抑制EBM成形Ti4822合金过程中粉末吹粉的方法

摘要

本发明公开的抑制EBM成形Ti4822合金过程中粉末吹粉的方法，具体为：S1：对EBM粉床进行抽真空：调整基板大小到一定尺寸，对基板四个角进行倒角处理；S3：设定成形基板初始温度1100℃～1200℃；S4：前预热起始电流与最大电流的区间为1‑48mA；离焦量可调范围为：0.002‑0.4v，扫描时间30‑45s，扫描速度10‑13m/s，以横纵式扫描路径对基板进行预热；S5：设定实体扫描电流7mA‑9mA，扫描速度1.5m/s；S6：设定后保温电流40mA‑48mA，时间28s；S7：平台下降一定高度，进行下一层铺粉工作。本方法可以避免吹粉而且成形件的致密度明显提高的问题。

说明书

技术领域

本发明属于增材制造EBM成形技术领域，具体涉及一种抑制EBM成形Ti4822合金过程中粉末吹粉的方法。

背景技术

利用EBM粉床成形技术制备Ti4822合金现阶段已经在国外商业化应用，然而国内还处于研发阶段，其难点之一就是避免成形预热阶段的粉末吹粉现象。针对Ti4822合金成形过程中，吹粉的具体解决方案及工艺策略国内外尚无做专门研究，仅仅对TC4的吹粉工艺有几篇文献可供参考。

文献《粉末预热对电子束选区熔化成形工艺的影响》(韩建栋清华大学焊接学报)利用底板和下侧壁热传导、表面红外热辐射和电子束扫描预热手段对成形区进行加热避免吹粉从而制备零件。文献《电子束快速成形研究进展及关键问题分析》(贾文鹏西北有色金属研究院电加工与模具)提出，通过适当改变粉末堆积方式和粉末间的摩擦因数来提高粉末抗溃散能力，然后在粉末不溃散的情况下逐渐增加电流来避免吹粉问题。文献《粉末性能对电子束选区熔化快速成形的影响》(杨鑫西北有色金属研究院稀有金属材料与工程)中利用球形与非球形按一定的比例混合来防止吹粉的发生。以上文献方案仅仅针对TC4成形有较好的效果，然而对于Ti4822合金，由于它是一种金属间化合物且密度较小的材料，不适用以上的成形策略。

目前已有的技术是选用气雾化粉末来作为成形粉末，在基板成形面上增加假结构来固化粉末、然后通过无限增大预热电流及时间来提升粉层温度来烧结粉末，这种工艺的缺点：气雾化粉末的空心粉较多，在一定程度上降低成形件的致密度，影响零件的性能；其次抑制吹粉的工艺手段不能从根本上解决吹粉问题，且易产生粉末烧结过度，减少粉末循环使用次数，直接影响成形Ti4822的商业化应用。

因此，针对4822合金成形，发明了一种新的工艺策略，可以完全的避免吹粉问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种抑制EBM成形Ti4822合金过程中粉末吹粉的方法，通过调整预热工艺参数、预热基板结构、以及仓内真空度来抑制电子束打印过程中的吹粉现象。

本发明所采用的技术方案是：抑制EBM成形Ti4822合金过程中粉末吹粉的方法，具体按照以下步骤实施：

步骤一：对EBM粉床进行抽真空，针对此种钛铝合金Ti4822材料通入氦气后成型室压力至2.0×10

步骤二：调整基板大小到一定尺寸，对基板四个角进行倒角处理；

步骤三：设定成形基板初始温度1100℃～1200℃；

步骤四：前预热起始电流与最大电流的区间为1-48mA；离焦量可调范围为：0.002-0.4v，扫描时间30-45s，扫描速度10-13m/s，以横纵式扫描路径对基板进行预热；

步骤五：设定实体扫描电流7mA-9mA，扫描速度1.5m/s；

步骤六：设定后保温电流40mA-48mA，时间28s，对当前层进行保温处理；

步骤七：平台下降一定高度，进行下一层铺粉工作。

本发明的特征还在于，

步骤二中，调整基板大小140mm×140mm×10mm。

步骤四中，设定前预热起始电流23mA-48mA，最大电流45mA-48mA。

步骤四中，所述离焦量为0.2v。

步骤七中，平台下降高度为0.1mm。

本发明的有益效果是：

(1)本发明方法通过调整预热工艺参数、预热基板结构、以及仓内真空度来抑制电子束打印过程中的吹粉现象，可以避免吹粉而且成形件的致密度明显提高的问题。

(2)本发明方法在工程生产上防止成形过程中粉末过度烧结所引起的零件表面质量恶化；同时也不会影响粉末的循环次数；吹粉是电子束成形钛铝合金工艺窗口窄的主要原因之一，随着吹粉现象的消失，为后期对此材料的组织性能调控研究扩大了工艺窗口。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明提供一种抑制EBM成形Ti4822合金过程中粉末吹粉的方法，具体按照以下步骤实施：

步骤一：对EBM粉床进行抽真空，针对此种钛铝合金Ti4822材料通入氦气后成型室压力至2.0×10

步骤二：调整基板大小至140mm×140mm×10mm，对基板四个角进行倒角处理；

步骤三：设定成形基板初始温度1100℃～1200℃；

步骤四：前预热起始电流与最大电流的区间为1-48mA，此方案设定前预热起始电流23mA-48mA，最大电流45mA-48mA；离焦量可调范围为：0.002-0.4v,此方案的离焦量为0.2v，扫描时间30-45s，扫描速度10-13m/s，以横纵式扫描路径对基板进行预热；

步骤五：设定实体扫描电流7mA-9mA，扫描速度1.5m/s；

步骤六：设定后保温电流40mA-48mA，时间28s，对当前层进行保温处理；

步骤七：平台下降0.1mm，进行下一层铺粉工作。

工艺策略具体说明如下：

调整基板大小、添加基板四角倒角。减小基板尺寸大小可以增加电子束能量集中，增加扫描线数，使得打印中横纵向温度得以保留，从而提高环境温度；其次，四角倒角可以有效的防止电荷在尖锐的地方产生电荷积累，减小放电频率。

提高基板初始温度。基板的初始温度上升到1100℃以上可有效的优化粉末的烧结能力，避免打印前几层吹粉的发生，当初始温度过高时，又会产生粉末过度烧结，样品会产生表面质量恶化，对于此种材料，初始温度一般低于1200℃。

调整离焦量。增加电子束离焦量可以有效的避免电荷积累，但这样会产生当前层受热不均匀，容易造成实体扫描阶段的粉末飞溅，形成样品表面固化的粉末颗粒。

调整前预热起始电流、最大电流与平均电流。前预热阶段，当起始电流小于20mA、最大电流小于40mA时，会引起基体温度急剧下降从而使得环境温度快速流失产生吹粉现象，所以，一般情况下，起始电流应不低于22mA，最大电流不低于45mA，平均温度保持在30mA左右。

调整预热扫描速度。减小预热扫描速度可以延长相邻的两条扫描线之间的返回时间，给电荷留以足够的导出时间。

调整后保温。增加后保温热输入可以提高成形后当前层的表面温度，同时，也可提高下一层铺粉粉末与前一层的粘结度，增加导热，减小电荷积累。

改变成形真空度。利用EBM技术打印一般材料，通常的真空度设置为1.6×10

改变预热扫描路径。通过比较，横纵式扫描路径要优于V字型扫描路径，前者可以均匀当前层表面热量，且不会产生局部电荷密度集中现象。

通过以上的八组工艺搭配可以有效的避免成形过程中的吹粉现象的发生，通过后期搭配适当的实体扫描参数可以制备出致密且均匀的成形件。

达到此种效果的原因在于，减少了高能电子作用于表面层时的电荷积累；减小了电子束的瞬时动能；增加了粉末层的导电性；提高了粉末层的预烧结能力。

实施例1

一种抑制EBM成形Ti4822合金过程中粉末吹粉的方法，具体按照以下步骤实施：

步骤一：对EBM粉床进行抽真空，针对此种钛铝合金Ti4822材料通入氦气后成型室压力至2.0×10

步骤二：调整基板大小至140mm×140mm×10mm，对基板四个角进行倒角处理；

步骤三：设定成形基板初始温度1100℃～1200℃；

步骤四：此方案设定前预热起始电流23mA，最大电流45mA；此方案的离焦量为0.2v，扫描时间30s，扫描速度10m/s，以横纵式扫描路径对基板进行预热；

步骤五：设定实体扫描电流7mAmA，扫描速度1.5m/s；

步骤六：设定后保温电流40mA，时间28s，对当前层进行保温处理；

步骤七：平台下降0.1mm，进行下一层铺粉工作。

实施例2

一种抑制EBM成形Ti4822合金过程中粉末吹粉的方法，具体按照以下步骤实施：

步骤一：对EBM粉床进行抽真空，针对此种钛铝合金Ti4822材料通入氦气后成型室压力至2.0×10

步骤二：调整基板大小至140mm×140mm×10mm，对基板四个角进行倒角处理；

步骤三：设定成形基板初始温度1200℃；

步骤四：此方案设定前预热起始电流48mA，最大电流48mA；此方案的离焦量为0.4v，扫描时间35s，扫描速度11m/s，以横纵式扫描路径对基板进行预热；

步骤五：设定实体扫描电流7mA-9mA，扫描速度1.5m/s；

步骤六：设定后保温电流45mA，时间28s，对当前层进行保温处理；

步骤七：平台下降0.1mm，进行下一层铺粉工作。

实施例3

一种抑制EBM成形Ti4822合金过程中粉末吹粉的方法，具体按照以下步骤实施：

步骤一：对EBM粉床进行抽真空，针对此种钛铝合金Ti4822材料通入氦气后成型室压力至2.0×10

步骤二：调整基板大小至140mm×140mm×10mm，对基板四个角进行倒角处理；

步骤三：设定成形基板初始温度1150℃；

步骤四：此方案设定前预热起始电流25mA，最大电流46mA；此方案的离焦量为0.4v，扫描时间32s，扫描速度11m/s，以横纵式扫描路径对基板进行预热；

步骤五：设定实体扫描电流8mA，扫描速度1.5m/s；

步骤六：设定后保温电流42mA，时间28s，对当前层进行保温处理；

步骤七：平台下降0.1mm，进行下一层铺粉工作。

实施例4

一种抑制EBM成形Ti4822合金过程中粉末吹粉的方法，具体按照以下步骤实施：

步骤一：对EBM粉床进行抽真空，针对此种钛铝合金Ti4822材料通入氦气后成型室压力至2.0×10

步骤二：调整基板大小至140mm×140mm×10mm，对基板四个角进行倒角处理；

步骤三：设定成形基板初始温度1200℃；

步骤四：此方案设定前预热起始电流48mA，最大电流48mA；此方案的离焦量为0.002v，扫描时间31s，扫描速度12m/s，以横纵式扫描路径对基板进行预热；

步骤五：设定实体扫描电流8，扫描速度1.5m/s；

步骤六：设定后保温电流40mA，时间28s，对当前层进行保温处理；

步骤七：平台下降0.1mm，进行下一层铺粉工作。

实施例5

一种抑制EBM成形Ti4822合金过程中粉末吹粉的方法，具体按照以下步骤实施：

步骤一：对EBM粉床进行抽真空，针对此种钛铝合金Ti4822材料通入氦气后成型室压力至2.0×10

步骤二：调整基板大小至140mm×140mm×10mm，对基板四个角进行倒角处理；

步骤三：设定成形基板初始温度1100℃；

步骤四：此方案设定前预热起始电流23mA，最大电流47mA，此方案的离焦量为0.2v，扫描时间39s，扫描速度12m/s，以横纵式扫描路径对基板进行预热；

步骤五：设定实体扫描电流7mA，扫描速度1.5m/s；

步骤六：设定后保温电流48mA，时间28s，对当前层进行保温处理；

步骤七：平台下降0.1mm，进行下一层铺粉工作。

本发明方法优点为：从预热工艺参数、成形基板的外结构、机器打印环境的真空度三大模块入手，采用性能较好的旋转电极工艺粉末进行成形。此工艺的优点在于可以完全避免吹粉而且成形件的致密度明显提高，从而能推动EBM成形Ti4822合金商业化进程。