【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及精密制造领域，具体是一种大尺寸tc11钛合金薄壁筒体的复合制造方法。
技术介绍
1、薄壁筒体是航天发动机关键金属构件，在发动机工作中承受着严酷的飞行力学载荷和热载荷。随着航天技术的发展，航天发动机薄壁筒体的结构越来越复杂，材料由传统的高强钢向轻质高强钛合金方向发展。发动机高强钢筒体传统工艺流程为：旋压筒体→组焊接头与外部件→整壳调质热处理→整壳机加工。
2、tc11是一种α+β型热强钛合金，由于其高强度、良好的耐腐蚀性、热稳定性。与高强钢筒体相比，tc11钛合金筒体具有优越的轻质化优势，但是tc11钛合金可旋性与切削性差，导致薄壁圆筒的成形性能远不如传统的超高强度钢，使钛合金在固体发动机薄壁筒形件的应用方面受到极大限制。
3、选区激光熔化技术激光束按cad图形数据将金属粉末快速熔化，逐层“堆积”成各种形状复杂、致密度接近100％的金属零件的工艺过程。对于结构复杂件、变截面以及异形构件的加工具有独特优势，具有成形精度高、材料利用率高等一系列优点。
4、近年来选区激光熔化技术在航空航天领域逐渐开始应用。如专利202010738832.9公布了一种高强铝合金结构激光增材制造的工艺方法，可实现仿生结构、拓扑优化结构等复杂零件的成形，铝合金强度可达530mpa以上。专利202011489777.0公布了一种高强铝合金复杂结构增材制造方法，通过优化选区激光熔化成形工艺，降低了成形件的表面粗糙度。
5、上述专利均采用选区激光熔化技术直接成形，但是目前已有选区激光熔化设备较小，可打印
技术实现思路
1、为克服选区激光熔化建造tc11钛合金薄壁筒体因粗大柱状晶粒引起的力学性能下降的不足，本专利技术提出了一种tc11钛合金薄壁筒体的复合制造方法。
2、本专利技术的具体过程是：
3、步骤1，按不同工艺划分钛合金薄壁筒体；
4、将筒体划分为两个组成部分，分别第一段筒体和第二段筒体。
5、所述第一段筒体为该筒体的封闭端一端，第二段筒体为所述筒体的敞口端一端；所述第一段筒体与第二段筒体的分界处位于该筒体外圆周表面台阶处，使该第二段筒体为等径的筒段，将采用传统的锻造方式制备，使该第一段筒体为结构复杂的筒段，将采用选区激光熔化方法制备。
6、步骤2，制备合金化粉末：
7、在tc11钛合金粉末中同时加入cu、mn两种元素粉末并混合均匀；通过球磨混合获得选区激光熔化所需的合金化粉末。
8、所述合金粉末中cu粉末和mn粉末占tc11钛合金的质量百分比分别为a和b，a和b应满足：a＝0.7％～2.1％，b＝0.6％～1.7％，并使a与b之和≤所述tc11钛合金粉末总量的2.7％。
9、所述tc11粉末为球形粉，粒径为15～53μm。所述cu粉末为球形粉，粒径为0.5～4μm。所述mn粉末为球形粉、粒径为0.5～4μm。
10、采用球磨方法使得cu、mn粉末充分附着在tc11钛合金粉末上，实现不同元素粉末的均匀混合。球磨的转速为300r/min；球料比为3：10。
11、步骤3，制备钛合金薄壁筒体第一段筒体：
12、采用选区激光熔化的方法制备钛合金薄壁筒体第一段筒体。
13、采用magics软件绘制第一段筒体的三维模型，并将三维模型沿高度方向切分成等厚的0.03mm的片层，得到第一段筒体的切层扫描数据，并将切层扫描数据数据导入选区激光熔化设备中。
14、设置选区激光熔化的工艺参数为：激光功率为300～350w；扫描速度为500～750mm/s；扫描间距为0.10mm；层厚为0.03mm；扫描路径为直线。各层扫描方向θj不同，其中第一层的扫描方向与激光熔化装置成型仓的x轴平行，并使后一层扫描方向在前一层扫描方向的基础上顺时针增加k°，为θj＝k×j；j为扫描层数，j＝2,3，…。直至达到设定高度，完成钛合金薄壁筒体第一段筒体的制备。
15、所述制备钛合金薄壁筒体第一段筒体的具体过程是：
16、扫描第一层：
17、将得到的合金化粉末放置入选区激光熔化设备成型仓内，采用刮刀铺粉，形成第一层粉末床，铺粉厚度为0.03mm。启动激光，根据所述切层扫描数据扫描熔化粉末床。扫描路径为直线，扫描方向θ1与选区激光熔化装置成型仓的x轴之间的夹角为0°。完成第一层粉末的激光熔化。
18、扫描第二层：
19、采用刮刀在熔化后的第一层粉末上进行铺粉形成第二层粉末床；铺粉厚度为0.03mm。启动激光，根据分层扫描数据扫描熔化粉末床；扫描路径为直线，方向顺时针偏转，与所述x轴之间的夹角为θ2，扫描方向在第一层扫描方向的基础上顺时针增加67°，使第二层扫描方向与激光熔化装置成型仓的x轴之间的夹角θ＝67°。完成第二层粉末的激光熔化。
20、扫描第三层：
21、采用刮刀在第二层粉末床上进行铺粉形成第三层粉末床。铺粉厚度为0.03mm。启动激光，根据分层扫描数据扫描熔化粉末床；扫描路径为直线，扫描方向继续顺时针偏转，与所述x轴之间的夹角为θ3，扫描方向在第二层扫描方向的基础上顺时针增加67°，使第二层扫描方向与激光熔化装置成型仓的x轴之间的夹角θ＝134°。完成第三层粉末的激光熔化。
22、重复所述第二层粉末的激光熔化至第三层粉末的激光熔化的扫描过程，直至达到设定高度。
23、步骤4，去应力退火：
24、进行选区激光熔化部件的消应力退火热处理。
25、所述消应力退火的具体工艺参数为：以3℃/min的升温速率，将热处理炉加热至540℃保温2h；保温结束后随炉冷却。完成对钛合金薄壁筒体第一段筒体的去应力退火，以消除所述第一段筒体的残余应力。
26、步骤5，激光清洗：
27、对得到的经过去应力退火的第一段筒体进行激光清洗，以改善第一段筒体的表面质量。
28、表面激光清洗参数为：激光功率为90w、激光频率为100khz、激光扫描线速度为0.9～1.1m/s。
29、步骤6，第一段筒体的机加：
30、所述步骤6对第一筒体的机加是根据设计尺寸去除第一段筒体的多余材料，并在该第一段筒体的焊接部位加工出i字形的焊接坡口。
31、步骤7，薄壁筒体第二段筒体的机加：
32、采用机械加工方法，按设计要求将锻件加工成为第二段筒体2。
33、步骤8，坡口的清理：
34、对所述第一段筒体1的待焊接部位和第二段筒体2的待焊接部位清理。
【技术保护点】
1.一种TC11钛合金薄壁筒体的复合制造方法，其特征在于，具体过程是：
2.如权利要求1所述一种TC11钛合金薄壁筒体的复合制造方法，其特征在于，所述第一段筒体(1)为该筒体的封闭端一端，第二段筒体为所述筒体的敞口端一端；所述第一段筒体与第二段筒体的分界处位于该筒体外圆周表面台阶处，使该第二段筒体(2)为等径的筒段，将采用传统的锻造方式制备，使该第一段筒体为结构复杂的筒段，将采用选区激光熔化方法制备。
3.如权利要求1所述一种TC11钛合金薄壁筒体的复合制造方法，其特征在于，所述TC11粉末为球形粉，粒径为15～53μm；所述Cu粉末为球形粉，粒径为0.5～4μm；
4.如权利要求3所述一种TC11钛合金薄壁筒体的复合制造方法，其特征在于，采用球磨方法使得Cu、Mn粉末充分附着在TC11钛合金粉末上，实现不同元素粉末的均匀混合；球磨的转速为300r/min；球料比为3：10。
5.如权利要求1所述一种TC11钛合金薄壁筒体的复合制造方法，其特征在于，制备钛合金薄壁筒体第一段筒体的具体过程是：
6.如权利要求1所述一种TC
7.如权利要求1所述一种TC11钛合金薄壁筒体的复合制造方法，其特征在于，表面激光清洗参数为：激光功率为90W、激光频率为100kHZ、激光扫描线速度为0.9～1.1m/s。
8.如权利要求1所述一种TC11钛合金薄壁筒体的复合制造方法，其特征在于，所述步骤6对第一筒体的机加是根据设计尺寸去除第一段筒体的多余材料，并在该第一段筒体的焊接部位加工出I字形的焊接坡口。
9.如权利要求1所述一种TC11钛合金薄壁筒体的复合制造方法，其特征在于，所述激光焊是采用由IPG-8000光纤激光器、ABB 6轴机器人和局部惰性气体保护装置组成的激光焊接系统，激光波长为1070nm、光斑直径为200μm；焊接参数为：激光功率为1100W，焊接速度为1m/min，离焦量为0mm，保护气氛为纯度为99.999％的氩气。
10.如权利要求1所述一种TC11钛合金薄壁筒体的复合制造方法，其特征在于，所述热处理时，以3℃/min的升温速率随炉升温至860～890℃并保温1h后空冷到室温；
...【技术特征摘要】
1.一种tc11钛合金薄壁筒体的复合制造方法，其特征在于，具体过程是：
2.如权利要求1所述一种tc11钛合金薄壁筒体的复合制造方法，其特征在于，所述第一段筒体(1)为该筒体的封闭端一端，第二段筒体为所述筒体的敞口端一端；所述第一段筒体与第二段筒体的分界处位于该筒体外圆周表面台阶处，使该第二段筒体(2)为等径的筒段，将采用传统的锻造方式制备，使该第一段筒体为结构复杂的筒段，将采用选区激光熔化方法制备。
3.如权利要求1所述一种tc11钛合金薄壁筒体的复合制造方法，其特征在于，所述tc11粉末为球形粉，粒径为15～53μm；所述cu粉末为球形粉，粒径为0.5～4μm；
4.如权利要求3所述一种tc11钛合金薄壁筒体的复合制造方法，其特征在于，采用球磨方法使得cu、mn粉末充分附着在tc11钛合金粉末上，实现不同元素粉末的均匀混合；球磨的转速为300r/min；球料比为3：10。
5.如权利要求1所述一种tc11钛合金薄壁筒体的复合制造方法，其特征在于，制备钛合金薄壁筒体第一段筒体的具体过程是：
6.如权利要求1所述一种tc11钛合金薄壁筒体的复合制造方法，其特征在于，所述消应力退火的具体工艺参数为：以3℃...
【专利技术属性】
技术研发人员：王猛，张立平，吴军，赵琳瑜，熊然，蒙永胜，陈劭川，康民，王向军，写旭，张锋，
申请(专利权)人：西安航天动力机械有限公司，
类型：发明
国别省市：
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