一种TC4合金蒙皮-框架结构的成形方法与流程

本发明涉及一种tc4合金蒙皮-框架结构的成形方法，具体属于激光增材制造
技术领域：
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背景技术：
：钛合金是20世纪50年代发展起来的一种合金材料，具有无毒、无磁、生物相容性好、可焊性好、耐低温、耐高温、高强度、低密度、比强度高、高温力学性能好、耐蚀性能好等优良的综合性能，tc4合金是最为常见的一种α+β型钛合金，具有优良的综合性能，广泛应用于航空航天、医疗、建筑、化工、体育、电力等领域。近年来，由于自然资源日渐的匮乏，怎样能保证在材料的使用性能不变的情况下，尽量减少成形零件所需的材料成为了人们所思考的问题。因此零件的轻量化被被提出来了。如今轻量化已成为航空航天、武器装备、交通运输等领域发展的重要方向，在航空航天领域减重更是进入了“克克计较”的时代。有数据表明飞机重量每减轻1%，飞机性能可提高3%~5%，航天飞机的重量每减轻1kg，其发射成本可减少1.5万美元。轻量化设计的零件是根据其受力情况去除材料本身冗余的部分（不改变材料综合性能的部分），轻量化的过程是通过计算机完成的，一般设计出来的零件形状是不规则的，很难通过传统铸造来成形，所以将新的设计理念和前沿的制造技术（选区激光熔化技术）相结合是很有必要的。选区激光熔化(selectivelasermelting，slm)技术起源于选区激光烧结(selectivelasersintering，sls)技术。选区激光烧结技术最早由deckard提出其基本原理是通过激光热源集中能量扫描加热粉床,选择性地熔化和粘合松散粉末,进行复杂形状零件的整体成形，克服了传统制造工艺中存在的成形周期长，成形质量差，后处理工序繁琐等问题。经过slm制造成形的金属零件具有成形致密度高，表面成形质量好，精度高等优点，其中成形致密度可达到近乎100%，尺寸精度可达20~50μm，具有良好的金属零件制造效率。采用slm制造的金属零件已经应用于航空航天、医疗、石油化工等领域。技术实现要素：本发明的目的是提供一种tc4合金蒙皮-框架结构的制备方法，通过选区激光熔化成形技术得到力学强度高、几何形状多样的蒙皮-框架结构。本发明一种tc4合金蒙皮-框架结构的成形方法采用选区激光熔化成形，具体步骤如下：步骤1：首先在计算机中用solidworks建立tc4合金蒙皮-框架结构的三维模型，将三维模型按20～30μm层厚切片分层；步骤2：将将步骤1切片分层中的每层tc4合金蒙皮-框架结构的三维形状数据转换成一系列二维轮廓数据，然后根据每层的二维轮廓数据确定激光束扫描的轨迹，采取上下层角度为±60℃的s行扫描方式；步骤3：通过旋振筛得到粒度小于400目的球形tc4合金粉末，并均匀地铺设在10～20mm厚的tc4基板上，tc4合金粉末铺设厚度符合步骤1中分层的厚度要求；步骤4：激光器发射的激光束按照确定的激光束扫描的轨迹对步骤3的tc4合金粉末层进行选择性熔化，完成相应的一层tc4合金蒙皮-框架结构加工；其中采用的激光功率范围为100~200w、光斑直径为30~50µm、扫描速度为0.25~1.25m/s、扫描间距为55~75µm，完成一层tc4合金蒙皮-框架结构加工；步骤5：在步骤4形成的一层tc4合金蒙皮-框架结构上再次铺设一层tc4合金粉末，tc4合金粉末铺设厚度符合步骤1中分层的厚度要求；激光器发射的激光束按照确定的激光束扫描的轨迹对tc4合金粉末层进行选择性熔化；相邻层tc4合金蒙皮-框架结构加工时，激光束扫描方向相反，其中采用的激光功率范围为100~200w、光斑直径为30~50µm、扫描速度为0.25~1.25m/s、扫描间距为55~75µm，完成相邻层tc4合金蒙皮-框架结构加工；步骤6：按照步骤5的加工方法重复进行，逐层加工tc4合金蒙皮-框架结构，最终形成完整tc4合金蒙皮-框架结构。所述的tc4合金蒙皮-框架结构为蒙皮和内部框架结构，其内部框架用单体为八边形拼凑的古钱币行结构，蒙皮厚为1~1.5mm，框架壁厚0.4~0.8mm。所述的选区激光熔化成形采用保护气氛为99.999％的高纯氩气。所述的激光器采用200w光纤激光器，激光束经聚焦镜及扫描振镜射出至tc4合金粉末上。本发明的有益效果：本发明tc4合金蒙皮-框架结构的制备方法采用逐层熔覆/增量制造的方式，通过选区激光熔化（slm）成形，制造成形的金属零件具有成形致密度高，表面成形质量好，精度高等优点，其中成形致密度可达到近乎100%，尺寸精度可达20~50μm，具有良好的金属零件制造效率，能够减少tc4合金蒙皮-框架结构的成形件存在翘曲、裂纹、气孔、致密度不均匀等缺陷，适合制备复杂的蒙皮内部的框架结构。附图说明图1为本发明tc4合金蒙皮-框架结构的示意图；图2为本发明tc4合金蒙皮-框架结构的内部单体示意图；图3为本发明tc4合金蒙皮-框架结构成形方法示意图；图4为本发明激光束扫描轨迹；图中：1、激光器；2、聚焦镜；3、扫描振镜；4、防护镜；5、保护气体；6、粉末收集箱；7、成形箱；8、粉末储藏室；9、扑粉辊子；10、成形件；11、计算机。具体实施方式下面结合附图和具体实施例对本发明所述的一种tc4合金蒙皮-框架结构的成形方法作进一步描述。实施例1tc4合金蒙皮-框架结构的制备方法采用选区激光熔化成形方法。如图1所示，以一种tc4合金蒙皮-框架结构为例，尺寸：20mm×20mm×10mm，蒙皮厚1mm，框架壁厚0.4mm。tc4合金蒙皮-框架结构的制备方法如图3所示，加工步骤如下：在计算机中用solidworks建立tc4合金蒙皮-框架结构的三维模型，将该合金结构模型按20μm层厚切片分层（分500层），从而按照各层tc4合金蒙皮-框架结构逐层加工；将每层的tc4合金蒙皮-框架结构的三维形状数据转换成一系列二维轮廓数据，然后根据每层的二维轮廓数据确定激光束扫描的轨迹（描轨迹是角度为±60℃（每一层的s行扫描轨迹的偏向方向不一样）的s行扫描方式）；通过旋振筛得到粒度小于400目的tc4球形合金粉末，化学成分表具体见表1，tc4合金粉末放入粉末储藏室（8）内，通过扑粉棍子（9）将该tc4合金粉末均匀地铺设在10mm厚的tc4合金基板上，tc4合金基板放在成形箱（7）内，tc4合金粉末铺设厚度限定在步骤1中分层的厚度要求。激光器（1）发射的激光束按照确定的激光束扫描的轨迹对tc4合金粉末层进行选择性熔化，其中采用的激光功率为100w、光斑直径为30µm、扫描速度为0.8m/s、扫描间距为55µm，完成一层tc4合金蒙皮-框架结构加工。表1本发明tc4合金粉末化学成分表，质量分数%元素honcsifevalti含量，%≤0.009≤0.16≤0.027≤0.056≤0.039≤0.1546balance成形箱（7）按照设定下降一个层厚的距离，粉末储藏室（8）按照设定上升一个层厚的距离，通过扑粉辊子（9）在形成的一层tc4合金结构上再次铺设tc4合金粉末，tc4合金粉末铺设厚度符合步骤1中分层的厚度要求；激光器发射的激光束按照确定的激光束扫描的轨迹对tc4合金粉末层进行选择性熔化，相邻层tc4合金结构加工时，激光束扫描方向相反，减小层间的应力集中，其中采用的激光功率为100w、光斑直径为30µm、扫描速度为0.8m/s、扫描间距为55µm，完成一层tc4合金蒙皮-框架结构加工。加工方法再进行上一层tc4合金蒙皮-框架结构加工，如此往复，最终形成tc4合金蒙皮-框架结构。如图4所示，为本发明的激光扫描的路径。区激光熔化成形时保护气氛为纯度为99.999％的高纯氩气。上述激光器（1）采用200w光纤激光器，激光束经聚焦镜（2）及扫描振镜（3）射出至tc合金粉末上。实施例2如图1所示，以一种tc4合金蒙皮-框架结构为例，尺寸：50mm×50mm×25mm，蒙皮厚1.5mm，框架壁厚0.8mm。tc4合金蒙皮-框架结构的制备方法如图3所示，加工具体步骤如下：首先在计算机中用solidworks建立tc4合金蒙皮-框架结构的三维模型，将该合金结构模型按30μm层厚切片分层（分834层），从而按照各层tc4合金蒙皮-框架结构逐层加工。将每层的tc4合金蒙皮-框架结构的三维形状数据转换成一系列二维轮廓数据，然后根据每层的二维轮廓数据确定激光束扫描的轨迹（描轨迹是角度为±60℃（每一层的s行扫描轨迹的偏向方向不一样）的s行扫描方式）。通过旋振筛得到粒度小于400目的tc4球形合金粉末，tc4合金粉末放入粉末储藏室（8）内，通过扑粉棍子（9）将该tc4合金粉末均匀地铺设在10mm厚的tc4合金基板上，tc4合金基板放在成形箱（7）内，tc4合金粉末铺设厚度限定在步骤1中分层的厚度要求。激光器（1）发射的激光束按照确定的激光束扫描的轨迹对tc4合金粉末层进行选择性熔化，其中采用的激光功率为200w、光斑直径为50µm、扫描速度为1.2m/s、扫描间距为75µm，完成一层tc4合金蒙皮-框架结构加工。成形箱（7）按照设定下降一个层厚的距离，粉末储藏室（8）按照设定上升一个层厚的距离，通过扑粉辊子（9）在形成的一层tc4合金结构上再次铺设tc4合金粉末，tc4合金粉末铺设厚度符合步骤1中分层的厚度要求；激光器发射的激光束按照确定的激光束扫描的轨迹对tc4合金粉末层进行选择性熔化，相邻层tc4合金结构加工时，激光束扫描方向相反，减小层间的应力集中，其中采用的激光功率为200w、光斑直径为50µm、扫描速度为1.0m/s、扫描间距为75µm，完成一层tc4合金蒙皮-框架结构加工。按照步骤4的加工方法再进行上一层tc4合金蒙皮-框架结构加工，如此往复，最终形成tc4合金蒙皮-框架结构。如图4所示，本发明激光扫描的路径。选区激光熔化成形时保护气氛为纯度为99.999％的高纯氩气。激光器采用200w光纤激光器，激光束经聚焦镜（2）及扫描振镜（3）射出至tc4合金粉末上。当前第1页12