CN115815620A - 一种钛及钛合金型材增-等材制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于钛合金增材等材制造领域，具体涉及一种钛及钛合金型材增‑等材制造方法。本发明在现有技术的基础上提出一种用于改善传统钛合金型材制造效率和产量低下的方法。通过前置的钛合金型材增材制造工艺来制造半成型钛合金型材构件，以替代传统熔铸的方式，极大地提升工业生产效率，缩短生产周期和生产成本；再利用预制模具对增材后的型材进行挤压最终成型，得到尺寸合适，致密性良好的钛合金型材成型件。
Description
技术领域
本发明属于钛合金增材等材制造领域，具体涉及一种钛及钛合金型材增-等材制造方法。
背景技术
近年来，随着航空航天事业的快速发展，航空航天用钛合金材料的需求也逐年增加。钛合金型材其中壁厚小于3mm、尺寸规格小于50×50mm的异型(如T型、L型、直角、非直角、U型、Z型等)小截面薄壁钛合金型材产品的制造工艺研究也逐渐引起关注。
目前航空航天工业用的小截面薄壁钛合金型材来源分为两种，一种为国内生产，首先通过挤压加工，生产出尺寸尽量相近的常规型材(一般壁厚大于或等于3mm)，再通过机械加工的方法，将多余的壁厚去除，得到相关型材产品；另一种为从国外进口相关小截面薄壁钛合金型材产品。
由于钛合金传热传质特性，在机械加工过程中具有变形抗力大、塑性低、屈服强度和抗拉强度比高、回弹打、对缺口敏感、变形过程易与模具粘结、高温加热时易氧化等特点，钛合金塑性加工比钢、铜和铝困难。目前，在钛合金型材工业生产过程中，熔炼铸造所需的能量损耗大，导致生产成本较大，生产周期长。但上述方法是直接熔铸钛及钛合金加挤压工艺联合制造，通过改善工艺无法从根本上解决生产成本高、生产周期长的弊端。
上述两种来源方式中，第一种方式首先对成本很高的稀有钛合金材料造成巨大浪费，另外其效率和产量极其低下，限制了相关行业的发展，已基本被市场所淘汰；而第二种方式，进口产品除开本身价格昂贵之外，还容易受到制约，对相关行业发展造成隐患。
发明内容
本发明目的在于提供一种用于钛及钛合金型材高效制造方法，利用短流程增材工艺替代传统铸锻工艺，降低钛及钛合金型材制造难度与制造成本，缩短制造周期。
为了实现上述目的，本发明的提供一种钛及钛合金型材增-等材制造方法，包括如下步骤：
S1：将金属粉末进行激光增材制造，冷却，得到增材制造钛合金型材半成型构件；所述金属粉末为钛或钛合金；
S2：将所述增材制造钛合金型材半成型构件预热后于模具中进行热挤压，得到增材挤压型材；
S3：将所述增材挤压型材进行切屑加工和打磨，得到所需钛合金型材。
优选的，所述步骤S1中，激光增材制造在惰性气氛下进行。
进一步地，所述惰性气氛为氩气气氛。
具体的，所述步骤S1中，将钛合金粉末装入送粉器中，充氩气抽真空至氧含量200ppm以下，打开风扇洗气半小时，送粉器开始送粉，同时打开激光器，开始打印样品件。打印完冷却30min，即得到增材制造钛合金型材。
优选的，所述步骤S1中，激光增材制造的氧含量在200ppm以下。
优选的，所述步骤S1中，激光增材制造的送粉速率为5-7g/min。
优选的，所述步骤S1中，激光增材制造的激光功率为1200-1500W。
优选的，所述步骤S1中，冷却的温度为室温。
优选的，所述步骤S1中，金属粉末的粒径为53-150μm。
优选的，所述步骤S2中，预热的温度为150-250℃。
优选的，所述步骤S2中，热挤压的压缩比为3-30。
优选的，所述步骤S2中，热挤压的挤压速度为80-130mm/s。
具体的，所述热挤压的步骤为：将利用增材制造好的钛合金型材成型件放入预制模具中进行挤压轧制过程，得到形状和尺寸较吻合的成型构件。即得到所需的增材制造钛合金型材。
本发明的技术方案相比现有技术具有以下优点：
根据本发明的公开一种旨在提升钛及钛合金型材制造效率的方法，并在此基础上提出一种用于改善传统钛合金型材制造效率和产量低下的方法。通过前置的钛合金型材增材制造工艺来制造半成型钛合金型材构件，以替代传统熔铸的方式，极大地提升工业生产效率，缩短生产周期和生产成本；再利用预制模具对增材后的型材进行挤压最终成型，得到尺寸合适，致密性良好的钛合金型材成型件。
附图说明
附图不意在按比例绘制。在附图中，在各个图中示出每个相同或近似相同的组成部分可以用相同的标号表示。为了清晰起见，在每个图中，并非每个组成部分均被标记。现在，将通过例子并参考附图来描述本发明的各个方面的实施例，其中：
图1为激光熔化沉积制造钛合金型材示意图。
图2为增材后的半成型件放入模具中进行挤压成型的流程示意图。
附图标记说明：1-激光器，2-运动控制***，3-工作台，4-基板，5-透镜，6-送粉器，7-激光束，8-聚焦镜，9-送粉喷嘴，10-粉末材料，11-保护气，12-成型件。
具体实施方式
为了更了解本发明的技术内容，特举具体实施例并配合所附图式说明如下。
在本公开中参照附图来描述本发明的各方面，附图中示出了许多说明的实施例。本公开的实施例不一定意在包括本发明的所有方面。应当理解，上面介绍的多种构思和实施例，以及下面更加详细地描述的那些构思和实施方式可以以很多方式中任意一种来实施，这是因为本发明所公开的构思和实施例并不限于任何实施方式。另外，本发明公开的一些方面可以单独使用，或者与本发明公开的其他方面的任何适当组合来使用。
实施例1
1)将TC4钛合金粉末进行激光增材制造，将TC4粉末倒入送粉器6中，开启电源开始充入氩气的保护气11，直到舱内的氧含量降低至200ppm以下，随后打开风扇进行洗气工作，半小时后开始运行程序打印钛合金型材工件，所用的激光器1的激光功率为1500W，送粉喷嘴9的送粉速率为6g/min，所用TC4钛合金粉末的粉末材料10的平均粒径为53μm。打印完成后冷却半小时，即得到增材制造钛合金型材半成型构件，即成型件12。
2)将通过激光增材制造得到的钛合金型材半成型构件放入预制模具中进行挤压过程。具体工艺为：准备包套空腔，并将空腔尺寸按所需最终制品尺寸加挤压系数确定；把激光增材制造得到的钛合金型材装入空腔，装套。包套的抽空、排气和密封；在预热温度为200℃和挤压比为15进行挤压，挤压速度为100mm/s；剥离包套。
3)将步骤2)中得到的增材挤压TC4钛合金型材进行切屑加工和打磨过程，即得到所需钛合金型材。
实施例2
1)将TC4钛合金粉末进行激光增材制造，将TC4粉末送入，开启电源开始充入氩气保护气，直到舱内的氧含量降低至200ppm以下，随后打开风扇进行洗气工作，半小时后开始运行程序打印钛合金型材工件，所用的激光功率为1200W，送粉速率为5g/min，所用TC4钛合金粉末的平均粒径为53μm。打印完成后冷却半小时，即得到增材制造钛合金型材半成型构件。
2)将通过激光增材制造得到的钛合金型材半成型构件放入预制模具中进行挤压过程。具体工艺为：准备包套空腔，并将空腔尺寸按所需最终制品尺寸加挤压系数确定；把激光增材制造得到的钛合金型材装入空腔，装套。包套的抽空、排气和密封；在预热温度为150℃和挤压比为3进行挤压，挤压速度为80mm/s；剥离包套。
3)将步骤2)中得到的增材挤压TC4钛合金型材进行切屑加工和打磨过程，即得到所需钛合金型材。
实施例3
1)将TC4钛合金粉末进行激光增材制造，将TC4粉末送入，开启电源开始充入氩气保护气，直到舱内的氧含量降低至200ppm以下，随后打开风扇进行洗气工作，半小时后开始运行程序打印钛合金型材工件，所用的激光功率为1500W，送粉速率为7g/min，所用TC4钛合金粉末的平均粒径为150μm。打印完成后冷却半小时，即得到增材制造钛合金型材半成型构件。
2)将通过激光增材制造得到的钛合金型材半成型构件放入预制模具中进行挤压过程。具体工艺为：准备包套空腔，并将空腔尺寸按所需最终制品尺寸加挤压系数确定；把激光增材制造得到的钛合金型材装入空腔，装套。包套的抽空、排气和密封；在预热温度为250℃和挤压比为30进行挤压，挤压速度为130mm/s；剥离包套。
3)将步骤2)中得到的增材挤压TC4钛合金型材进行切屑加工和打磨过程，即得到所需钛合金型材。
对比例1
1)将海绵钛、铝钒以及铝颗粒按照元素质量分数Ti为89～91％,Al为5～7％，V为3～5％的比例作为原料进行配比；
2)将步骤1)中配比好的原料混合均匀进行压块、烘干，然后采用真空等离子焊接方式制备成电极，使用真空自耗电极进行2次及以上的熔炼，形成铸锭；
3)将2)中得到的TC4铸锭放入预制模具中进行挤压过程。具体工艺为：准备包套空腔，并将空腔尺寸按所需最终制品尺寸加挤压系数确定；把步骤2)中得到的TC4铸锭装入空腔，装套。包套的抽空、排气和密封；在预热温度为200℃和挤压比为15进行挤压；剥离包套。
4)将步骤3)中得到的铸造挤压TC4钛合金型材进行切屑加工和打磨表面过程，即得到所需的钛合金型材。
效果评价1
以上实施例1和2中采用的钛合金粉末与铸锭的成分与配比采用统一牌号，成分表如下表1所示：
表1
| Ti | Fe | C | N | H | O | Al | V | |
| 实际成分 | 余料 | 0.30 | 0.10 | 0.05 | 0.015 | 0.20 | 5.5-6.8 | 3.5-4.5 |
经过测试以上实施例1和对比例1的方式制备出TC4钛合金型材最终得到的钛合金冶金组织的力学性能，如表2所示：
表2
| 编号 | σ<sub>b</sub>/MPa | τ/MPa |
| 实施例1 | 1098 | 921 |
| 实施例2 | 912 | 865 |
结合以上实施例1、2的工艺处理，相对于实施例1来说，实施例2中，对钛合金原材料的制备方式不同，不用激光增材制造工艺，采用传统熔炼的方式，即利用真空自耗电极熔炼出TC4钛合金原材料，这导致了TC4型材原材料的成本与加工周期大大增加，然而性能相对也较差。
结合图1和图2所示，本发明通过对钛合金型材制备方式联合调控，使钛合金型材的性能达到优异的综合性能的前提下，大大缩减了制造周期与成本(一般情况下传统铸造工艺的工业制造周期是激光增材制造工艺的10倍)。从而实现钛及钛合金型材高效短流程制造，真正拓宽钛合金的增-等材联合制造水平，为未来钛及钛合金型材在增材制造方面提供有力发展。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。
Claims (10)
1.一种钛及钛合金型材增-等材制造方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1：将金属粉末进行激光增材制造，冷却，得到增材制造钛合金型材半成型构件；所述金属粉末为钛或钛合金；
S2：将所述增材制造钛合金型材半成型构件预热后于模具中进行热挤压，得到增材挤压型材；
S3：将所述增材挤压型材进行切屑加工和打磨，得到所需钛合金型材。
2.如权利要求1所述的钛及钛合金型材增-等材制造方法，其特征在于，所述步骤S1中，激光增材制造在惰性气氛下进行。
3.如权利要求2所述的钛及钛合金型材增-等材制造方法，其特征在于，所述惰性气氛为氩气气氛。
4.如权利要求1所述的钛及钛合金型材增-等材制造方法，其特征在于，所述步骤S1中，激光增材制造的送粉速率为5-7g/min。
5.如权利要求1所述的钛及钛合金型材增-等材制造方法，其特征在于，所述步骤S1中，激光增材制造的激光功率为1200-1500W。
6.如权利要求1所述的钛及钛合金型材增-等材制造方法，其特征在于，所述步骤S1中，冷却的温度为室温。
7.如权利要求1所述的钛及钛合金型材增-等材制造方法，其特征在于，所述步骤S1中，金属粉末的粒径为53-150μm。
8.如权利要求1所述的钛及钛合金型材增-等材制造方法，其特征在于，所述步骤S2中，预热的温度为150-250℃。
9.如权利要求1所述的钛及钛合金型材增-等材制造方法，其特征在于，所述步骤S2中，热挤压的压缩比为3-30。
10.如权利要求1所述的钛及钛合金型材增-等材制造方法，其特征在于，所述步骤S2中，热挤压的挤压速度为80-130mm/s。
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Non-Patent Citations (1)
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| 四川省金属学会等编: "《钛-让世界更精彩》", 30 June 2018, 四川科学技术出版社, pages: 100 - 102 * |
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