一种钛合金薄壁加强筋极高真空室的制作方法技术

本发明专利技术公开了一种钛合金薄壁加强筋极高真空室的制作方法。所述制作方法包括如下步骤：在基材表面铺洒钛合金粉末，根据3D打印模型，进行SLM成型，则在基材表面得到薄壁真空腔室；退火热处理后与基材分离；按照步骤1）或2）即得钛合金薄壁加强筋极高真空室：1）对薄壁真空腔室两端的法兰进行加工；2）在薄壁真空腔室的一端加工法兰，再将若干段薄壁真空腔室焊接。本发明专利技术将加强筋与薄壁通过打印一体成型，完美解决传统薄壁加强筋与薄壁焊缝多、极高真空室焊缝泄漏及高温烘烤钎焊加强筋容易脱落等问题。本发明专利技术钛合金薄壁加强筋极高真空室能够有效减小磁铁气隙，大幅度降低磁铁造价及磁铁电源运维成本。铁电源运维成本。

【技术实现步骤摘要】
一种钛合金薄壁加强筋极高真空室的制作方法


[0001]本专利技术涉及一种钛合金薄壁加强筋极高真空室的制作方法，属于真空腔室


技术介绍

[0002]现今，国内已研究出强流重离子加速器，它是一台束流指标领先、多学科用途的重离子科学研究装置，可以提供高达4.25GeV/u的脉冲重离子束流。束流寿命与真空腔室中的残余气体量、涡流效应及阻抗等相关。
[0003]然而，传统的薄壁加强筋真空腔室的制作材料为304或316L不锈钢，当壁厚小于或等于1mm，且真空腔室截面面积较大时，为了使得制作出的真空腔室有足够的强度和刚度，在上述小于或等于1mm壁厚真空腔室组焊的基础上，需对真空腔室外壁做加强处理，加强筋一般是周向全覆盖、长度方向间隔设置，并采用钎焊工艺使其与真空腔室壁面绑定。
[0004]传统制作方法制作出来的壁厚小于或等于1mm的不锈钢薄壁加强筋真空室由于焊缝众多，精度难以控制，且需要大量工装模具，成本过高。由于钛合金比强度是不锈钢材料的7倍，所以在占用磁铁气隙方面，钛合金薄壁加强筋真空室可有效减小磁铁气隙，大幅度降低磁铁造价及磁铁电源运维成本。与此同时，钛合金材料相对不锈钢而言，材料真空出气率更低，电阻率更大，低温条件下的热膨胀率更小。因此，在获得常温或低温加速器极高真空系统、减小涡流及阻抗、维持束流稳定性等方面，钛合金材料薄壁加强筋真空室具有显著优势。SLM技术是在高能激光作用下，金属粉末完全熔化，经散热凝固后与基体金属冶金焊合，然后逐层累积成型出三维实体。无需模具，生产周期短，相对于传统制造，成本更低，效率更高。
[0005]综上所述，提供采用钛合金材料制作薄壁加强筋极高真空室的方法具有重要意义。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的是提供一种基于SLM技术的钛合金薄壁加强筋极高真空室的制作方法，能够加工超薄壁真空腔室，并使其壁厚控制在1mm以内。
[0007]本专利技术提供的钛合金薄壁加强筋极高真空室的制作方法，包括如下步骤：S1、在基材表面铺洒钛合金粉末，根据3D打印模型，进行SLM成型，则在所述基材表面得到薄壁真空腔室；S2、将所述薄壁真空腔室经退火热处理后与所述基材分离；S3、按照下述步骤1）或2）即得钛合金薄壁加强筋极高真空室：1）对所述薄壁真空腔室的两端加工法兰；2）在所述薄壁真空腔室的一端加工法兰，再将若干段所述薄壁真空腔室焊接；所述钛合金粉末为TC4粉末；所述TC4粉末的粒度为20~63μm，颗粒球形度大于85%、空心粉颗粒百分比小于
2.5%；经实验得知，20~63μm的粒度可以使得激光熔融过程更加充分、工件内部结构更为致密；大于85%的颗粒球形度、百分比小于2.5%的空心颗粒充分保证了打印工件表面的平整度以及减少内部缺陷。
[0008]所述TC4粉末成分的质量组成如下：C≤0.1%，H≤0.015%，O≤0.15%，N≤0.05%，5.5%≤Al≤6.8%，3.5%≤V≤4.5%，Fe≤0.2%，余量为Ti；所述SLM成型的条件如下：激光功率：250~350W；扫描速度：900~1200mm/s；扫描间距：0.08~0.15mm；层间旋转：60
°
~70
°
；层厚：0.04~0.08mm；激光功率太低，会导致粉末不能充分溶解，而激光功率太高会产生过烧现象，过低或过高都不利于工件的成型，经实验确定250~350W是最佳功率区间；扫描速度越快，则打印时间越短，反之，则越长，但速度不应太快，太快会使得熔融不充分，经实验确定扫描速度为900~1200mm/s；扫描间距太小，会使得成型过程中搭接区域过多，间距太大则搭接区域会变小，从而导致层与层之间会有小缺陷，影响工件强度，经实验确定扫描间距为0.08~0.15mm；层厚的薄厚会影响打印速度和熔融的充分性，层厚越薄，打印速度越慢，层厚越厚，打印速度越快，但过厚的层厚会使得层间熔融不充分；需要说明的是，上述各因素之间相互均有制约关系，最终确定了上述最优条件。
[0009]激光成形时惰性气氛室中所充填的氩气纯度应不低于99.99%，氧分析仪采样监测氧含量确认≦0.03%后，方可开始零件成形；根据薄壁加强筋极高真空室的结构特点，将其分成三段（不限于三段）分批打印，每段沿高度方向成形，便于保证零件的成形精度。在成形过程中，基材表面铺好粉末，激光照射基材表面，使基材表面局部迅速熔化形成熔池，粉末在熔池内快速熔化。随激光束的移动，熔池在相对较大的基材或试件表面快速凝固，同时连续移动的激光束又不断在基材或试件表面形成新的熔池。如此往复，整个薄壁加强筋极高真空室结构由点到线、由线到面、由面到体，最后形成最初设计的尺寸和形状。
[0010]上述的制作方法中，步骤S2中，所述退火热处理的条件如下：温度为700~850℃，时间为1.5~4h，如在800℃下处理2h。
[0011]上述的制作方法中，步骤S2中，采用线切割把薄壁加强筋极高真空室与基材分离，分离的顺序根据实际情况进行调整。线切割时切勿伤及零件本体，严格按照基准线及尺寸要求进行。线切割前后对零件尺寸进行自检，防止切伤零件。切割完后对零件表面的油污等进行清洗，并将零件吹干。
[0012]上述的制作方法中，所述方法还包括后处理布置：去除薄壁加强筋极高真空室上加强筋之间的支撑结构，对部件表面进行打磨抛光，对打磨抛光后的部件表面进行喷砂处理。对零件网格支撑进行去除，切勿伤及零件本体。将支撑面打磨光顺，不得有支撑残留。对零件表面进行喷砂，要求喷砂表面均匀一致，无砂砾残留。
[0013]上述的制作方法中，步骤S3中，所述薄壁真空腔室的连接处设有翻边筋板；可采用手持式激光焊接机，使用的功率是脉冲频率2000Hz，峰值功率400W，扫描宽度1.1mm。用若干个夹具将钛合金薄壁真空室部件两两对齐夹紧，将两两夹紧的钛合金薄壁真空室部件进行激光焊接，使其形成一个完整的薄壁加强筋结构真空室。
[0014]上述的制作方法中，所述薄壁真空腔室包括厚度为0.3~1mm的薄壁和设于所述薄壁上的加强筋。
[0015]上述的制作方法中，所述加强筋沿所述薄壁的长度方向均匀布置，间距为6~30mm。
[0016]上述的制作方法中，所述加强筋为空心结构，其截面呈梯形、矩形或半圆形，呈梯形时，其上底较小，更趋向于三角形；当所述加强筋的截面呈梯形时，所述加强筋的腰与所述薄壁之间的夹角为15
°
~60
°
。
[0017]制作完成后，利用氦质谱检漏法检测钛合金薄壁加强筋真空室是否漏气，漏率值小于1
×
10
‑8Pa.l.s
‑1。
[0018]由于采取以上技术方案，本专利技术具有以下优点：采用3D打印—SLM技术加工的钛合金薄壁加强筋极高真空室，无需模具工装，生产周期短，成本更低。加强筋与薄壁通过打印一体成型，完美解决传统薄壁中加强筋与薄壁焊缝多、极高真空室焊缝泄漏及高温烘烤钎焊加强筋容易脱落等问题。由于钛合金比强度是不锈钢材料的7倍，采用钛合金材料制造的薄壁加本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种钛合金薄壁加强筋极高真空室的制作方法，包括如下步骤：S1、在基材表面铺洒钛合金粉末，根据3D打印模型，进行SLM成型，则在所述基材表面得到薄壁真空腔室；所述钛合金粉末为TC4粉末；所述TC4粉末的粒度为20~63μm，颗粒球形度大于85%，空心粉颗粒百分比小于2.5%；所述TC4粉末的质量组成如下：C≤0.1%，H≤0.015%，O≤0.15%，N≤0.05%，5.5%≤Al≤6.8%，3.5%≤V≤4.5%，Fe≤0.2%，余量为Ti；所述SLM成型的条件如下：激光功率：250~350W；扫描速度：900~1200mm/s；扫描间距：0.08~0.15mm；层间旋转：60
°
~70
°
；层厚：0.04~0.08mm；S2、将所述薄壁真空腔室经退火热处理后与所述基材分离；S3、按照下述步骤1）或2）即得钛合金薄壁加强筋极高真空室：1）对所述薄壁真空腔室两端的法兰进行加工；2）在所述薄壁真空腔室的一端...

【专利技术属性】
技术研发人员：罗成，蒙峻，杨建成，魏宁斐，李长春，焦纪强，朱小荣，杨伟顺，刘建龙，柴振，万亚鹏，蔺晓建，谢文君，马向利，张喜平，
申请(专利权)人：中国科学院近代物理研究所，
类型：发明
国别省市：