防止三维打印大型复杂钛合金零件变形和开裂的制备方法

摘要

本发明公开了一种防止三维打印大型复杂钛合金零件变形和开裂的制备方法，采用降低激光熔覆固化部分与熔点的温度差，边激光熔覆固化边退火，减少残余应力产生，步骤如下：1）在钛合金激光熔化沉积制造设备中安装上加热保温箱，将其他所需设备准备就绪；2）将加热保温箱内气体排出，保持真空；3）激光熔化前，开启加热保温箱的加热按钮，使加热保温箱内部温度升高到钛合金的退火温度，然后开启保温按钮，使加热保温箱内温度稳定在退火温度上，维持恒温状态；4）开启加工制造设备，开始激光熔化沉积出待加工大型复杂钛合金零件；5）加工完成后，在退火温度上，加热保温箱中保温，之后随箱冷却，取出。

说明书

技术领域

本发明涉及一种钛合金的三维打印技术和金属热处理工艺，尤其是一种用控制加工时 零件温度防止三维打印大型复杂钛合金零件变形和开裂的制备方法。

背景技术

目前，钛合金具有比强度高、耐热性好、耐蚀性和生物相容性好等特点，在航空、航 天、船舶、海洋、石化生物医学和交通灯工业中得到广泛应用。三维打印钛合金大型复杂 零件制造飞机、船舶上的钛合金结构件，具有无需大型锻造装备及大型锻造模具，材料利 用率高，加工量小，成本低，周期短，柔性高效等突出优点，然而，激光快速成型过程中 物理、化学、力学和材料冶金现象极其复杂，技术难度很大，国内外对钛合金零件激光快 速成型内部组织形成规律及变形开裂行为等关键基础问题缺乏深入的认识和研究，尤其是 零件变形开裂仍然是制约该技术工程应用的关键技术难题。因此，减小激光快速成型过程 中零件变形是目前面临的一个重要研究。

从1995年美国首先提出高性能金属零件激光直接成型技术以来，美国在这方面的研究 一直走在世界前列。1995～2005年间，在美国国防部先进研究计划署（DARPA）及海军研 究办公室（ONR）等部门的巨额资助下，美国约翰哈普金斯大学、宾夕法尼亚州立大学及 MTS公司等对飞机钛合金结构件激光快速成型技术进行了大量研究。1998年由MTS公司 独资成立了专门从事飞机钛合金结构件激光快速成型技术研发和工程化应用的AeroMet公 司，与波音、诺克希德...格鲁曼等美国三大军用飞机制造商合作，致力于飞机钛合金结构件 激光快速成型技术研究及其在飞机上的应用关键技术研究。[王华明,张述泉,王向明.大型 钛合金结构件激光直接制造的进展与挑战[J].中国激光,2009,36(12):3204-3209.]。国外有 关激光成型技术研究以美国为主，包括美国Los Alamos国家实验室、Sandia国家实验室、 AeroMet公司和GE公司等。[杨健.民用飞机机体用钛合金的新技术探讨[J].航空制造技术, 2011,1(3):5.]。然而，由于未能有效解决激光快速成型大型钛合金结构件内部质量和力学性 能控制等关键技术难题，激光快速成型钛合金结构件过程中，零件产生严重翘曲变形与开 裂的问题一直没有有效解决。

在国内，直到“十一五”期间，北京航空航天大学在飞机钛合金大型整体主承力结构 件激光快速成型工艺研究、工程化成套装备研发与装机应用关键技术攻关等方面才取得了 突破性进展，提出了原创性的“热应力离散控制”新方法，为有效突破大型钛合金主承力 结构件激光快速成型过程零件严重翘曲变形与开裂“瓶颈难题”找到了一条新路。[王华明, 张述泉,王向明.大型钛合金结构件激光直接制造的进展与挑战[J].中国激光,2009,36(12): 3204-3209.]。在解决激光成型过程中，零件严重“变形开裂”和“内部缺陷和内部组织” 控制等长期制约该技术发展的重大“瓶颈难题”上，除北京航空航天大学取得了可喜突破 外，国内外迄今一直未能取得实质性进展，致使目前大型金属构件激光快速成型技术研究 在国际上落入了“低潮”。

总之，目前国内外对于防止三维打印钛合金大型复杂零件变形和开裂的研究还非常不 完善，零件的“变形和开裂”是制约大型整理钛合金关键结构件激光直接制造技术发展和 应用的关键“瓶颈难题”。

发明内容

本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种防止三维打印大型复杂钛合金 零件变形和开裂的制备方法，该方法能够避免三维打印钛合金大型复杂零件的“变形和开 裂”，保证零件的使用质量，从而推动大型复杂零件三维打印技术在实际中的应用与推广。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种防止三维打印大型复杂钛合金零件变形和开裂的制备方法，其采用降低激光熔覆 固化部分与熔点的温度差，边激光熔覆固化边退火，减少残余应力的产生，从而防止变形 和开裂，具体步骤如下：

1）在钛合金的激光熔化沉积制造设备中安装上加热保温箱，将其他所需设备按照三维 打印钛合金零件的常规需要依次准备就绪；

2）将加热保温箱内气体排出，使加热保温箱内真空度不低于5×10^-4mmHg；

3）激光熔化沉积钛合金零件前，开启加热保温箱的加热按钮，使加热保温箱内部温度 升高到钛合金的退火温度，然后开启保温按钮，使加热保温箱内温度稳定在退火温度上， 维持恒温状态；

4）开启三维打印大型复杂钛合金零件的加工制造设备，开始激光熔化沉积出待加工大 型复杂钛合金零件；

5）加工完成后，在退火温度上，使加工后的大型复杂钛合金零件在加热保温箱中保温 1～4h，之后随箱冷却，取出大型复杂钛合金零件。

6）激光熔化沉积制造设备的同轴喷嘴、基材、工作台和红外探测器均设置于加热保温 箱中，与反馈机构相连的红外探测器设置于加热保温箱内壁的上半部分上，同轴喷嘴固定 于加热保温箱的上壳中间位置，同轴喷嘴的大部分位于加热保温箱内，同轴喷嘴分别与送 粉机构和激光器相相连，同轴喷嘴的正下方设置有位于加热保温箱内底部的工作台和基材， 基材设置于工作台上。

所述同轴喷嘴、基材和工作台均是由耐高温的合金钢制成。

所述加热保温箱的泄漏率即压升率低于0.67Pa/小时。

本发明的有益效果是，经试验，加工后的钛合金大型复杂零件变形和开裂的程度明显 降低。钛合金的抗拉强度和屈服强度降低，冲击韧性、断裂韧性、伸长率和断面收缩率提 高；残余应力消除效果显著。

附图说明

图1是激光熔覆快速制造钛合金大型零件的原理图；

其中1.工作台，2.红外探测器，3.同轴喷嘴，4.大型复杂钛合金零件，5.基材，6.加热 保温箱。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

实施例1：

一种防止三维打印钛合金大型复杂零件变形和开裂的制备方法，选用的钛合金类型为 TC18合金，TC18合金是一种高合金化的α+β型钛合金(相当于前苏联的BT22合金)，其 名义成分为Ti-5Al-4.75Mo-4.75V-1Cr-1Fe。合金具有高强度、高韧性、高塑性、淬透性和焊 接性好等优点。结合其低温退火性质制定制备方法。

上述防止三维打印钛合金TC18大型复杂零件变形和开裂的制备方法，具体步骤如下：

1)在钛合金的激光熔化沉积制造设备中安装上加热保温箱6，将其他所需设备按照三维 打印钛合金零件的常规需要依次准备就绪。

2)将加热保温箱6内气体排出，使加热保温箱6内真空度不低于5×10^-4mmHg，加热保 温箱6的泄漏率即压升率低于0.67Pa/小时；

3)激光熔化沉积钛合金零件前，开启加热保温箱6的加热按钮，使加热保温箱6内部温 度升高到540℃，然后开启保温按钮，使加热保温箱6内温度稳定在工作设定温度540℃。

4)开启三维打印大型复杂钛合金零件4的加工制造设备，开始激光熔化沉积出待加工大 型复杂钛合金零件4。

5)加工完成后，使加工后的大型复杂钛合金零件4在加热保温箱中540℃条件下保温 4h，之后随箱冷却，取出工件即大型复杂钛合金零件4。

如图1所示，激光熔化沉积制造设备的同轴喷嘴3、基材5、工作台1和红外探测器2 均设置于加热保温箱6中，与反馈机构相连的红外探测器2设置于加热保温箱内壁的上半 部分上，反馈机构与激光器相连，同轴喷嘴3固定于加热保温箱的上壳中间位置，同轴喷 嘴3的大部分位于加热保温箱6内，同轴喷嘴3分别与送粉机构和激光器相相连，同轴喷 嘴3的正下方设置有位于加热保温箱内底部的工作台1和基材5，基材5设置于工作台1上， 工作台1通过计算机控制，其中本发明中的激光熔化沉积制造设备是现有设备，在市场上 均可购买到，具体构造不再详细描述。同轴喷嘴、基材和工作台均是由耐高温的合金钢制 成。

通过对激光熔化沉积大型复杂钛合金零件的显微组织观察和力学实验可得：保温箱内 设定温度为540℃时，三维打印钛合金TC18的大型复杂钛合金零件，钛合金TC18内的等 轴初生α相的尺寸和含量变化不大，而次生α相的尺寸增大，含量会增加，且次生α相呈片 状弥散分布在转变β基体上。通过实验测得，低温处理阶段，加热保温箱内退火温度在 540℃时，强度和塑性匹配最佳，零件的变形和开裂程度最低。

实施例2：

一种防止三维打印大型复杂钛合金零件变形和开裂的制备方法，选用的钛合金类型为 TC18合金。结合其高温退火性质制定制备方法。

上述防止三维打印钛合金TC18大型复杂零件变形和开裂的制备方法，具体步骤如下：

1)在钛合金的激光熔化沉积制造设备中安装上加热保温箱6，将其他所需设备按照三维 打印钛合金零件的常规需要依次准备就绪。

2)将加热保温箱内气体排出，使加热保温箱为真空状态，加热保温箱内真空度不低于 5×10^-4mmHg，加热保温箱的泄漏率即压升率低于0.67Pa/小时；

3)激光熔化沉积钛合金零件前，开启加热保温箱的加热按钮，使加热保温箱内部温度 升高到830℃，然后开启保温按钮，使箱内温度稳定在工作设定温度830℃。

4)开启三维打印大型复杂钛合金零件4的加工制造设备，开始激光熔化沉积出待加工 大型复杂钛合金零件4。

5)加工完成后，使加工后的大型复杂钛合金零件4在加热保温箱中830℃条件下保温 2h，然后箱冷到750℃，再保温2h。之后随箱冷，取出大型复杂钛合金零件4。

如图1所示，激光熔化沉积制造设备的同轴喷嘴3、基材5、工作台1和红外探测器2 均设置于加热保温箱6中，与反馈机构相连的红外探测器2设置于加热保温箱内壁的上半 部分上，反馈机构与激光器相连，同轴喷嘴3固定于加热保温箱的上壳中间位置，同轴喷 嘴3的大部分位于加热保温箱6内，同轴喷嘴3分别与送粉机构和激光器相相连，同轴喷 嘴3的正下方设置有位于加热保温箱内底部的工作台1和基材5，基材5设置于工作台1上， 工作台1通过计算机控制，其中本发明中的激光熔化沉积制造设备是现有设备，在市场上 均可购买到，具体构造不再详细描述。同轴喷嘴、基材和工作台均是由耐高温的合金钢制 成。

通过对激光熔化沉积大型钛合金零件的显微组织观察和力学实验可得：保温箱内设定 温度为830℃，三维打印钛合金TC18的大型钛合金零件时，钛合金TC18内的等轴初生α相 尺寸增大，百分含量减少，转变β基体中析出次生α相并逐渐长大，使钛合金强度升高，塑 性降低，强度和塑性指标较好，且三维打印的大型钛合金零件变形和开裂程度较低。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的 限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需 要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。