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一种基于钛及钛 合金金属丝材的 增材制造方法

阅读：657发布：2021-03-04

专利汇可以提供一种基于钛及钛合金金属丝材的增材制造方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明属于金属成形和制造技术领域，具体涉及一种基于钛及钛合金金属丝材的增材制造方法，包括三个关键流程工艺方法，首先为高品质钛及钛合金丝材制备工艺，其次为用丝材作原料，激光作加热源的增材制造熔敷工艺，最后为钛合金部件制造过程中的组织控制和热处理工艺，完全不用钛粉末材料，彻底解决了上述问题；用钛及钛合金丝材做为原料的增材制造，对于高品质高可靠性要求的航空航天领域钛合金部件的制造有比较大促进作用。，下面是一种基于钛及钛合金金属丝材的增材制造方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种基于钛及钛合金金属丝材的增材制造方法，其特征在于包括三个关键流程工艺方法，首先为高品质钛及钛合金丝材制备工艺，其次为用丝材作原料，激光作加热源的增材制造熔敷工艺，最后为钛合金部件制造过程中的组织控制和热处理工艺；
高品质钛合金丝是制造高品质增材钛合金部件的基础，而原材料和钛合金锭的熔铸是生产钛合金丝的核心工艺；其生产工艺步骤为：①需选用超0级海绵钛和超低杂质含量的中间合金及纯金属；②根据各个钛合金牌号的具体要求配料，用液压挤压机压制成熔炼用的自耗电极块；③用等离子焊机在真空状态下组焊成自耗用电极；④根据钛合金牌号合金含量的不同，采用不同的熔炼方法：合金含量＜10%（重量百分比，下同），采用两次真空自耗电弧炉熔炼成钛锭；10%＜合金含量＜20%的钛合金，采用三次真空自耗电弧炉熔炼成钛锭；合金含量＞20%的高合金含量钛合金，为防止合金偏析，需采用两次真空自耗电弧炉＋一次真空自耗凝壳炉的熔炼方法熔炼成钛锭，熔炼成的钛合金锭除满足其主成分的合金要求外，其杂质成分的要求必须控制在O＜0.08%，N＜0.002%，H＜0.001%,C＜0.002%.本发明有加入≦0.005%的细化晶粒的元素；
熔炼成的钛合金锭按其牌号的要求进行热锻开坯，热轧盘圆，修磨，冷拉，真空退火一系列正常工序加工成φ2的钛合金软态盘丝；
本发明根据制造的钛合金零部件的大小和精度不同，需要生产0.01＜φ＜1.0的钛合金丝才能满足工艺要求；
需在滚模拉伸机（轧丝机）上，以φ2盘丝为原料进一步加工；以自制的氩气保护连续加热设备在轧丝机上温拉（轧）为工艺要点，温度控制依据其钛合金的相变点不同而不同，
600℃——950℃；
成品丝要无应力状态丝，表面光滑无污染物，绕制在自动送丝机用的轴盘上；
选择以激光作为热源是因为其熔化速度快，稳定，热敷成形热影响区小，钛合金部件变形小这些优点；当然，也可以用电子束，等离子，电弧作为热源进行以丝材为原料的增材制造成形，各有其优缺点；本发明只以激光作热源工艺技术进行说明；本发明使用的激光熔敷成形机是以外购的能自动送丝的激光源为基础，改制成的，工作台行程尺寸为
200×200×300，控制及切片软件为自主研发；
本发明以丝材为原料激光熔敷成形的技术工艺过程为①把待制造的钛合金部件图纸进行数字化处理切片，编程②根据钛合金的牌号，组织特点，热力学数据和该部件的结构特点建立凝固温度场数字模型，选用合理的钛丝规格和熔敷速度③选取激光机的电压，电流和光学参数④调定激光熔敷部位保护气体的流量压力⑤调定成形的钛合金金属部件包护套的保护气体的流量和压力⑥开始热敷成形；
对于钛合金的近成形增材制造来说，无论是原料是金属粉末还是丝材，钛合金零部件组织的控制对其常温机械性能和高温性能，疲劳性能，断裂韧性，冲击韧性都有决定性影响，成形过程中形成的应力分布和残余应力对钛合金部件的变形，开裂有重要影响；这也是增材制造生产高品质部件必须解决的问题；本发明上述问题的解决方案为：①严格控制钛合金丝的低间隙杂质元素O,N,H,C的含量；②填加微量的细化晶粒的元素，控制晶粒长大；
③根据钛合金牌号的相变点，在凝固和冷却过程中，调整气体保护的温度，气压，流量，使其固溶处理温度范围内保证冷却速度，特别是对于组织α＋β，近β和β型钛合金部件更是非常必要；④控制熔敷速度，不同的部位，热量散发的速度不同，熔敷速度也要有区别；
⑤根据不同钛合金部件凝固过程的温度场模型和壁厚尺寸，确定熔敷部件的前后顺序，使其应力分布更均匀，减少残余应力的聚集。

说明书全文

一种基于钛及钛 合金金属丝材的 增材制造方法

技术领域

[0001] 本发明属于金属成形和制造技术领域，具体涉及一种基于钛及钛合金金属丝材的增材制造方法。

背景技术

[0002] 金属的近净成形技术一般包括：铸造（精密铸造），等温锻造，粉末冶金制造方法，属于减材制造，近年来快速发展的是金属增材制造技术（金属3D打印）是近净成形技术的热门研究领域;钛及钛合金增材制造技术更是国内外研究的重点，国内以北京航空航天大学，西北工业大学为主的大专院校和科研院所在这个领域取得了很大成果，有一些钛合金部件已经成功应用在重点型号的飞机和火箭上；但是，国内外用的近净成形增材制造的原材料都是钛合金的粉末，用钛及钛合金粉末作为原材料有以下缺点：①钛合金粉末生产困难。钛及钛合金按组织分为α，近α，α+β，近β，β型钛合金，国内现在α型钛—纯钛粉末已经能够稳定生产外，其它型号钛合金粉末由于生产钛合金粉末技术工艺和设备水平的限制尚不能稳定生产；由于用于增材制造的钛合金粉末成分要求严格，粒度和形状对制造工艺有决定性影响，钛合金部件大多用在航空航天等重要领域，机械性能要求高，需要稳定和超低间隙杂质元素含量的钛合金粉末，而钛合金粉末化学活性高，比表面积大，生产技术很难突破；②原材料来源受限：国内主要用于增材制造使用的TC4(Ti-6Al-4V, α+β型)钛合金粉末还需要进口，价格昂贵，成本高。特别是对于用在航空航天发动机上的耐高温钛合金和高强度高韧性的结构钛合金粉末，属于高度敏感材料，几乎无进口可能性。这也是我国没有大面积应用增材制造钛合金部件的原因；α型纯钛粉末国内一些单位虽然可以稳定生产，但其主要制品主要应用在民用耐腐蚀领域，和其它近净成形技术比，价格明显没有优势。③粉末利用率问题。用钛及钛合金粉末增材制造过程中，不可避免的要有一部分粉末要损耗掉，不能再利用，造成成本进一步增加。

发明内容

[0003] 针对上述存在的问题，本发明提供一种基于钛及钛合金金属丝材的增材制造方法。

[0004] 本发明的基于钛及钛合金金属丝材的增材制造方法，要点在于包括三个关键流程工艺方法，首先为高品质钛及钛合金丝材制备工艺，其次为用丝材作原料，激光作加热源的增材制造熔敷工艺，最后为钛合金部件制造过程中的组织控制和热处理工艺。

[0005] 高品质钛合金丝是制造高品质增材钛合金部件的基础，而原材料和钛合金锭的熔铸是生产钛合金丝的核心工艺；其生产工艺步骤为：①需选用超0级海绵钛和超低杂质含量的中间合金及纯金属；②根据各个钛合金牌号的具体要求配料，用液压挤压机压制成熔炼用的自耗电极块；③用等离子焊机在真空状态下组焊成自耗用电极；④根据钛合金牌号合金含量的不同，采用不同的熔炼方法：合金含量＜10%（重量百分比，下同），采用两次真空自耗电弧炉熔炼成钛锭；10%＜合金含量＜20%的钛合金，采用三次真空自耗电弧炉熔炼成钛锭；合金含量＞20%的高合金含量钛合金，为防止合金偏析，需采用两次真空自耗电弧炉＋一次真空自耗凝壳炉的熔炼方法熔炼成钛锭，熔炼成的钛合金锭除满足其主成分的合金要求外，其杂质成分的要求必须控制在O＜0.08%，N＜0.002%，H＜0.001%,C＜0.002%.本发明有加入≦0.005%的细化晶粒的元素；熔炼成的钛合金锭按其牌号的要求进行热锻开坯，热轧盘圆，修磨，冷拉，真空退火一系列正常工序加工成φ2的钛合金软态盘丝。本发明根据制造的钛合金零部件的大小和精度不同，需要生产0.01＜φ＜1.0的钛合金丝才能满足工艺要求。需在滚模拉伸机（轧丝机）上，以φ2盘丝为原料进一步加工；以自制的氩气保护连续加热设备在轧丝机上温拉（轧）为工艺要点，温度控制依据其钛合金的相变点不同而不同，600℃——950℃。成品丝要无应力状态丝，表面光滑无污染物，绕制在自动送丝机用的轴盘上。

[0006] 选择以激光作为热源是因为其熔化速度快，稳定，热敷成形热影响区小，钛合金部件变形小这些优点；当然，也可以用电子束，等离子，电弧作为热源进行以丝材为原料的增材制造成形，各有其优缺点；本发明只以激光作热源工艺技术进行说明；本发明使用的激光熔敷成形机是以外购的能自动送丝的激光源为基础，改制成的，工作台行程尺寸为200×200×300，控制及切片软件为自主研发。

[0007] 本发明以丝材为原料激光熔敷成形的技术工艺过程为①把待制造的钛合金部件图纸进行数字化处理切片，编程②根据钛合金的牌号，组织特点，热力学数据和该部件的结构特点建立凝固温度场数字模型，选用合理的钛丝规格和熔敷速度③选取激光机的电压，电流和光学参数④调定激光熔敷部位保护气体的流量压力⑤调定成形的钛合金金属部件包护套的保护气体的流量和压力⑥开始热敷成形。

[0008] 对于钛合金的近成形增材制造来说，无论是原料是金属粉末还是丝材，钛合金零部件组织的控制对其常温机械性能和高温性能，疲劳性能，断裂韧性，冲击韧性都有决定性影响，成形过程中形成的应力分布和残余应力对钛合金部件的变形，开裂有重要影响；这也是增材制造生产高品质部件必须解决的问题；本发明上述问题的解决方案为：①严格控制钛合金丝的低间隙杂质元素O,N,H,C的含量；②填加微量的细化晶粒的元素，控制晶粒长大；③根据钛合金牌号的相变点，在凝固和冷却过程中，调整气体保护的温度，气压，流量，使其固溶处理温度范围内保证冷却速度，特别是对于组织α＋β，近β和β型钛合金部件更是非常必要；④控制熔敷速度，不同的部位，热量散发的速度不同，熔敷速度也要有区别。⑤根据不同钛合金部件凝固过程的温度场模型和壁厚尺寸，确定熔敷部件的前后顺序，使其应力分布更均匀，减少残余应力的聚集。

[0009] 本发明的有益效果是：本发明完全不用钛粉末材料，彻底解决了上述问题；用钛及钛合金丝材做为原料的增材制造，对于高品质高可靠性要求的航空航天领域钛合金部件的制造有比较大促进作用，对复杂形体的单件小批量人体置入物和其他民用钛合金产品也有较高的应用价值。附图说明

[0010] 图1为本发明的高品质钛及钛合金丝材制备工艺流程框图；图2为本发明的钛合金部件制造过程中的组织控制和热处理工艺流程框图。

具体实施方式

[0011] 下面结合附图对本发明做进一步说明。

[0012] 本发明的基于钛及钛合金金属丝材的增材制造方法，包括三个关键流程工艺方法，首先为高品质钛及钛合金丝材制备工艺，其次为用丝材作原料，激光作加热源的增材制造熔敷工艺，最后为钛合金部件制造过程中的组织控制和热处理工艺。

[0013] 高品质钛合金丝是制造高品质增材钛合金部件的基础，而原材料和钛合金锭的熔铸是生产钛合金丝的核心工艺；其生产工艺步骤为：①需选用超0级海绵钛和超低杂质含量的中间合金及纯金属；②根据各个钛合金牌号的具体要求配料，用液压挤压机压制成熔炼用的自耗电极块；③用等离子焊机在真空状态下组焊成自耗用电极；④根据钛合金牌号合金含量的不同，采用不同的熔炼方法：合金含量＜10%（重量百分比，下同），采用两次真空自耗电弧炉熔炼成钛锭；10%＜合金含量＜20%的钛合金，采用三次真空自耗电弧炉熔炼成钛锭；合金含量＞20%的高合金含量钛合金，为防止合金偏析，需采用两次真空自耗电弧炉＋一次真空自耗凝壳炉的熔炼方法熔炼成钛锭，熔炼成的钛合金锭除满足其主成分的合金要求外，其杂质成分的要求必须控制在O＜0.08%，N＜0.002%，H＜0.001%,C＜0.002%.本发明有加入≦0.005%的细化晶粒的元素；熔炼成的钛合金锭按其牌号的要求进行热锻开坯，热轧盘圆，修磨，冷拉，真空退火一系列正常工序加工成φ2的钛合金软态盘丝。本发明根据制造的钛合金零部件的大小和精度不同，需要生产0.01＜φ＜1.0的钛合金丝才能满足工艺要求。需在滚模拉伸机（轧丝机）上，以φ2盘丝为原料进一步加工；以自制的氩气保护连续加热设备在轧丝机上温拉（轧）为工艺要点，温度控制依据其钛合金的相变点不同而不同，600℃——950℃。成品丝要无应力状态丝，表面光滑无污染物，绕制在自动送丝机用的轴盘上。

[0014] 选择以激光作为热源是因为其熔化速度快，稳定，热敷成形热影响区小，钛合金部件变形小这些优点；当然，也可以用电子束，等离子，电弧作为热源进行以丝材为原料的增材制造成形，各有其优缺点；本发明只以激光作热源工艺技术进行说明；本发明使用的激光熔敷成形机是以外购的能自动送丝的激光源为基础，改制成的，工作台行程尺寸为200×200×300，控制及切片软件为自主研发。

[0015] 本发明以丝材为原料激光熔敷成形的技术工艺过程为①把待制造的钛合金部件图纸进行数字化处理切片，编程②根据钛合金的牌号，组织特点，热力学数据和该部件的结构特点建立凝固温度场数字模型，选用合理的钛丝规格和熔敷速度③选取激光机的电压，电流和光学参数④调定激光熔敷部位保护气体的流量压力⑤调定成形的钛合金金属部件包护套的保护气体的流量和压力⑥开始热敷成形。

[0016] 对于钛合金的近成形增材制造来说，无论是原料是金属粉末还是丝材，钛合金零部件组织的控制对其常温机械性能和高温性能，疲劳性能，断裂韧性，冲击韧性都有决定性影响，成形过程中形成的应力分布和残余应力对钛合金部件的变形，开裂有重要影响；这也是增材制造生产高品质部件必须解决的问题；本发明上述问题的解决方案为：①严格控制钛合金丝的低间隙杂质元素O,N,H,C的含量；②填加微量的细化晶粒的元素，控制晶粒长大；③根据钛合金牌号的相变点，在凝固和冷却过程中，调整气体保护的温度，气压，流量，使其固溶处理温度范围内保证冷却速度，特别是对于组织α＋β，近β和β型钛合金部件更是非常必要；④控制熔敷速度，不同的部位，热量散发的速度不同，熔敷速度也要有区别。⑤根据不同钛合金部件凝固过程的温度场模型和壁厚尺寸，确定熔敷部件的前后顺序，使其应力分布更均匀，减少残余应力的聚集。

[0017] 高尔夫球头一号木杆头为钛合金，由于球头上盖、下底和打击面，机械性能和成型性要求不同；因此钛合金牌号不同，打击面材料由于所受冲击力很大，需要材料的冲击韧性和硬度要求比较高，最高级的球头打击面材料为β型钛合金；上盖为α+β型钛合金，下底为近α型钛合金；传统的制造方法无法制造，只能用“3D打印”增材制造方法生产，各部分用不同牌号的钛合金丝材激光熔敷成形。

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