CN111055084A - 一种多种合金材料组合的环状异型件的制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于锻件制造技术领域，并具体公开了一种合金材料组合的环状异型件的制造方法。本发明先通过对胚料处理获得薄壁环形件，然后基于应力分析进行强度性能测试，根据获得的强度数据采用含碳量不同的碳素钢材料进行3D打印，制造多个环形异钩件，将多个环形异钩件固定连接到薄壁环形件上，得到完整的环状异型件。本发明解决了当前环状异型件在制造过程中对于凸出于基体表面的高肋、枝芽、异形凸起等形状的复杂构造，以及锻造过程中昂贵金属材料的使用和浪费等缺点，采用3D打印技术与不同合金材料相结合，可以快速、低成本、高性能的生产环状异型件。

Description

一种多种合金材料组合的环状异型件的制作方法

技术领域

本发明涉及锻件制造技术领域，尤其是一种多种合金材料组合的环状异型件的制作方法。

背景技术

随着航空、航天、兵器、国防科工等领域的发展，高性能难加工金属关键构件的用量越来越大，发动机盘、轴类零件、涡轮机匣、起落架等航空航天零部件的加工难度不断增大。这些复杂结构通常采用铸锭、制坯、模具制造、锻造、机加工等流程，加工量大，材料利用率低，成本极高。传统锻造领域的锻造件都是采用同种合金材料进行锻造，尤其是在复杂结构中，当整体材料采用昂贵的合金材料进行锻造时，部分对于强度需求较弱的局部件也是采用同样的昂贵材料，这样就造成了资源上的浪费，给企业带来制造成本的居高不下，同时制造过程中复杂结构的锻造件受限于锻造工艺，难以完整生产制造出来。

锻造材料中低碳钢、中碳钢、铝合金、钛合金、有色金属等其他合金对于各自的理化性质，均可以用于不同领域，也可以跨领域多功能使用。合金低压二级机匣的制造中，局部件整体较为复杂，整体锻造存在难度较大，成本较高的难点，采用多种合金材料在满足局部件强度性能的前提之下进行使用，为企业带来节约成本，促进锻造件整体性能的提升。

发明内容

为了解决现有技术中存在的上述技术问题，本发明提供一种多种合金材料组合的环状异型件的制作方法，包括以下步骤：

步骤一：对坯料依次进行加热、预锻、终锻、空冷、清理和热处理，得到薄壁环形件。

步骤二：将环形钩状件的N个构件进行固定连接，再其固定连接后的基体上将第M个3D构件的三维结构数据进行水平分层数据处理形成第M个打印数据，并根据打印数据采用3D打印方法形成第M个3D构件，得到环形钩状件。

步骤三：对薄壁环形件和环形钩状件基于应力分析进行强度性能测试，网格化所述薄壁环形件和环形钩状件，选取网格施加载荷和边界条件应力分析以得到强度数据，获得强度数据。

步骤四：基于所获取的强度数据，采用不同合金材料，重复步骤二和步骤三的操作过程，得到X个环形钩状件。

步骤五：对所述薄壁环形件的内侧部曲面和所述X个环形钩状件的第一外侧部曲面进行清洗，再进行完全贴合并固定连接。

步骤六：将步骤五形成的构件进行精加工形成多种合金材料组合的环状异型构件。

进一步地，所述固定连接的方式为线性摩擦焊、旋压、熔焊、压焊或固态焊。

进一步地，所述打印数据均包含分层厚度数据，将分层厚度数据设置为小于0.02mm。

进一步地，所述3D打印方法为选择性激光烧结成型、选择性激光熔化成型、激光近净成型、电子束选区熔化成型或电子束熔丝沉积成型。

进一步地，所述环形薄壁件自底面端部到环形薄壁件中间区域再到顶面端部的直径逐渐减小，所述环形钩状件具有第一侧部曲面，第一侧部曲面和环形薄壁件内壁完全贴合并将环形钩状件固定连接在环形薄壁件上，所述环形钩状件具有第二侧部曲面，第二侧部曲面任意一点到环形薄壁件中心件距离相等。

进一步地，所述环形薄壁件底面端部的所述强度数据满足室温力学性能常规试验指标：σ_b≥1350MPa，σ_0.2≥1150MPa，δ₅≥20％，Ψ≥30％；所述环形薄壁件顶面端部的所述强度数据满足室温力学性能常规试验指标：σ_b≥1276MPa，σ_0.2≥1034MPa，δ₅≥12％，Ψ≥15％；所述环形薄壁件中间区域室温力学性能常规试验介于环形薄壁件底面端部的强度数据与环形薄壁件顶面端部的强度数据之间，呈现梯度线性状态。

进一步地，所述X大于等2，N大于等于2，M大于等于1，且都为整数。

进一步地，所述环状异钩件包括构件和3D构件，其合金材料选择基于所述强度数据；所述环形薄壁件自底面端部到环形薄壁件中间区域再到环形薄壁件顶面端部所连接的X个环状异钩件合金材料选用含碳量为0.15％～0.60％的碳素钢，含碳量具体满足公式：

C＝(σ_b/σ_0.2)*K(δ₅/Ψ)*100％

式中：σ_b——环形薄壁件的抗拉强度，MPa；

σ_0.2——环形薄壁件的屈服强度，MPa；

K——含碳量计算公式经验系数5×10^-3；

δ₅——断后伸长率，％；

Ψ——断面收缩率，％。

总体而言，本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

1、金属3D打印凭借技术的优势，可以有效地缩短加工周期、提高材料利用率、降低成本。能够实现高性能致密金属零件的无模快速近终成形，所制造的金属零件不仅形状复杂，而且其力学性能比采用锻造技术制造的零件有全面、显著的提高，复杂细节构件自身的强度可以得到有力保证。

2.本发明将环状异型件的基体部分采用锻造成形，而复杂或难成形结构采用构件基体与3D打印方法相结合的方法进行制造。相对于金属构件传统制备流程，这种方法结合了锻造和增材制造两者的优势，既保证了构件整体的成形性，又保证了精细、复杂结构部位的质量，还可以最大程度减少制坯工作量，减少加热火次，减少了飞边金属损耗，提高了材料利用率，降低加工成本，缩短了加工周期。

3.本发明复杂或难成形的环状异钩件制造材料是基于强度数据所选择的不同合金材料，提高了材料的使用率，降低了因为环状异形件传统加工中采用同种材料制造而带来的成本高昂，减少昂贵合金材料的使用并且提高了该部位的质量。

附图说明

图1为本发明的环状异型件特征图

图2为本发明的第七个环状异钩件与环形薄壁件连接图

图3为本发明的第七个环状异钩件构件与3D构件图

图中1-第一个环状异钩件，2-第二个环状异钩件，3-第三个环状异钩件，4-第四个环状异钩件，5-第五个环状异钩件，6-第六个环状异钩件，7-第七个环状异钩件，8-第八个环状异钩件，9-第九个环状异钩件，10-第十个环状异钩件，11-第十一个环状异钩件，12-环形薄壁件自底面端部，13-环形薄壁件中间区域，14-环形薄壁件顶面端部，15-环形薄壁件，16-环形薄壁件内侧部曲面，17-第二侧部曲面，18-第一侧部曲面，19-第一构件，20-第二构件，21-第四3D构件，22-第三3D构件。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明实施例提供一种环状异型构件的制造方法，包括以下步骤：

步骤一：对坯料依次进行加热、预锻、终锻、空冷、清理和热处理，得到薄壁环形件。

步骤二：将环形钩状件的N个构件进行固定连接，再其固定连接后的基体上将第M个3D构件的三维结构数据进行水平分层数据处理形成第M个打印数据，并根据打印数据采用3D打印方法形成第M个3D构件，得到环形钩状件。

步骤三：对薄壁环形件和环形钩状件基于应力分析进行强度性能测试，网格化所述薄壁环形件和环形钩状件，选取网格施加载荷和边界条件应力分析以得到强度数据，获得强度数据。

步骤四：基于所获取的强度数据，采用不同合金材料，重复步骤二和步骤三的操作过程，得到X个环形钩状件。

步骤五：对所述薄壁环形件的内侧部曲面和所述X个环形钩状件的第一外侧部曲面进行清洗，再进行完全贴合并固定连接。

步骤六：将步骤五形成的构件进行精加工形成多种合金材料组合的环状异型构件。

在一个优选的实施例中，固定连接的方式为线性摩擦焊、旋压、熔焊、压焊或固态焊。许多难以焊接的材料，往往可以连接成与母材同等强度的优质接头。

在一个优选的实施例中，3D打印的分层厚度数据设置为小于0.02mm，可以快速精准的将目标打印金属材料连接起来，增强金属材料的理化性质。

在一个优选的实施例中，3D打印方法为选择性激光烧结成型、选择性激光熔化成型、激光近净成型、电子束选区熔化成型或电子束熔丝沉积成型。可以促进3D金属打印的成效，将环状异型构件的复杂结构清晰明朗的表现出来。

在一个优选的实施例中，环形薄壁件自底面端部(12)到环形薄壁件中间区域(13)再到环形薄壁件顶面端部(14)的直径逐渐减小，所述环形钩状件具有第一侧部曲面(18)，第一侧部曲面(18)和环形薄壁件内壁(16)完全贴合并将环形钩状件固定连接在环形薄壁件(15)上，所述环形钩状件具有第二侧部曲面(17)，第二侧部曲面(17)任意一点到环形薄壁件中心距离相等。

在一个优选的实施例中，环形薄壁件底面端部的所述强度数据满足室温力学性能常规试验指标：σ_b≥1350MPa，σ_0.2≥1150MPa，δ₅≥20％，Ψ≥30％；所述环形薄壁件顶面端部的所述强度数据满足室温力学性能常规试验指标：σ_b≥1276MPa，σ_0.2≥1034MPa，δ₅≥12％，Ψ≥15％；所述环形薄壁件中间区域室温力学性能常规试验介于环形薄壁件底面端部的强度数据与环形薄壁件顶面端部的强度数据之间，呈现梯度线性状态。

在一个优选的实施例中，环状异型件上可以拥有多个环形异钩件，本实施例中有11个环形异钩件，分别是第一个环状异钩件(1)，第二个环状异钩件(2)，第三个环状异钩件(3)，第四个环状异钩件(4)，第五个环状异钩件(5)，第六个环状异钩件(6)，第七个环状异钩件(7)，第八个环状异钩件(8)，第九个环状异钩件(9)，第十个环状异钩件(10)，第十一个环状异钩件(11)。

在一个优选的实施例中，第七个环形异钩件由第一构件(19)、第二构件(20)、第三3D打印构件(21)、第四3D打印构件(22)组成，第一构件的上端面和第三构3D打印构件的下端面完全贴合并固定连接，第三3D打印构件的上端面形成环状异型构件的上端面，第二构件的上端面和第一构件的下端面完全贴合并固定连接，第四3D打印构件的上端面和第二构件的下端面以及第一构件的部分下端面完全贴合并固定连接，第四3D打印构件的下端面形成环状异型构件的下端面。

在一个优选的实施例中，第七个环形异钩件的第一构件的上端面由倒锥形曲面和第一水平面构成，倒锥形曲面自环形钩状件的上端面顶部向下延伸至第一水平面，第一水平面延伸至环形钩状件的第二侧部曲面的端部为止，第一构件的下端面由第二水平面构成，第二水平面延伸至环形钩状件的第二侧部曲面的端部为止。

在一个优选的实施例中，环状异钩件包括构件和3D构件，其合金材料选择基于所述强度数据；所述环形薄壁件自底面端部到环形薄壁件中间区域再到环形薄壁件顶面端部所连接的X个环状异钩件合金材料选用含碳量为0.15％～0.60％的碳素钢，含碳量具体满足公式：

C＝(σ_b/σ_0.2)*K(δ₅/Ψ)*100％

式中：σ_b——环形薄壁件的抗拉强度，MPa；

σ_0.2——环形薄壁件的屈服强度，MPa；

K——含碳量计算公式经验系数5×10^-3；

δ₅——断后伸长率，％；

Ψ——断面收缩率，％。

在一个优选的实施例中，环形薄壁件底面端部第一个环状异钩件所选碳素钢碳含量为C＝(σ_b/σ_0.2)*K(δ₅/Ψ)＝(1276MPa/1034MPa)×5×10^-3(12％/15％)*100％＝0.39％

在一个优选的实施例中，环形薄壁件底面端部第一个环状异钩件所选碳素钢碳含量为C＝(σ_b/σ_0.2)*K(δ₅/Ψ)＝(1350MPa/1150MPa)×5×10^-3(20％/30％)*100％＝0.39％

在一个优选的实施例中，环形薄壁件底面端部第七个环状异钩件所选碳素钢碳含量为C＝(σ_b/σ_0.2)*K(δ₅/Ψ)＝(1300MPa/1100MPa)×5×10^-3(16％/22％)*100％＝0.43％

在一个优选的实施例中，环形薄壁件底面端部第十一个环状异钩件所选碳素钢碳含量为C＝(σ_b/σ_0.2)*K(δ₅/Ψ)＝(1276MPa/1034MPa)×5×10^-3(12％/15％)*100％＝0.49％

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，由于文字表达的有限性，而客观上存在无限的具体结构，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进、润饰或变化，也可以将上述技术特征以适当的方式进行组合；这些改进润饰、变化或组合，或未经改进将发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种多种合金材料组合的环状异型件的制作方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤一：对坯料依次进行加热、预锻、终锻、空冷、清理和热处理，得到薄壁环形件。

步骤二：将环形钩状件的N个构件进行固定连接，再其固定连接后的基体上将第M个3D构件的三维结构数据进行水平分层数据处理形成第M个打印数据，并根据打印数据采用3D打印方法形成第M个3D构件，得到环形钩状件。

步骤三：对薄壁环形件和环形钩状件基于应力分析进行强度性能测试，网格化所述薄壁环形件和环形钩状件，选取网格施加载荷和边界条件应力分析以得到强度数据，获得强度数据。

步骤四：基于所获取的强度数据，采用不同合金材料，重复步骤二和步骤三的操作过程，得到X个环形钩状件。

步骤五：对所述薄壁环形件的内侧部曲面和所述X个环形钩状件的第一外侧部曲面进行清洗，再进行完全贴合并固定连接。

步骤六：将步骤五形成的构件进行精加工形成多种合金材料组合的环状异型构件。

2.根据权利要求1所述一种多种合金材料组合的环状异型件的制作方法，其特征在于所述固定连接的方式为线性摩擦焊、旋压、熔焊、压焊或固态焊。

3.根据权利要求1所述一种多种合金材料组合的环状异型件的制作方法，其特征在于所述打印数据均包含分层厚度数据，将分层厚度数据设置为小于0.02mm。

4.根据权利要求1所述一种多种合金材料组合的环状异型件的制作方法，其特征在于3D打印方法为选择性激光烧结成型、选择性激光熔化成型、激光近净成型、电子束选区熔化成型或电子束熔丝沉积成型。

5.根据权利要求1所述一种多种合金材料组合的环状异型件的制作方法，其特征在于所述环形薄壁件自底面端部到环形薄壁件中间区域再到顶面端部的直径逐渐减小，所述环形钩状件具有第一侧部曲面，第一侧部曲面和环形薄壁件内壁完全贴合并将环形钩状件固定连接在环形薄壁件上，所述环形钩状件具有第二侧部曲面，第二侧部曲面任意一点到环形薄壁件中心件距离相等。

6.根据权利要求5所述一种多种合金材料组合的环状异型件的制作方法，其特征在于所述环形薄壁件底面端部的所述强度数据满足室温力学性能常规试验指标：σ_b≥1350MPa，σ_0.2≥1150MPa，δ₅≥20％，Ψ≥30％；所述环形薄壁件顶面端部的所述强度数据满足室温力学性能常规试验指标：σ_b≥1276MPa，σ_0.2≥1034MPa，δ₅≥12％，Ψ≥15％；所述环形薄壁件中间区域室温力学性能常规试验介于环形薄壁件底面端部的强度数据与环形薄壁件顶面端部的强度数据之间，呈现梯度线性状态。

7.根据权利要求1所述一种多种合金材料组合的环状异型件的制作方法，其特征在于所述X大于等2，N大于等于2，M大于等于1，且都为整数。

8.根据权利要求1所述一种多种合金材料组合的环状异型件的制作方法，其特征在于所述环状异钩件包括构件和3D构件，其合金材料选择基于所述强度数据；所述环形薄壁件自底面端部到环形薄壁件中间区域再到环形薄壁件顶面端部所连接的X个环状异钩件合金材料选用含碳量为0.15％～0.60％的碳素钢，含碳量具体满足公式：

C＝(σ_b/σ_0.2)*K(δ₅/Ψ)*100％

式中：σ_b——环形薄壁件的抗拉强度，MPa；

σ_0.2——环形薄壁件的屈服强度，MPa；

K——含碳量计算公式经验系数5×10^-3；

δ₅——断后伸长率，％；

Ψ——断面收缩率，％。

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