钛合金同步送粉增材制造技术研究

发布时间：2020-08-08 12:31

【摘要】：激光增材制造技术是通过CAD数据采用材料逐渐累加的方法制造实体零件的技术,相对于传统的材料去除-切削加工技术,是一种“自下而上”的制造方法。作为一种典型的金属增材制造技术,凭借高效、高性能的优势,成为钛合金复杂零部件直接成形的重要手段,目前已成为激光加工技术中备受瞩目的技术,在飞机制造、重型机械等领域中均有广泛的应用。本文采用4kW光纤耦合半导体激光器对TC4钛合金进行了激光增材制造试验。主要研究了激光功率、扫描速度、送粉速度对沉积层表面形貌、熔高及熔宽的影响规律,在获得单道最佳工艺参数的基础上,通过改变搭接率进行多道试验,获得了表面良好、满足工艺要求的沉积层。采用最佳工艺参数,制备了拉伸试样,并对试样进行不同温度的正火处理,采用万能拉伸试验机对最佳工艺参数下的试样进行拉伸试验。通过金相显微镜、扫描电子显微镜(SEM)、X-射线衍射仪(XRD)对沉积层的组织结构及相组成进行了分析,主要获得如下结论。试验结果表明,单道沉积时的最佳工艺参数为激光功率P=2200W、扫描速度Vs=800mm/min、粉盘转速Vp=0.9r/min,通过搭接试验确定搭接率为50%。对试样进行正火处理,试验结果表明,在960℃及以下正火温度的显微组织为网篮组织,且随着正火温度的升高,组织明显粗化,α相有序性降低;当正火温度为990℃时,显微组织为魏氏组织。随着正火温度的增加,XY方向和Z方向上的拉伸强度与屈服强度均呈现下降趋势,且XY方向拉伸强度明显高于Z方向的拉伸强度,但Z方向的塑性明显优于XY方向上的塑性。XY方向和Z方向上的微观断口形貌均布满韧窝,为延性断裂。在上述最佳工艺参数及正火处理(加热温度810℃、保温时间2h、空冷)条件下获得最佳力学性能为XY方向的拉伸强度921MPa、屈服强度917.3MPa、伸长率12.8%、断面收缩率27.5%,Z方向的拉伸强度906.1MPa、屈服强度900.2MPa、伸长率15.8%、断面收缩率49.3%。采用上述最佳工艺参数直接成形了尺寸为570mm×470mm×210 mm的大型TC4钛合金结构件,经正火处理后,显微组织为网篮组织、拉伸强度为904.17Mpa、屈服强度为900.13MPa、伸长率为12.5%、断面收缩率为42.5%。与锻件的国家标准值相比,激光增材制造TC4钛合金经正火处理后的综合性能明显优于锻件,满足了客户的实际需求。
【学位授予单位】：沈阳工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TG665;TG146.23
【图文】：

制造系统,激光,密封结构设计

Fig.2.1Laseradditivemanufacturingsystem 2.2a 所示，为激光增材制造设备实物图，激光增材制造过程采用高功末，激光束按照设定轨迹逐层扫描，最终成型零部件。如图 2.2b 所示属于高活性的金属材料，需对打印机设备进行整体密封结构设计，同净化系统。为防止钛合金粉末氧化，要严格控制密封舱内的水、氧

系统图,制造设备,实物,激光

8a 激光增材制造设备实物图 b 循环净化系统图2.2 激光增材制造设备实物图和循环净化系统Fig.2.2Physicaldiagraph oflaseradditivemanufacturingequipmentandcirculationpurificationsystem表2.1 主要技术参数Tab.2.1Main technicalparameters功能 RC-LDM8060龙门式机床行程X×Y×Z 800mm×600mm×500mm运动速率 0-10m/minX、Y、Z 轴定位精度 ±0.05mmX、Y、Z 轴重复定位精度 ±0.03mmX、Y、Z 轴最大定位速度 15m/min线性分辨率 ±0.025mm惰性气体保护方式惰性气体稀释送粉量 1g/min-80g/min氧、水含量 ≤50ppm激光器类型 4KW 光纤耦合半导体激光器激光器功率 2000W-10000W2.1.1 光学系统本课题的激光增材制造试验是在南京中科煜宸激光技术有限公司完成。激光器是激光增材制造系统中的核心部件，目前激光器的种类较多，按照工作介质的不同，可将其分为光纤激光器、半导体激光器、气体激光器、液体激光器以及固体激光器五大类[45]。如图 2.3 所示，本试验所采用的激光器为德国 Laserline 公司生产的 4KW 光纤耦合半导体激光器。激光束经光纤传导输出，在反射镜及聚焦透镜组作用下，光斑在加工平面聚焦，熔化基体表面与粉末形成熔池。为确保成型过程中输出激光功率的稳定性，采用功率计对

激光器,成形质量,粉末,偏差

LDF-4000型激光器Fig.2.3LDF-4000laser

【参考文献】