉积纯钛丝连接相沉积，记为2-1；