真空环境下钛合金激光熔丝增材制造成形工艺研究

摘要

随着全世界范围内的科技创新与革命的不断进行，增材制造技术作为一种能够推动制造业创新的技术，是各国发展的重点科研领域和产业发展方向。中国在增材制造学科方面的发展也已经20多年了，但作为我国在轨空间重大战略目标之一的空间金属增材制造，目前还处于初级研究阶段。本文以激光熔丝金属增材制造技术为研究对象，以提高成形质量和成形件性能为目标，深入研究了真空环境下Ti-6Al-4V钛合金激光熔丝增材制造成形工艺。课题的顺利开展将为金属激光熔丝增材制造技术的发展提供理论依据和事实支撑，并为实现空间金属增材制造提供关键科学基础和重要技术保障。　　首先研究了单道单层熔覆道、单道多层薄壁件和单道多层薄壁方框件的相关成形工艺问题。发现成形时激光的圆形光斑和良好的光丝对中性是保证各方向成形一致性的前提，金属丝熔化过渡方式为液桥过渡时成形稳定性更高；之后针对成形单道多层薄壁件始末端成形质量和稳定性差的问题，提出可以成形闭合类薄壁零件以避免问题；同时方框件成形时选择的成形路径应满足方框四条边与传动系统X轴或Y轴呈一定角度且转角处应为圆角，这种条件下的成形稳定性和成形件表面质量会更好。　　其次研究了单道单层熔覆道成形时的相关参数范围选择和关键成形系数（k=送丝速度/扫描速度）、线能量（Q=激光功率/扫描速度）对单道单层熔覆道尺寸的影响。发现激光功率和线能量越大，工艺区间也越大；当关键成形系数值增大时，熔覆道层高和层宽均会增加，线能量对熔覆道尺寸的影响不大；　　另外根据单层熔覆道的成形尺寸规律，对单道多层薄壁件的成形尺寸规律进行了相关研究，发现对于一般单道多层薄壁件，其层宽会在除第二层外的前几层随着层数的增加逐渐增加，而在多层以后层宽趋于稳定，不再随着层数的增加而增加；当激光功率增加时，薄壁件的层宽也会增加；当层间间隔时间为1s时，薄壁件热积累最大层宽也最大，而当层间间隔时间大于5s时，不同层间间隔时间下薄壁件的层宽并无明显差异。　　最后分析了进行激光熔丝增材制造成形后的 Ti-6Al-4V 钛合金组织并进行了热处理以改善表面显微硬度。研究发现，Ti-6Al-4V钛合金单道单层熔覆道中大多为魏氏组织和网篮组织；随着关键成形系数的增加，形成集束的针状α'组织尺寸减小；而随着线能量的增加，针状α'数量有所增多，组织更加致密。对于单道多层薄壁件，存在巨大的贯穿整个薄壁件熔覆层的柱状粗大β晶粒，其截面上中下三部分显微组织各不相同，下层和上层大多为集束状魏氏组织，而中部为网篮组织。另外对单道多层薄壁件组织进行热处理发现930℃固溶处理后进行500℃/4 h时效处理对薄壁件显微硬度提高最大。

目录

1 绪论

1.1课题背景

1.2课题来源和研究目的及意义

1.3金属增材制造发展现状

1.4钛合金增材制造

1.5本文的主要研究内容

2 试验设备及试验方法

2.1试验系统

2.2试验材料

2.3试验流程及方法

2.4本章小结

3 激光熔丝增材制造成形影响因素分析

3.1增材制造成形中非工艺参数、条件及其影响

3.2单道单层熔覆道的成形

3.3单道多层薄壁件的成形

3.4单道多层方框件的成形

3.4.1 单道多层方框件工艺参数的确定

3.4.2 单道多层方框件成形问题描述及改进

3.5本章小结

4 激光熔丝增材制造成形尺寸研究

4.1单道单层熔覆道的尺寸研究

4.1.1 关键成形系数对熔覆道尺寸影响

4.1.2 线能量对熔覆道尺寸影响

4.2单道多层薄壁件的尺寸研究

4.2.1 激光功率对薄壁件尺寸的影响

4.2.2 层间间隔时间对薄壁件尺寸的影响

4.3本章小结

5 激光熔丝增材制造成形组织及显微硬度研究

5.1.1 常见Ti-6Al-4V钛合金组织

5.1.2 钛合金组织相变分析

5.2.1 关键成形系数对熔覆道组织影响

5.2.2 线能量对熔覆道组织的影响

5.3.1 单道多层薄壁件的成形组织

5.3.2 单道多层薄壁件的显微硬度

5.4热处理工艺及影响

5.4.1 退火工艺对单道多层薄壁件组织和显微硬度的影响

5.4.2 固溶+时效工艺对单道多层薄壁件组织和显微硬度的影响

5.5本章小结

6 结论

参考文献

附录

A.作者在攻读学位期间发表的论文目录

B.学位论文数据集

致谢