一种TC4合金蒙皮-框架结构的成形方法技术

本发明专利技术一种TC4合金蒙皮‑框架结构的成形方法，用三维软件画出结构模型将结构模型按20～30μm层厚切片分层；将分层好的数据导入到成形设备中，输入成形参数；将TC4合金粉末均匀地铺设在TC4基板上，激光束扫描的轨迹对TC4合金粉末层进行选择性熔化，完成一层TC4蒙皮‑框架结构加工；在形成的一层TC4合金蒙皮‑框架结构上再次铺设TC4合金粉末，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；逐层加工该TC4蒙皮‑框架结构，最终形成蒙皮‑框架结构。本发明专利技术优点是能减少TC4合金蒙皮‑框架结构的成形件产生的翘曲、裂纹、气孔和致密度不均匀等缺陷，能够制备复杂的蒙皮内部的框架结构。

A Forming Method of TC4 Alloy Skin-Frame Structure

The invention provides a forming method for TC4 alloy skin and frame structure, which draws a structure model by three-dimensional software and lays the structure model according to 20-30 micron slice thickness; imports the layered data into the forming equipment and inputs the forming parameters; lays TC4 alloy powder evenly on TC4 substrate, and selectively melts TC4 alloy powder layer by laser beam scanning trajectory to complete a TC4 layer. Skin and frame structure processing; TC4 alloy powder is laid on the formed layer of TC4 alloy skin and frame structure again, and selective melting of TC4 alloy powder layer is carried out according to the determined laser beam scanning trajectory; the TC4 skin and frame structure is processed layer by layer, and finally the skin and frame structure is formed. The invention has the advantages of reducing warpage, crack, pore and non-uniform density defects of the forming parts of TC4 alloy skin frame structure, and can prepare complex inner frame structure of skin.

【技术实现步骤摘要】
一种TC4合金蒙皮-框架结构的成形方法
本专利技术涉及一种TC4合金蒙皮-框架结构的成形方法，具体属于激光增材制造

技术介绍
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。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种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。本专利技术一种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。本专利技术的有益效果：本专利技术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为本专利技术TC4合金蒙皮-框架结构的示意图；图2为本专利技术TC4合金蒙皮-框架结构的内部单体示意图；图3为本专利技术TC4合金蒙皮-框架结构成形方法示意图；图4为本专利技术激光束扫描轨迹；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专利技术所述的一种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本专利技术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、本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种TC4合金蒙皮‑框架结构的成形方法，其特征在于：所述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。...

【技术特征摘要】
1.一种TC4合金蒙皮-框架结构的成形方法，其特征在于：所述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...

【专利技术属性】
技术研发人员：秋大闯，李多生，宋利康，吴宁，柯黎明，秦国华，王国波，
申请(专利权)人：南昌航空大学，
类型：发明
国别省市：江西,36