[发明专利]一种在空气中直接制造钛合金零件的快速成形方法

说明书

技术领域

本发明提出一种在空气中直接制造钛合金零件的快速成形方法，主要采用激光熔覆成形方法（或者激光近净成形）的技术特点，在空气中直接完成钛合金零部件的制造，以区别于其他在密闭气室的真空、过压或者惰性气体保护气氛中进行的钛合金零部件制造方法。采用该方法制造的钛合金零部件含氧量低，满足苛刻的航空航天零部件对钛合金零部件含氧量的要求，属于激光先进制造中的快速成形领域。

背景技术

钛合金在500℃以下具有高比强度和比疲劳强度，有良好的热稳定性。在中性、氧化性气氛及众多恶劣环境中，钛合金具有比常用金属材料更优异的耐蚀性。同时，钛合金与复合材料的强度、刚度匹配可使飞机结构获得更好的减重效果。因而，在压气机叶盘、燃烧室外壳、喷气管等部位使用时，可大大减轻飞机重量。所以，在民用航空航天以及战斗机制造中，钛合金都占据着不可或缺的地位。

由于钛合金高温活泼而且变形抗力大，在传统的铸造和锻造加工中遇到困难。使用激光快速成形方法制造航空航天钛合金结构件已经成为一种趋势，飞机结构件中激光快速成形制造零件所占有的比重已经成为衡量一个国家科技水平的一种标志。钛合金激光快速成形技术较传统钛合金零件的加工优势有：无需零件毛胚制备，锻压模具加工；较锻件材料利用率高；加工柔性好，生产周期短等。

然而钛合金在高温下具有强烈的吸氢、吸氧、吸氮的能力，并且常温下即和空气中的氧发生反应，使其性能显著下降。因而，在对钛合金进行激光加工时，处于400摄氏度以上区域必须进行保护。常用的方法是在加工时通过不同的激光快速成型成套设备，使工件处于惰性气体气氛中，与外界污染气体隔绝。另外，还可以提升粉末载气的纯度，设计密封送粉及送气系统，对成型高温区域进行在线温度监控实时闭环反馈，从源头上控制污染物混入与钛合金发生反应。

针对钛合金成型过程中极易与氮、氢、氧发生反应的现象，各国研究人员分析成形过程，并提出了几种有效的保护方式。在保护过程中，可以通过观察钛合金颜色来判断保护效果，钛氧化后，在700℃试样表面呈浅蓝色，900℃试样表面呈灰色，1000℃试样表面呈灰白色，1100℃试样表面呈黄白色。钛氮化后，氮化钛覆层具有金黄色光泽。而当钛吸氢后，其力学性能将发生很大变化。这时可以通过力学测试来判断吸氢情况。

最常用的气氛保护装置是气体保护箱，美国AeroMet公司最早对钛合金零件在飞机上的应用进行开发，FG.Arclla和FH.Froes等人通过设计气体保护箱，使五轴联动加工机床位于气体保护箱的底部。然后引入送粉通道和激光通道进入保护箱上端，四周用密封圈密封。工作时，从保护箱底部充入Ar气，使箱体充满保护气体后进行激光快速成型。

而Pennsylvania State University应用与研究实验室同样使用说明书图2所示的气氛保护箱对钛合金粉末进行激光成型制造。有趣的是他们在气氛箱的端盖部加入保护镜片，而端盖通过CNC机床与激光头的运动轨迹指令保持同步这样一来，气氛箱将形成更为封闭的运动结构，使加工过程中的氧含量得到更有效的控制。

国内西北工业大学的黄卫东课题组和北京航空航天大学王华明课题组所进行的钛合金激光加工也使用了相似的设计原理。其中，黄卫东等人在保护箱内加入了气体检测装置，保证了足够的的惰性气体百分比。王华明课题组自主研制成功国内首套、具有自主知识产权的“自由平面接触／动态密封／惰性气氛保护”钛合金结构件激光快速成形成套工艺装备系统^[32]。能够生产出更大型的钛合金快速成型构件，并使钛合金件的力学性能达到了锻件要求，也保证了其正常使用。由于其课题涉及军工、国防，因而该项技术的具体工艺细节均处于保密状态。

除气体保护箱外，王家淳等人对在钛合金焊接中的气体保护措施进行了研究和改良。研究出了气体保护拖罩和焊接用保护器喷嘴。这对激光快速成形时的气体保护研究也提供了参考。气体保护拖罩目的在于保护已脱离喷嘴保护区，但仍处于反应温度区间的焊缝和热影响区表面。说明书图5是拖罩形式，气流流经气体均布管，并将空气挤出，再流入气体透镜使惰性气体气充满保护区域，将熔池及热影响区与空气隔离，达到保护目的。

北京工业大学的曹娜在“钛合金激光焊接工作头研制”中设计了一种钛合金激光焊接保护装置，由保护焊接熔池的主保护气喷嘴和附加保护喷嘴组成。但是这种保护气体喷嘴只能够保护平行于激光运动方向的熔池窄条，而不能够保证熔池和热影响区整体都处于惰性气体保护下。