钛合金大型复杂结构构件的制造方法技术

本发明专利技术提供了一种钛合金大型复杂结构构件的制造方法，该制造方法包括以下步骤：取多个等截面厚度的钛合金基材；其中，截面厚度H≤100mm；在真空环境下，利用电子束将所述多个钛合金基材依次首尾相连地双面焊接，得到焊接件；其中，所述电子束焊接时的工艺条件为：电压150kV，速率4～10mm/s，束流50～150mA，聚焦电流2050～2120mA，腔内工作压强≤6.7

【技术实现步骤摘要】
钛合金大型复杂结构构件的制造方法


[0001]本专利技术涉及电子束焊接与激光增材制造复合连接方法
，具体涉及一种钛合金大型复杂结构构件的制造方法。

技术介绍

[0002]随着航空航天、兵器、舰船等机械运载领域行业的发展，各类先进装备和构件逐步朝着大型化、整体化和轻量化发展，其中高性能大型复杂结构构件的传统制造工艺面临制造难度大、材料利用率低且成本高的问题。钛合金由于比强度高、热强性好、耐腐蚀等优点，广泛应用于航空航天及大型装备制造业中，对于大型复杂钛合金构件来说，高效低成本连接制造技术已经成为重大先进装备制造业的核心技术之一。
[0003]针对钛合金大型框梁结构，直接锻造加后续机械加工成形难度大，设备要求高，特别是面对一些具有特殊外形复杂结构的构件，制备周期长，成本高。由于电子束焊接钛合金工艺较成熟，而且相关焊接接头性能可控满足结构的要求，所以针对大型钛合金复杂结构构件中的等截面板材部分可采用电子束对接焊方式直接进行连接，初步实现钛合金复杂结构构件成形的大型化需求。
[0004]然而，针对钛合金大型复杂结构构件的高效制造，电子束对接焊方式仅能解决构件内等截面等简单结构的连接需求，复杂结构区域的制备通常还需要辅助其他制造技术进行实现。例如，现有技术通常辅助机械加工减材方式形成构件外部复杂结构，但这种方法容易造成大量的材料浪费，且可能面临焊接件的截面厚度超过电子束可焊接最大厚度(约100mm)，导致连接工艺不可实现的问题。

技术实现思路

[0005]为了解决上述问题，本专利技术提供一种钛合金大型复杂结构构件的制造方法，该方法通过电子束对接焊等截面厚度板材件初步实现构件整体尺寸的制造，在等截面焊接件基础上进行外部激光增材制造复杂结构，实现钛合金大型复杂结构构件的连接与成形。
[0006]为了实现上述目的，本专利技术提供了一种钛合金大型复杂结构构件的制造方法。
[0007]该钛合金大型复杂结构构件的制造方法包括以下步骤：
[0008]取多个等截面厚度的钛合金基材；其中，截面厚度H≤100mm；
[0009]在真空环境下，利用电子束将所述多个钛合金基材依次首尾相连地双面焊接，得到焊接件；其中，所述电子束焊接时的工艺条件为：电压150kV，速率4～10mm/s，束流50～150mA，聚焦电流2050～2120mA，腔内工作压强≤6.7
×
10
‑2Pa；
[0010]在惰性气氛中，在所述焊接件上靠近焊接区域的表面进行激光熔化沉积，得到构件。
[0011]进一步的，所述惰性气氛为氩气气氛，且氧含量≤50ppm。
[0012]进一步的，所述激光熔化沉积的工艺条件为：功率为4～6kW，扫描速率为600～1200mm/min，激光光斑直径为5～8mm。
[0013]进一步的，所述激光熔化沉积所采用的原料为粒度70～250μm的钛合金预合金粉末，所述钛合金预合金粉末的化学组成与所述钛合金基材一致。
[0014]进一步的，在所述激光熔化沉积之前还需要对所述焊接件进行第一次退火处理；
[0015]并且在所述激光熔化沉积之后还需要对所述构件进行第二次退火处理。
[0016]进一步的，所述第一次退火处理的工艺条件为：升温至500～600℃，保温4～6h后空冷。
[0017]进一步的，所述第二次退火处理的工艺条件为：升温至500～600℃，保温4～6h后空冷。
[0018]进一步的，在进行所述焊接之前还需要分别对所述基材的待焊接表面进行打磨、脱油去脂清洗及烘干处理。
[0019]进一步的，在第一次退火处理后还需要对所述焊接件的待激光熔化沉积的区域进行打磨、清洗及烘干处理。
[0020]进一步的，所述基材的待焊接表面的平面度公差为0.015～0.025mm，表面粗糙度为3.0～3.2μm，平行度为0.04～0.05mm。
[0021]本专利技术在电子束对接焊等截面厚度板材件的基础上，通过在焊接件表面进行激光增材制造形成所需要的构件外部复杂形状，可最终实现钛合金大型复杂结构构件制造。其中，等截面厚度钛合金板件的截面厚度仅需要满足钛合金大型框梁结构等复杂结构构件中等截面简单结构的厚度即可，在此基础上通过增材制造成形的构件外部复杂形状也处于近形状态，因此整体构件后续仅需要进行少量的机械加工即可，极大提高材料利用率，缩短制造周期，并降低成本。
[0022]与传统制造方式相比，本专利技术中的大型复杂结构构件连接方法通过等截面简单形状板材件的电子束焊接和成形焊接件外部复杂结构的激光增材制造协作方式，可实现不同结构组合形式大型复杂结构钛合金构件的近形快速制造，制造效率高，材料利用率高且成本低。
[0023]本专利技术中的大型复杂结构构件连接方法可用于具有复杂外部特征结构钛合金大型构件的近形快速连接制造，相比传统制造工艺，周期短且材料利用率高；另外，内部焊缝区/基材界面协同增材制造区/基材界面区域可促使构件连接区传力形式由内部等截面焊接区传力形式特征演变为内部等截面焊接区与外部增材区共存的大截面传力形式特征，增加构件连接区域服役使用安全。
[0024]本专利技术中的电子束焊接工艺以及激光熔化沉积工艺相辅相成，并且在本专利技术中特定的焊接工艺条件及激光熔化沉积工艺条件下，电子束连接区域致密，无氧化、裂纹等缺陷，并且应力低，提高大型构件的力学性能。
附图说明
[0025]通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本专利技术的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：
[0026]图1为本专利技术实施例中钛合金大型复杂结构构件的制造方法的流程示意图。
[0027]图中：
[0028](a)所示为厚度H≤100mm钛合金等截面变形板材示意图；
[0029](b)所示为电子束对接焊厚度H≤100mm钛合金等截面变形板材示意图；
[0030](c)所示为钛合金变形材等截面板材电子束焊接件表面激光成形复杂外形结构示意图。
具体实施方式
[0031]下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施方式。虽然附图中显示了本公开的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。
[0032]根据本专利技术的实施方式，提出一种钛合金大型复杂结构构件的制造方法，参考图1所示，该钛合金大型复杂结构构件的制造方法包括以下步骤：
[0033]首先，根据大型框梁等复杂结构钛合金构件典型几何尺寸特征，将其划分为等截面厚度钛合金板件结构和外部复杂结构等不同区域，并设计电子束焊接位置和外部激光增材制造区域。
[0034]其次，将等截面厚度的钛合金板材进行机械加工，切割成电子束焊接所需尺寸大小的零件，并对零件的待焊本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种钛合金大型复杂结构构件的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：取多个等截面厚度的钛合金基材；其中，截面厚度H≤100mm；在真空环境下，利用电子束将所述多个钛合金基材依次首尾相连地双面焊接，得到焊接件；其中，所述电子束焊接时的工艺条件为：电压150kV，速率4～10mm/s，束流50～150mA，聚焦电流2050～2120mA，腔内工作压强≤6.7
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‑2Pa；在惰性气氛中，在所述焊接件上靠近焊接区域的表面进行激光熔化沉积，得到构件。2.根据权利要求1所述的钛合金大型复杂结构构件的制造方法，其特征在于，所述惰性气氛为氩气气氛，且氧含量≤50ppm。3.根据权利要求1所述的钛合金大型复杂结构构件的制造方法，其特征在于，所述激光熔化沉积的工艺条件为：功率为4～6kW，扫描速率为600～1200mm/min，激光光斑直径为5～8mm。4.根据权利要求1所述的钛合金大型复杂结构构件的制造方法，其特征在于，所述激光熔化沉积所采用的原料为粒度70～250μm的钛合金预合金粉末，所述钛合金预合金粉末的化学组成与所述钛合金基材一致。5.根据权利...

【专利技术属性】
技术研发人员：冉先喆，李安，朱言言，李卓，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：