一种钛合金薄壁构件激光增材制造成形方法与流程

本发明涉及一种钛合金薄壁构件激光增材制造成形方法，特别涉及一种多分支、薄壁钛合金结构的制备方法，是基于激光选区熔化成形和激光熔覆技术的结构制备方法，所述的薄壁是指钛合金的厚度不大于5mm，尤其适用于壁厚为2-4mm的钛合金结构的成形，属于钛合金结构的加工成形技术领域。

背景技术：

航天器上采用了大量复杂薄壁轻量化的钛合金次承力结构件，主要特点包括：薄壁结构，外形复杂，种类多样，尺寸稳定性及力学性能要求高，产品安装面空间角度等尺寸精度要求高。

目前，一般采用传统制造工艺“铸造+机械加工”，铸件质量不易控制，星敏钛合金支撑结构的铸造周期4-6个月，铸造完成后，经测量，支撑筒1轴线与X轴角度偏差0.8°、设备支撑筒1轴线与Y轴角度偏差0.8°、设备支撑筒1轴线与Z轴角度偏差0.23°(图纸要求±0.05°)，其它两个支撑筒与3个坐标轴线角度合格。由角度超差引起的结构尺寸变化已全部“吃”掉了铸造余量，导致产品报废。此外，钛合金铸造精度有限(精度依靠留余量，机械加工保证)，铸件壁厚必须大于5mm，后续机械加工量大，由于存在无法切削加工的区域(分支腔体内侧壁)，导致产品无法满足重量要求。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是：克服传统制造工艺铸件质量不易控制、研制周期长、铸造精度有限等缺点，提供一种钛合金薄壁构件激光增材制造成形方法，该方法能够解决尺寸稳定性问题。

本发明的技术解决方案是：

一种钛合金薄壁构件激光增材制造成形方法，所述的钛合金薄壁构件包括三个圆筒组合成的支撑筒和板状结构的底部支架，首先对支撑筒采用激光选区熔化成形，对底部支架采用激光选区熔化成形，然后通过激光熔覆方法把支撑筒和底部支架连连接为一个整体；

该方法的步骤包括：

(1)采用激光选区熔化成形的方法成形底部支架，成形时的工艺参数为：激光功率为300-370W，光斑直径为0.05-0.1mm，扫描速度为1000-1500mm/s，铺粉厚度为0.02-0.05mm，成形结束后得到带有基板和支撑的底部支架；

(2)采用激光选区熔化成形的方法成形支撑筒，成形时的工艺参数为：激光功率为300-370W，光斑直径为0.05-0.1mm，扫描速度为1000-1500mm/s，铺粉厚度为0.02-0.05mm，成形结束后得到带有基板和支撑的支撑筒；

(3)对步骤(1)得到的带有基板和支撑的底部支架和步骤(2)得到的带有基板和支撑的支撑筒同时进行热处理，热处理的工艺参数为：温度为780-820℃，保温时间为2-4h，工作压强不大于6.7×10^-2Pa，保温结束后随炉冷却；

(4)将步骤(3)热处理后的底部支架和支撑筒进行线切割，去除基板，得到仅带有支撑的底部支架和支撑筒；

(5)去除底部支架和支撑筒的支撑，得到底部支架和支撑筒，并对底部支架和支撑筒表面进行打磨、喷砂处理；

(6)将底部支架和支撑筒先采用工装进行机械固定，然后采用激光熔覆的方法进行连接，激光熔覆的工艺参数为：激光功率为400-500W，光斑直径为0.05-0.2mm，扫描速度为1000-1800mm/min，层厚0.05-0.1mm，激光熔覆结束后再将机械连接时采用的工装去除，得到钛合金整体构件。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)传统制造工艺采用“铸造+机械加工”，制造周期长达4-6个月，铸件质量不易控制，零件的废品率(次品率)较高，且铸件壁厚必须大于5mm，后续机械加工量大。本发明采取上述技术方案后，获得的钛合金复杂薄壁构件壁厚达到4mm，尺寸精度达到0.1mm，制造周期缩短了50％；

(2)采用上述制造技术可以满足复杂薄壁壳体结构件高精度、高性能制造需求。

附图说明

图1为钛合金构件中支撑筒的结构示意图；

图2为钛合金构件中底部支架的结构示意图；

图3为支撑筒与底部支架连接成的钛合金整体构件的结构示意图。

具体实施方式

一种钛合金薄壁构件激光增材制造成形方法，所述的钛合金薄壁构件包括三个圆筒组合成的支撑筒和板状结构的底部支架。首先对支撑筒采用激光选区熔化成形，对底部支架采用激光选区熔化成形，然后通过激光熔覆方法把支撑筒和底部支架连接为一个整体。

该方法的步骤包括：

(1)采用激光选区熔化成形的方法成形底部支架，成形时的工艺参数为：激光功率为300-370W，光斑直径为0.05-0.1mm，扫描速度为1000-1500mm/s，铺粉厚度为0.02-0.05mm，成形结束后得到带有基板和支撑的底部支架；

(2)采用激光选区熔化成形的方法成形支撑筒，成形时的工艺参数为：激光功率为300-370W，光斑直径为0.05-0.1mm，扫描速度为1000-1500mm/s，铺粉厚度为0.02-0.05mm，成形结束后得到带有基板和支撑的支撑筒；

(3)对步骤(1)得到的带有基板和支撑的底部支架和步骤(2)得到的带有基板和支撑的支撑筒同时进行热处理，热处理的工艺参数为：温度为780-820℃，保温时间为2-4h，工作压强不大于6.7×10^-2Pa，保温结束后随炉冷却；

(4)将步骤(3)热处理后的底部支架和支撑筒进行线切割，去除基板，得到仅带有支撑的底部支架和支撑筒；

(5)去除底部支架和支撑筒的支撑，得到底部支架和支撑筒，并对底部支架和支撑筒表面进行打磨、喷砂处理；

(6)将底部支架和支撑筒先采用工装进行机械固定，然后采用激光熔覆的方法进行连接，激光熔覆的工艺参数为：激光功率为400-500W，光斑直径为0.05-0.2mm，扫描速度为1000-1800mm/min，层厚0.05-0.1mm，激光熔覆结束后再将机械连接时采用的工装去除，得到钛合金整体构件。

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

实施例1

一种钛合金薄壁构件激光增材制造成形方法，如图1～3所示，所述的钛合金薄壁构件包括三个圆筒组合成的支撑筒和板状结构的底部支架，该方法的步骤包括：

(1)采用激光选区熔化成形的方法分别成形底部支架和支撑筒，成形时的工艺参数均为：激光功率为350W，光斑直径为0.08mm，扫描速度为1100mm/s，铺粉厚度为0.03mm；

(2)对带有基板和支撑的底部支架和带有基板和支撑的支撑筒同时进行热处理，热处理的工艺参数为：温度为800℃，保温时间为2.5h，工作压强1×10^-3Pa，保温结束后随炉冷却；

(3)将热处理后的底部支架和支撑筒进行线切割，去除基板，得到仅带有支撑的底部支架和支撑筒；

(4)去除底部支架和支撑筒的支撑，得到底部支架和支撑筒，并对底部支架和支撑筒表面进行打磨、喷砂处理；

(5)将底部支架和支撑筒先采用工装进行机械固定，然后采用激光熔覆的方法进行连接，激光熔覆的工艺参数为：激光功率为420W，光斑直径为0.12mm，扫描速度为1400mm/min，层厚0.06mm，激光熔覆结束后再将机械连接时采用的工装去除，得到钛合金整体构件。

对得到的钛合金构件进行机械性能测试，其随炉试棒按照GB/T228.1-2010进行测试，测试结果为：抗拉强度达到1140MPa；硬度试验按照GB/T231.1-2009进行检测，测试结构为365HV；表面粗糙度检测结果为Ra4.62；制造精度达到0.1mm/100mm。

实施例2

(1)采用激光选区熔化成形的方法分别成形底部支架和支撑筒，成形时的工艺参数均为：激光功率为360W，光斑直径为0.07mm，扫描速度为1200mm/s，铺粉厚度为0.04mm；

(2)对带有基板和支撑的底部支架和带有基板和支撑的支撑筒同时进行热处理，热处理的工艺参数为：温度为810℃，保温时间为2h，工作压强1×10^-3Pa，保温结束后随炉冷却；

(3)将热处理后的底部支架和支撑筒进行线切割，去除基板，得到仅带有支撑的底部支架和支撑筒；

(4)去除底部支架和支撑筒的支撑，得到底部支架和支撑筒，并对底部支架和支撑筒表面进行打磨、喷砂处理；

(5)将底部支架和支撑筒先采用工装进行机械固定，然后采用激光熔覆的方法进行连接，激光熔覆的工艺参数为：激光功率为430W，光斑直径为0.13mm，扫描速度为1450mm/min，层厚0.07mm，激光熔覆结束后再将机械连接时采用的工装去除，得到钛合金整体构件。

对得到的钛合金构件进行机械性能测试，其随炉试棒按照GB/T228.1-2010进行测试，测试结果为：钛合金构件的抗拉强度达到1150MPa；硬度试验按照GB/T231.1-2009进行检测，测试结构为369HV；表面粗糙度检测结果为Ra4.12；制造精度达到0.1mm/100mm。