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鈦合金薄壁件 3D 打印工藝技術

2024-7-2 來源：航空工業航宇救生裝備有限公司作者：關要軒李湘

【摘要】: 針對鈦合金薄壁零件在新品制造中，存在生產周期長、成本高、加工變形等諸多問題，通過對合金薄壁殼體零件采用 3D 打印制造技術，對 3D 打印毛坯設計、設備選擇、成型過程控制、后續處理，以及后續機加進行引用研究。該研究應用對航空新品類似零件的生產加工有很好的使用和參考價值。

【關鍵詞】: 鈦合金 ; 薄壁件 ;3D 打印 ; 支撐設計 ; 加工變形 ; 膨脹芯軸

前言

鈦合金是一種非常重要的有色金屬，比強度高且有密度小，并具有良好的高溫變形性能、耐腐蝕性能等優點，在航空航天、工業、國防、醫療等領域得到廣泛應用。采用傳統的鑄造和鍛造等增材方法所制得的復雜的鈦合金零件，由于材料利用率低、成本高、工藝復雜以及后續機械加工困難度高，嚴重影響其廣泛應用。而 3D 打印技術與傳統工藝加工方法區別很大，有著極高的材料利用率，相比傳統的成形加工方法有著極大的優勢，能夠將初始設計、工藝驗證與生產制造緊密結合，可快速實現小規模產品創新，縮短研發時間。而本單位近幾年在科研新品試制任務與日俱增，現有制造技術很難滿足其周期和質量要求。本文將以鈦合金薄壁筒類的殼體零件為例，對 3D 打印成型和后續機械加工進行應用探索。

1. 零件工藝分析

1.1 結構特征

殼體是航空飛機救生產品上的重要零件，其三維模型如圖 1 所示，零件材料為鈦合金，主體結構是薄壁筒類結構，外形壁板、螺桿、進氣連接裝置是懸臂結構，內筒、螺桿、壁板和進氣孔有精度較高的裝配需求，其余外圓表面無配合要求。

圖 1 殼體零件三維模型

1.2 材料分析

殼體零件材料牌號為 Ti6AlV4，具有材料密度小、熔點高、強度高、導熱系數小等特點，而且具有較好的機械性能和耐腐蝕性，在航空航天和汽車制造領域得到廣泛應用。其詳細參數如表1 所示。

表 1 材料成分和物理特性

2. 工藝設計

2.1 工藝難點

①零件精度要求較高，為復雜異形件，具有曲面框支撐結構，零件曲面法向缺少支撐，會產生較大變形，需要強支撐以控制變形 ;

②產品強度要求較高，退火不能完全釋放內應力，殘存較大內應力導致產品變形 ;

③零件外表面不再機加工，需要通過合理擺放及支撐控制生長方向，以控制變形量。

2.2 設備選擇

根據工藝要求 ,3D 打印粉末選取的是鈦粉Ti6Al4V。打印設備型號 MX400，設備成型空間為400mm×400mm×400mm，能夠滿足鋁合金、鈦合金、高溫合金、不銹鋼等多種金屬的增材制造。設備主要包含激光器、掃描振鏡、控制系統、監控系統、鋪粉和供粉系統等模塊。

2.3 三維模型設計

由于 3D 打印設備的加工精度較高，打印工件外型盡可能不留余量加工，但是在有配合要求或者超出設備加工精度的部位可以預留 2mm 余量，另外還要根據后續機械加工裝夾方式的需要，添加工藝夾頭。

根據設備加工范圍和零件尺寸，如圖 2 所示可采用多件排版加工能夠大幅提升 3D 打印生產

效率。

圖 2 激光打印排版

根據對零件的主要特征分析，產品屬于筒類薄壁類結構，打印擺放需要考慮零件整體圓筒結構尺寸的一致性和變形趨勢，以及打印時層層鋪粉熔融特點，選擇零件豎直擺放是比較科學合理。對零件進行擺放角度確定后，為了減小外形懸臂結構在打印過程中在重力影響下的流體變形，需要在懸臂特征下方增加支撐結構，選擇斜面端朝下，兼顧支撐材料最小化，支撐方案如圖3 所示。

圖 3 毛坯余量與支撐設計

3. 打印過程控制

3.1檢查基板

在開始打印前，需要確認激光打印區域與排版圖一致，打印時基板表面應無渣、氧化物、油污等多余物，如有銹跡可用砂紙進行打磨。基板是打印工件的基準，也是工件的附著載體，材料需與工件材料一致，表面平面度≤ 0.03mm，表面粗糙度≤ Ra0.8，平面度在 0.03mm。

3.2 添加粉末

添加的鈦合金粉末之前應進行檢查，確保無污染，無結塊，無色變。添加前應在烘箱80℃ ±15℃環境下加熱不少于 1 小時，并使用指定密度的篩網篩分添加，保證粉末的流動性。添加粉末的體積要大于打印工件體積的兩倍，以避免開倉加粉導致設備暫停的情況出現。

3.3 環境確認

設備打印前，需對其運行環境、硬件狀況等進行確認 : ①設備工控機硬盤應有足夠的存儲空間，防止因存儲空間不足加工過程中數據的丟失。②惰性氣源充足（氬氣純度≥ 99.99%），保證加工過程中建造環境的氧含量穩定。③設備所處空間環境溫度保持在 15-30℃之間，濕度小于50%，防止粉末受潮以及器件損壞。④檢查水路、電路、防靜電裝置是否正常。

3.4 3D打印工藝參數設置

先將工件的 “.slc” 格式的實體切片文件導入填充軟件中，并對其填充參數激光功率、速度、掃描間距、掃描方式、填充線循環角度、輪廓間距、填充偏置等信息進行設置，如表 2 所示，最后將“.epi” 格式文件存入打印設備中。

表 2 工藝參數

開始打印前應首先將料缸上升 0.3mm，防止因料缸中粉末沉降造成首層供粉量不足的現象 ; 其次可適當增大初始打印供料倍數，保證粉量充足 ; 為保證粉末的利用率，加工 20 層后可逐步調小鋪粉倍數，每調節 1 次鋪粉倍數觀察 2次鋪粉情況 ; 最后啟動 “開始打印” 按鍵后，系統自動準備加工環境，待加工條件達標后自動打印。打印過程中操作人員應定時巡查，主要工作包括 : 觀察氧含量 <1000ppm，環境溫度在 20-35℃之間，濕度 <90，設備鋪粉粉面是否平整，工件有無翹曲，粉末是否充足。

3.5 清理工件

工件打印完成后，將成型缸慢慢升起，用毛刷將基板上粉末清掃到落料口下的回收瓶內，卸下基板后用防爆吸塵器清理工件及基板表面浮粉，便于后面檢測外觀和熱處理。需要注意是 :操作人員須戴好防塵口罩、橡膠手套和防護服，及時用防爆吸塵器吸走揚塵。

3.6 檢查工件

檢查工件外觀形態與設計模型的一致性，且工件間無任何粘連 ; 工件、試樣、基板結合正常，無開裂，工件及試樣任何部位無肉眼可見裂紋 ;工件外觀顏色一致、無磕傷、劃痕、碰傷等缺陷，且無殘留粉末。

4.3D 打印后置處理

3D 打印工件的后處理工序主要包含熱處理、去支撐、特種檢查、吹砂及后續加工等。根據鈦合金沉積態和熱處理后的殘余應力研究資料表明，經退火熱處理后，打印工件的殘余應力能夠明顯降低，且分布均勻。如果金屬粉末不夠干燥或者吸附空氣雜質，在打印過程中還會存在氬氣泡，將導致工件內部產生孔隙，形狀呈細小球形，經熱等靜壓處理后，內部孔隙會有所減小，但對材料力學性能影響不大。

4.1 熱處理

工件在檢查外觀后，一般應在 24h 內進行去應力熱處理。在實際熱處理過程中選用電加熱爐進行熱處理，熱處理時帶著基板一起，為了控溫精準，可在熱處理過程中安放了負載熱電偶，保證溫度均勻一致性，用于監控工件實際溫度，具體參數見圖 4。

圖 4 溫度控制曲線

4.2 去支撐

工件熱處理后可使用線切割設備切掉基板，再安排鉗工去除輔助支撐架。由于大部分支撐結構為薄壁或者桁架細條狀組成，可以使用鉗子等工具進行拆除。連接處如有毛邊等殘留，可以風槍、砂紙等工具進行修整和打磨拋光。

4.3 特種檢驗

由于鈦合金 3D 打印加工特點，工件內部會產生微氣孔、未融合、裂紋等缺陷，因此在機械加工前要進行熒光、X 光、超聲波檢查，確保打印毛坯無缺陷。同時需要對毛坯強度和化學成分通過試件進行檢驗，確保強度和材料成分合格。

4.4 噴砂

零件 3D 打印后表面存在粗糙度不均勻、熱處理后存在氧化膜、線切割后存在油污等現象，因此需選用噴砂工藝來提高工件表面粗糙度，使工件表面露出均勻一致的金屬色，提升工件外觀。

4.5 機械加工

依據機械加工藝方案加工內孔時，使用自制三爪卡盤將整個外圓夾緊，從一端使用粗精鏜內孔時，由于深度較大、鏜刀懸伸長，加工過程中會產生振動，導致內孔尾部表面粗糙度差，取下工件后內孔還會疊加變形。在粗精加工外形時采用芯軸工裝，能定位裝夾能到矯正作用，但是加工完取下工件時，內孔沒有支撐導致變形 ; 另外去除 3D 打印加厚夾頭也會產生應力釋放，導致工件變形。為了解決機械加工完后工件多項尺寸超差、報廢現象，制定解決措施如下 :

①車削內孔粗精加工分開，調整余量分配，消除變形量。內孔預留 1mm 余量，加工至尺寸￠81H8，作為芯軸定位基準。

②設計車削膨脹芯軸代替三爪卡盤夾緊，消除夾緊力的影響。工步 1 以密封槽端內孔為基準使用膨脹芯軸定位裝夾，加工 M84×1 內螺紋和￠ 82H8 內孔 ; 工步 2 以￠ 82H8 內孔為基準定位以及用 M84×1 內螺紋夾緊，加工右端內孔和密封槽。

③將精車內孔調整到數銑外型后面，消除再次裝夾加工帶來的變形，通過預測變形，改變數銑走刀路徑，切削層加工策略由深度優先，調成深度優先，減小變形。

④采用￠ 32 內冷減震刀桿，以及加車刀刀尖半徑 0.4，刀具前角 5°，后角 15°，可有效消除過程震動，提高刀具壽命。

⑤通過優化切削參數，調整切削線速度，主動避開震動區間。采用較低的線速度、大切深、小切寬或大切深、大切寬的加工參數，此時的切屑形成效果好，材料去除率較高。

⑥優化 3D 打印毛坯余量，使余量均勻分布，減少內部應力產生。