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鈦合金薄壁件 3D 打印工藝技術(shù)

2024-7-2 來(lái)源：航空工業(yè)航宇救生裝備有限公司作者：關(guān)要軒李湘

【摘要】: 針對(duì)鈦合金薄壁零件在新品制造中，存在生產(chǎn)周期長(zhǎng)、成本高、加工變形等諸多問(wèn)題，通過(guò)對(duì)合金薄壁殼體零件采用 3D 打印制造技術(shù)，對(duì) 3D 打印毛坯設(shè)計(jì)、設(shè)備選擇、成型過(guò)程控制、后續(xù)處理，以及后續(xù)機(jī)加進(jìn)行引用研究。該研究應(yīng)用對(duì)航空新品類似零件的生產(chǎn)加工有很好的使用和參考價(jià)值。

【關(guān)鍵詞】: 鈦合金 ; 薄壁件 ;3D 打印 ; 支撐設(shè)計(jì) ; 加工變形 ; 膨脹芯軸

前言

鈦合金是一種非常重要的有色金屬，比強(qiáng)度高且有密度小，并具有良好的高溫變形性能、耐腐蝕性能等優(yōu)點(diǎn)，在航空航天、工業(yè)、國(guó)防、醫(yī)療等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。采用傳統(tǒng)的鑄造和鍛造等增材方法所制得的復(fù)雜的鈦合金零件，由于材料利用率低、成本高、工藝復(fù)雜以及后續(xù)機(jī)械加工困難度高，嚴(yán)重影響其廣泛應(yīng)用。而 3D 打印技術(shù)與傳統(tǒng)工藝加工方法區(qū)別很大，有著極高的材料利用率，相比傳統(tǒng)的成形加工方法有著極大的優(yōu)勢(shì)，能夠?qū)⒊跏荚O(shè)計(jì)、工藝驗(yàn)證與生產(chǎn)制造緊密結(jié)合，可快速實(shí)現(xiàn)小規(guī)模產(chǎn)品創(chuàng)新，縮短研發(fā)時(shí)間。而本單位近幾年在科研新品試制任務(wù)與日俱增，現(xiàn)有制造技術(shù)很難滿足其周期和質(zhì)量要求。本文將以鈦合金薄壁筒類的殼體零件為例，對(duì) 3D 打印成型和后續(xù)機(jī)械加工進(jìn)行應(yīng)用探索。

1. 零件工藝分析

1.1 結(jié)構(gòu)特征

殼體是航空飛機(jī)救生產(chǎn)品上的重要零件，其三維模型如圖 1 所示，零件材料為鈦合金，主體結(jié)構(gòu)是薄壁筒類結(jié)構(gòu)，外形壁板、螺桿、進(jìn)氣連接裝置是懸臂結(jié)構(gòu)，內(nèi)筒、螺桿、壁板和進(jìn)氣孔有精度較高的裝配需求，其余外圓表面無(wú)配合要求。

圖 1 殼體零件三維模型

1.2 材料分析

殼體零件材料牌號(hào)為 Ti6AlV4，具有材料密度小、熔點(diǎn)高、強(qiáng)度高、導(dǎo)熱系數(shù)小等特點(diǎn)，而且具有較好的機(jī)械性能和耐腐蝕性，在航空航天和汽車制造領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。其詳細(xì)參數(shù)如表1 所示。

表 1 材料成分和物理特性

2. 工藝設(shè)計(jì)

2.1 工藝難點(diǎn)

①零件精度要求較高，為復(fù)雜異形件，具有曲面框支撐結(jié)構(gòu)，零件曲面法向缺少支撐，會(huì)產(chǎn)生較大變形，需要強(qiáng)支撐以控制變形 ;

②產(chǎn)品強(qiáng)度要求較高，退火不能完全釋放內(nèi)應(yīng)力，殘存較大內(nèi)應(yīng)力導(dǎo)致產(chǎn)品變形 ;

③零件外表面不再機(jī)加工，需要通過(guò)合理擺放及支撐控制生長(zhǎng)方向，以控制變形量。

2.2 設(shè)備選擇

根據(jù)工藝要求 ,3D 打印粉末選取的是鈦粉Ti6Al4V。打印設(shè)備型號(hào) MX400，設(shè)備成型空間為400mm×400mm×400mm，能夠滿足鋁合金、鈦合金、高溫合金、不銹鋼等多種金屬的增材制造。設(shè)備主要包含激光器、掃描振鏡、控制系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)、鋪粉和供粉系統(tǒng)等模塊。

2.3 三維模型設(shè)計(jì)

由于 3D 打印設(shè)備的加工精度較高，打印工件外型盡可能不留余量加工，但是在有配合要求或者超出設(shè)備加工精度的部位可以預(yù)留 2mm 余量，另外還要根據(jù)后續(xù)機(jī)械加工裝夾方式的需要，添加工藝夾頭。

根據(jù)設(shè)備加工范圍和零件尺寸，如圖 2 所示可采用多件排版加工能夠大幅提升 3D 打印生產(chǎn)

效率。

圖 2 激光打印排版

根據(jù)對(duì)零件的主要特征分析，產(chǎn)品屬于筒類薄壁類結(jié)構(gòu)，打印擺放需要考慮零件整體圓筒結(jié)構(gòu)尺寸的一致性和變形趨勢(shì)，以及打印時(shí)層層鋪粉熔融特點(diǎn)，選擇零件豎直擺放是比較科學(xué)合理。對(duì)零件進(jìn)行擺放角度確定后，為了減小外形懸臂結(jié)構(gòu)在打印過(guò)程中在重力影響下的流體變形，需要在懸臂特征下方增加支撐結(jié)構(gòu)，選擇斜面端朝下，兼顧支撐材料最小化，支撐方案如圖3 所示。

圖 3 毛坯余量與支撐設(shè)計(jì)

3. 打印過(guò)程控制

3.1檢查基板

在開始打印前，需要確認(rèn)激光打印區(qū)域與排版圖一致，打印時(shí)基板表面應(yīng)無(wú)渣、氧化物、油污等多余物，如有銹跡可用砂紙進(jìn)行打磨。基板是打印工件的基準(zhǔn)，也是工件的附著載體，材料需與工件材料一致，表面平面度≤ 0.03mm，表面粗糙度≤ Ra0.8，平面度在 0.03mm。

3.2 添加粉末

添加的鈦合金粉末之前應(yīng)進(jìn)行檢查，確保無(wú)污染，無(wú)結(jié)塊，無(wú)色變。添加前應(yīng)在烘箱80℃ ±15℃環(huán)境下加熱不少于 1 小時(shí)，并使用指定密度的篩網(wǎng)篩分添加，保證粉末的流動(dòng)性。添加粉末的體積要大于打印工件體積的兩倍，以避免開倉(cāng)加粉導(dǎo)致設(shè)備暫停的情況出現(xiàn)。

3.3 環(huán)境確認(rèn)

設(shè)備打印前，需對(duì)其運(yùn)行環(huán)境、硬件狀況等進(jìn)行確認(rèn) : ①設(shè)備工控機(jī)硬盤應(yīng)有足夠的存儲(chǔ)空間，防止因存儲(chǔ)空間不足加工過(guò)程中數(shù)據(jù)的丟失。②惰性氣源充足（氬氣純度≥ 99.99%），保證加工過(guò)程中建造環(huán)境的氧含量穩(wěn)定。③設(shè)備所處空間環(huán)境溫度保持在 15-30℃之間，濕度小于50%，防止粉末受潮以及器件損壞。④檢查水路、電路、防靜電裝置是否正常。

3.4 3D打印工藝參數(shù)設(shè)置

先將工件的 “.slc” 格式的實(shí)體切片文件導(dǎo)入填充軟件中，并對(duì)其填充參數(shù)激光功率、速度、掃描間距、掃描方式、填充線循環(huán)角度、輪廓間距、填充偏置等信息進(jìn)行設(shè)置，如表 2 所示，最后將“.epi” 格式文件存入打印設(shè)備中。

表 2 工藝參數(shù)

開始打印前應(yīng)首先將料缸上升 0.3mm，防止因料缸中粉末沉降造成首層供粉量不足的現(xiàn)象 ; 其次可適當(dāng)增大初始打印供料倍數(shù)，保證粉量充足 ; 為保證粉末的利用率，加工 20 層后可逐步調(diào)小鋪粉倍數(shù)，每調(diào)節(jié) 1 次鋪粉倍數(shù)觀察 2次鋪粉情況 ; 最后啟動(dòng) “開始打印” 按鍵后，系統(tǒng)自動(dòng)準(zhǔn)備加工環(huán)境，待加工條件達(dá)標(biāo)后自動(dòng)打印。打印過(guò)程中操作人員應(yīng)定時(shí)巡查，主要工作包括 : 觀察氧含量 <1000ppm，環(huán)境溫度在 20-35℃之間，濕度 <90，設(shè)備鋪粉粉面是否平整，工件有無(wú)翹曲，粉末是否充足。

3.5 清理工件

工件打印完成后，將成型缸慢慢升起，用毛刷將基板上粉末清掃到落料口下的回收瓶?jī)?nèi)，卸下基板后用防爆吸塵器清理工件及基板表面浮粉，便于后面檢測(cè)外觀和熱處理。需要注意是 :操作人員須戴好防塵口罩、橡膠手套和防護(hù)服，及時(shí)用防爆吸塵器吸走揚(yáng)塵。

3.6 檢查工件

檢查工件外觀形態(tài)與設(shè)計(jì)模型的一致性，且工件間無(wú)任何粘連 ; 工件、試樣、基板結(jié)合正常，無(wú)開裂，工件及試樣任何部位無(wú)肉眼可見裂紋 ;工件外觀顏色一致、無(wú)磕傷、劃痕、碰傷等缺陷，且無(wú)殘留粉末。

4.3D 打印后置處理

3D 打印工件的后處理工序主要包含熱處理、去支撐、特種檢查、吹砂及后續(xù)加工等。根據(jù)鈦合金沉積態(tài)和熱處理后的殘余應(yīng)力研究資料表明，經(jīng)退火熱處理后，打印工件的殘余應(yīng)力能夠明顯降低，且分布均勻。如果金屬粉末不夠干燥或者吸附空氣雜質(zhì)，在打印過(guò)程中還會(huì)存在氬氣泡，將導(dǎo)致工件內(nèi)部產(chǎn)生孔隙，形狀呈細(xì)小球形，經(jīng)熱等靜壓處理后，內(nèi)部孔隙會(huì)有所減小，但對(duì)材料力學(xué)性能影響不大。

4.1 熱處理

工件在檢查外觀后，一般應(yīng)在 24h 內(nèi)進(jìn)行去應(yīng)力熱處理。在實(shí)際熱處理過(guò)程中選用電加熱爐進(jìn)行熱處理，熱處理時(shí)帶著基板一起，為了控溫精準(zhǔn)，可在熱處理過(guò)程中安放了負(fù)載熱電偶，保證溫度均勻一致性，用于監(jiān)控工件實(shí)際溫度，具體參數(shù)見圖 4。

圖 4 溫度控制曲線

4.2 去支撐

工件熱處理后可使用線切割設(shè)備切掉基板，再安排鉗工去除輔助支撐架。由于大部分支撐結(jié)構(gòu)為薄壁或者桁架細(xì)條狀組成，可以使用鉗子等工具進(jìn)行拆除。連接處如有毛邊等殘留，可以風(fēng)槍、砂紙等工具進(jìn)行修整和打磨拋光。

4.3 特種檢驗(yàn)

由于鈦合金 3D 打印加工特點(diǎn)，工件內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生微氣孔、未融合、裂紋等缺陷，因此在機(jī)械加工前要進(jìn)行熒光、X 光、超聲波檢查，確保打印毛坯無(wú)缺陷。同時(shí)需要對(duì)毛坯強(qiáng)度和化學(xué)成分通過(guò)試件進(jìn)行檢驗(yàn)，確保強(qiáng)度和材料成分合格。

4.4 噴砂

零件 3D 打印后表面存在粗糙度不均勻、熱處理后存在氧化膜、線切割后存在油污等現(xiàn)象，因此需選用噴砂工藝來(lái)提高工件表面粗糙度，使工件表面露出均勻一致的金屬色，提升工件外觀。

4.5 機(jī)械加工

依據(jù)機(jī)械加工藝方案加工內(nèi)孔時(shí)，使用自制三爪卡盤將整個(gè)外圓夾緊，從一端使用粗精鏜內(nèi)孔時(shí)，由于深度較大、鏜刀懸伸長(zhǎng)，加工過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)，導(dǎo)致內(nèi)孔尾部表面粗糙度差，取下工件后內(nèi)孔還會(huì)疊加變形。在粗精加工外形時(shí)采用芯軸工裝，能定位裝夾能到矯正作用，但是加工完取下工件時(shí)，內(nèi)孔沒有支撐導(dǎo)致變形 ; 另外去除 3D 打印加厚夾頭也會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力釋放，導(dǎo)致工件變形。為了解決機(jī)械加工完后工件多項(xiàng)尺寸超差、報(bào)廢現(xiàn)象，制定解決措施如下 :

①車削內(nèi)孔粗精加工分開，調(diào)整余量分配，消除變形量。內(nèi)孔預(yù)留 1mm 余量，加工至尺寸￠81H8，作為芯軸定位基準(zhǔn)。

②設(shè)計(jì)車削膨脹芯軸代替三爪卡盤夾緊，消除夾緊力的影響。工步 1 以密封槽端內(nèi)孔為基準(zhǔn)使用膨脹芯軸定位裝夾，加工 M84×1 內(nèi)螺紋和￠ 82H8 內(nèi)孔 ; 工步 2 以￠ 82H8 內(nèi)孔為基準(zhǔn)定位以及用 M84×1 內(nèi)螺紋夾緊，加工右端內(nèi)孔和密封槽。

③將精車內(nèi)孔調(diào)整到數(shù)銑外型后面，消除再次裝夾加工帶來(lái)的變形，通過(guò)預(yù)測(cè)變形，改變數(shù)銑走刀路徑，切削層加工策略由深度優(yōu)先，調(diào)成深度優(yōu)先，減小變形。

④采用￠ 32 內(nèi)冷減震刀桿，以及加車刀刀尖半徑 0.4，刀具前角 5°，后角 15°，可有效消除過(guò)程震動(dòng)，提高刀具壽命。

⑤通過(guò)優(yōu)化切削參數(shù)，調(diào)整切削線速度，主動(dòng)避開震動(dòng)區(qū)間。采用較低的線速度、大切深、小切寬或大切深、大切寬的加工參數(shù)，此時(shí)的切屑形成效果好，材料去除率較高。

⑥優(yōu)化 3D 打印毛坯余量，使余量均勻分布，減少內(nèi)部應(yīng)力產(chǎn)生。

圖 5 機(jī)械加工過(guò)程

5. 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò) 3D 打印技術(shù)在鈦合金薄壁零件制造工藝中的應(yīng)用實(shí)踐，積累了基于增材制造工藝經(jīng)驗(yàn)，為后續(xù)類似零件的加工提供借鑒方法。3D 打印制造具有周期短、精度高、零件近凈成形等特點(diǎn)，能夠讓新產(chǎn)品設(shè)計(jì)擺脫傳統(tǒng)制造工藝限制，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)功能一體化、輕量化、集成化，以及快速更新迭代，從而降低科研成本。

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