一种金属零件的复合制造方法技术

本发明专利技术公开了一种金属零件的复合制造方法，包括：1）将零件模型分成分体件区和增材区；其中，分体件区可为1个或多个；2）制造分体件；3）将所述分体件按照模型组装、固定，预留增材区；4）对增材区采用增材制造进行成形，实现所述的金属零件的制造；5)对整体制造的金属零件进行热处理以改善性能、减小残余应力；其中，增材区垂直于沉积增高方向的截面面积沿着沉积增高方向逐渐增大，以使得增材区的与分体件区相邻接的面与增材区的底面形成外延夹角θ，所述外延夹角θ为5‑40°。本发明专利技术实现了大尺寸金属复杂结构件的制造，通过合理的热处理，获得较好的力学性能。

【技术实现步骤摘要】
一种金属零件的复合制造方法
本专利技术涉及金属增材制造的领域，尤其是涉及一种金属零件的复合制造方法。
技术介绍
通过结构整体化替代组合件，可减少连接件，降低结构重量，提升结构品质，是航空、航天、船舶等高端装备结构发展方向。例如，飞机采用翼身融合整体框替代原机身框与机翼框的组合件，可实现结构减重20%以上、零件数量减少80%以上，结构的安全性和可靠性大幅提升。受限于金属坯料制造能力和锻造能力，传统锻、铸、焊接制造方法，难以实现大尺寸复杂构件的整体高性能制造。并且，锻造大型复杂构件由于不同位置变形差异大、不均匀，组织、性能一致性差、难以充分发挥材料性能。锻铸加焊接是当前大尺寸金属结构件制造的主要方式，但由于焊接热输入对材料性能损伤较大，焊缝的强度、塑韧性尤其是疲劳性能低于母材，对构件的使用安全性和寿命造成显著不良影响，焊缝性能一致性较差、可靠性较低，难以用作关键承力结构件。
技术实现思路
本专利技术的目的在于，提出一种大尺寸金属零件的整体制造方法，将增材制造和锻铸等工艺有机结合，实现大尺寸复杂金属零部件高性能制造。本专利技术的技术方案具体为，一种金属零件的复合制造方法，包括：1）将零件模型分成分体件区和增材区；其中，分体件区为1个或多个；2）制造分体件；3）将所述分体件按照零件模型组装、固定，预留增材区；4）对增材区采用增材制造进行成形，实现所述的金属零件的制造；5）对整体制造的金属零件进行热处理；其中，增材区垂直于沉积增高方向的截面面积沿着沉积增高方向逐渐增大，以使得增材区的与分体件区相邻接的面与增材区的底面形成外延夹角θ，所述外延夹角θ为5-40°。进一步优选的，所述分体件采用锻造、铸造、粉末冶金、机械加工、增材制造的一种或两种以上方法制造。进一步优选的，所述增材制造所用的能源为激光、电子束、等离子或电弧中一种或两种以上。进一步优选的，增材区的与分体件区邻接面处增材制造进行成形时所用功率PL与增材区其他区域所用功率P0满足关系为，PL=K·P0/sinθ，K取0.8~1.5。进一步优选的，所述的分体件区、增材区的材料为钛合金、钢、高温合金、铝合金、镁合金中的一种。进一步优选的，当所述材料为钛合金时，K取1.0~1.2；当金属为钢时，K取0.9~1.5。进一步优选的，所述的分体件区、增材区的材料为钛合金、钢、高温合金、铝合金、镁合金中的两种以上。进一步优选的，当所述材料一个为钛合金、一个为钢时，K取1.0~1.2。与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：首先，本专利技术提供了一种通过增材制造将分体件连接形成整体并在其上进行制造，从而实现大尺寸复杂金属零件的方法，该方法通过控制增材区垂直于沉积增高方向的截面面积沿着沉积增高方向逐渐增大，以使得增材区的与分体件区相邻接的面与增材区的底面形成5-40°的外延夹角θ，能够将大尺寸零件分块制造，大大降低了制造难度和成本，同时有效结合了增材制造、锻造等工艺各自优势，实现了高性能、整体、低成本制造。同时，本专利技术通过控制增材区与分体件结合部位的能量输入，按照PL=K·P0/sinθ进行控制，能够有效保证结合部位完全冶金结合、不存在薄弱环节，进而确保金属零件的整体性能。其中，PL和P0关系是依据保持单位时间能量输入保持合理范围而确定的。单位时间能量输入是决定熔化深度和熔池过热度及温度场的关键，保持一致的单位时间能量输入，要求PL=P0/sinθ。考虑到，外延坡面的粉末利用率、不同材料实际能量吸收率和基材热传导等因素，引入了系数K进行调整，根据经验，K优选范围为0.8~1.5。附图说明图1是本专利技术金属零件的复合制造方法的工艺流程图。图2是本专利技术实施例1中零件模型示意图。图3是本专利技术实施例2和3中零件模型示意图。图4是本专利技术实施例4中零件模型示意图。具体实施方式以下将结合本专利技术实施例中的附图对本专利技术实施例中的技术方案进行描述。实施例1如图2所示，本实施例将零件模型分成2个分体件区和1个增材区，采用激光作为增材制造的能量源，选用了锻件TC4钛合金作为分体件的基体部分材料，激光增材制造原材料为采用旋转电极雾化法制备的TC4钛合金粉末。如图1的工艺流程所示：准备好原材料后，首先对目标大型构件的第一分体件1和第二分体件2按照如图2所示的模型进行锻造+机械加工，随后将第一分体件1和第二分体件2按照模型进行组装和固定，预留增材区。增材区垂直于沉积增高方向的截面面积沿着沉积增高方向逐渐增大，以使得增材区的与分体件区相邻接的面（外延面）与增材区的底面形成外延夹角θ，增材区外延夹角θ为30°。然后，将钛合金粉末进行装填，对前述预留的增材区实施激光增材制造。增材过程中，激光束方向保持不变。为保持增材制造成形时所用单位时间能量在增材区的外延面上与非外延面区域保持不变，外延面上激光功率PL与非外延面上激光功率P0的关系为，PL=KP0/sin30，K取1.1，PL=2.2P0。完成增材制造后，将零件进行热处理，工艺为：950±10℃保温1小时，空冷；然后，650℃保温4小时，空冷。零件结合区通过超声缺陷检测，未发现超过φ0.8mm当量平底孔的缺陷，内部冶金质量良好，达到GJB1580A规定的AA级水平。对含有结合区的余料部分剖取试样，进行拉伸试验，结合区拉伸强度为Rm为960MPa，RP0.2为915MPa，延伸率A为10.5%，TC4锻件标准为Rm≥895MPa、RP0.2≥825MPa、A≥8%，与锻件标准相比强度和塑性都有一定裕度。根据使用要求对零件进行机械加工等后处理。实施例2本实施例将零件模型分成3个分体件区和2个增材区（如图3所示），采用电弧作为增材制造的能量源，选用了锻件TA15钛合金作为分体件的基体部分材料，同时选用增材制造原材料为TA15钛合金丝材。准备好原材料后，首先对目标大型构件的第一分体件1、第二分体件2按照模型进行锻造+机械加工，第三分体件3采用铸造，随后将第一分体件1、第二分体件2和第三分体件3按照模型进行组装和固定，预留增材区。增材区垂直于沉积增高方向的截面面积沿着沉积增高方向逐渐增大，以使得增材区的与分体件区相邻接的面（外延面）与增材区的底面形成外延夹角θ，增材区外延夹角θ为15°。对前述预留的增材区实施电弧增材制造。电弧始终保持与沉积底面垂直的竖直方向，为保持增材制造成形时所用单位时间能量在增材区的外延面上与非外延面区域保持不变，外延面上激光功率PL与非外延面上激光功率P0的关系为，PL=KP0/sin15，K取1.1，PL=4.25P0。完成增材制造后，将零件进行热处理，工艺为：990±10℃保温1小时，风冷至室温；然后，700℃保温4h，空冷。零件结合区通过超声缺陷检测，未发现超过φ0.8mm当量平底孔的缺陷，内部冶金质量良好，达到GJB1580A本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种金属零件的复合制造方法，包括：/n1）将零件模型分成分体件区和增材区；其中，分体件区为1个或多个；/n2）制造分体件；/n3）将所述分体件按照零件模型组装、固定，预留增材区；/n4）对增材区采用增材制造进行成形，实现所述的金属零件的制造；/n5）对整体制造的金属零件进行热处理；/n其特征在于，增材区垂直于沉积增高方向的截面面积沿着沉积增高方向逐渐增大，以使得增材区的与分体件区相邻接的面与增材区的底面形成外延夹角θ，所述外延夹角θ为5-40°。/n

【技术特征摘要】
1.一种金属零件的复合制造方法，包括：
1）将零件模型分成分体件区和增材区；其中，分体件区为1个或多个；
2）制造分体件；
3）将所述分体件按照零件模型组装、固定，预留增材区；
4）对增材区采用增材制造进行成形，实现所述的金属零件的制造；
5）对整体制造的金属零件进行热处理；
其特征在于，增材区垂直于沉积增高方向的截面面积沿着沉积增高方向逐渐增大，以使得增材区的与分体件区相邻接的面与增材区的底面形成外延夹角θ，所述外延夹角θ为5-40°。


2.根据权利要求1所述的复合制造方法，其特征在于，所述分体件采用锻造、铸造、粉末冶金、机械加工、增材制造的一种或两种以上方法制造。


3.根据权利要求1所述的复合制造方法，其特征在于，所述增材制造所用的能源为激光、电子束、等离子或电弧中一种或两种以上。

【专利技术属性】
技术研发人员：不公告发明人，
申请(专利权)人：北京煜鼎增材制造研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：北京;11