[发明专利]一种超低温环境用钛合金氢泵叶轮的增材制造方法

说明书

本发明涉及一种超低温环境用钛合金氢泵叶轮的增材制造方法，其包括如下步骤：S1、制造钛合金球形粉末；S2、粉末的筛选；S3、构建氢泵叶轮的数字模型；S4、电子束增材制造；S5、后处理。本发明制造的超低温环境用钛合金氢泵叶轮，致密度高于99.8％，氧含量低于0.08wt％，成功实现了超高纯净度的复杂结构钛合金氢泵叶轮的低成本化制造，在液氢(20K)和液氮(77K)温度的抗拉强度和塑性均超过常规锻造和热等静压近净成型叶轮的水平。因此，本发明提出的方法特别适合对冶金质量和力学性能要求极高的超低温环境用钛合金氢泵叶轮的低成本化、快速制造。

技术领域

本发明涉及一种超低温环境用钛合金氢泵叶轮的增材制造方法，属于钛合金的增材制造技术领域。

背景技术

钛合金具有金属结构材料中最高的比强度和最佳的耐腐蚀性能，密度低、无磁性，并且在低温下热导率和热膨胀系数很小，是理想的低温工程用结构材料。开发超低温(≤77K)环境用的新型钛合金及其零部件，是发展先进航天飞行器、登月工程装备、太空武器和低温超导装置的关键。特别地，超低温钛合金在氢氧液体燃料火箭发动机的储箱、氢泵叶轮、液氢管路和高压气瓶等关键部位的应用，战略意义十分重大。

当前，液体燃料火箭发动机用钛合金氢泵叶轮的主要制造方法有精密铸造法、粉末热等静压(HIP)近净成型法，以及锻造精密机械加工法。精密铸造法制造钛合金氢泵叶轮的尺寸精度高，是一种低成本化近净成型制造方法；但是需要制造结构复杂的石墨或陶瓷型模具，工艺流程长，且铸态组织粗大，容易产生夹杂缺陷，氧含量普遍高于0.12wt％；另外，铸件表面存在难于去除的α脆性层。球形粉末HIP近净成型法制造钛合金氢泵叶轮缩短了工艺流程短，显著提高了材料利用率，降低了生产成本，但是成形过程容易出现尺寸收缩、叶轮各部位变形不均匀，造成尺寸精度难于控制，也容易产生残余颗粒界面和微孔等冶金缺陷；球形粉末HIP近净成形需要制造结构复杂的包套，粉末真空烘干、振实和包套真空封焊等工艺过程也比较复杂。最后，HIP近净成型法制造钛合金氢泵叶轮，对球形粉末的质量要求较高，使用氩气气雾化法钛合金球形粉末进行HIP近净成型，不能消除原始粉末颗粒内部的氩气腔，最终造成不可消除的残留气孔。锻造精密机械加工法制造钛合金氢泵叶轮，构件的显微组织充分致密，在尺寸精度和纯净度上得到保障。但是，锻造和机械加工成形钛合金氢泵叶轮，材料利用率普遍低于30％，造成构件的制造成本太高。

发明内容

(一)要解决的技术问题

为了解决现有钛合金氢泵叶轮制造技术存在的工艺流程长、材料利用率低、尺寸精度难于控制、致密度和纯净度偏低、制造成本太高、制造过程样品的开裂、翘曲和分层等问题，本发明提供一种超低温环境用钛合金氢泵叶轮的增材制造方法，该方法将为制造超低温环境用复杂结构钛合金零部件奠定技术基础。

(二)技术方案

为了达到上述目的，本发明采用的主要技术方案包括：

一种超低温环境用钛合金氢泵叶轮的增材制造方法，其包括如下步骤：

S1、制造钛合金球形粉末；

S2、粉末的筛选；

S3、构建氢泵叶轮的数字模型；

S4、电子束增材制造；

S5、后处理。

如上所述的制造方法，优选地，在步骤S1中，制造钛合金球形粉末采用等离子旋转电极法或无坩埚电极气雾化法进行。

如上所述的制造方法，优选地，在步骤S1中，所述钛合金球形粉末的材料为Ti-5Al-2.5Sn、Ti-6Al-4V、Ti-Al-Mo-Zr和Ti-Al-Mo-Sn系列的超低温钛合金中的任一种。

如上所述的制造方法，优选地，在步骤S2中，所述球形粉末筛选的粒度为50～130μm。