鈦合金薄壁件 3D 打印工（gōng）藝技術
2024-7-2 來源： 航空工業航宇救生裝備有限公司 作（zuò）者： 關要軒 李 湘
【摘要】: 針對鈦合金薄（báo）壁零件在（zài）新品製造中，存在生（shēng）產周期長、成本高、加工變形等（děng）諸多問題，通過對合（hé）金薄（báo）壁殼體零（líng）件采用 3D 打（dǎ）印製造技術，對 3D 打印（yìn）毛坯設計、設備選（xuǎn）擇（zé）、成型過程控製、後續處理，以及後續機加進行引用研究。該研究應用對（duì）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（zhī）撐設計 ; 加（jiā）工（gōng）變形 ; 膨脹芯軸
前言
鈦合金是一種非常重要（yào）的有色金（jīn）屬，比強（qiáng）度高且有密度小，並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製得的（de）複雜的鈦合金零（líng）件，由於材料利用率低、成本高、工藝複雜以及後續機械（xiè）加工困難（nán）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（qū）別很大，有著極高的材料利用率，相比傳統的成形加（jiā）工方法有著極大的優（yōu）勢，能夠將初始設（shè）計、工藝驗證與生產製造緊密結合，可快速實現小規模產品創新，縮短研發時間。而本單位近幾（jǐ）年在（zài）科研新品試（shì）製任務與日俱增，現有製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（dǎ）印成型和後續機械加工進（jìn）行應用探索。
1. 零件工藝分析
1.1 結構特征（zhēng）
殼體是航空飛（fēi）機救生產品上的（de）重要零件，其三維模型如圖 1 所示，零件材（cái）料為鈦合金，主體結構是薄壁筒類結構（gòu），外形壁板、螺杆、進氣連接裝置是懸臂結（jié）構，內筒、螺杆、壁板和（hé）進氣孔有精度較高的裝配需求，其餘（yú）外圓表麵無配合要求。
圖 1 殼（ké）體零件三維（wéi）模型
1.2 材料分析
殼體零件材料牌號為（wéi） Ti6AlV4，具有材料密度小（xiǎo）、熔點高、強度高、導（dǎo）熱係數小等特點，而且具有較好的機械性能和耐（nài）腐蝕性，在航空航天和汽車製造領域得（dé）到廣泛應用。其詳細參數如表1 所示。
表 1 材料（liào）成分和物理特性
2. 工藝設計
2.1 工藝（yì）難點
①零件（jiàn）精度要求較高，為複雜異形件（jiàn），具有曲麵框支撐結構，零件曲（qǔ）麵法向缺少支撐，會產生較大（dà）變形，需要強支撐以控製變形 ;
②產品強度要（yào）求較高，退火不（bú）能完全釋放內應力，殘存較大內應力導致產品（pǐn）變形 ;
③零件外表麵不再機（jī）加工，需要通（tōng）過合理擺（bǎi）放及支撐控製生（shēng）長方向（xiàng），以控製變形量。
2.2 設備選擇（zé）
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（jiān）為400mm×400mm×400mm，能夠滿足鋁合金、鈦合（hé）金、高溫合金、不鏽鋼等多種金屬（shǔ）的增材製造。設備主要包含激光器、掃描振鏡、控（kòng）製係統、監（jiān）控係（xì）統、鋪粉和供粉係統等模塊。
2.3 三維模型設計
由（yóu）於 3D 打印（yìn）設備的加工精度較高，打印（yìn）工（gōng）件外型盡（jìn）可能不留餘量加工（gōng），但是在有（yǒu）配合要求或者超出設備加工精（jīng）度的部位可以（yǐ）預留 2mm 餘量，另外還（hái）要根據（jù）後續機械加工裝夾方式（shì）的需（xū）要，添加工藝夾頭。
根據設（shè）備加工範圍和零件尺寸，如圖 2 所示（shì）可采用（yòng）多件排（pái）版加工能夠大幅提升 3D 打印生產（chǎn）
效率。
圖 2 激光打（dǎ）印排版
根據對零件的主要特征分析，產品屬於筒類薄壁類結構，打印擺放需要考慮零件整體圓筒（tǒng）結構尺寸的一致性和變形（xíng）趨（qū）勢，以及打印時層層鋪粉熔融特點，選擇零件豎（shù）直擺放是比較科學合理。對（duì）零件進行擺放角度確（què）定後，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（zhī）撐結構，選擇斜麵端（duān）朝下，兼顧支撐材料（liào）最小化，支撐方（fāng）案如圖3 所示。
圖 3 毛坯（pī）餘量與支（zhī）撐設計
3. 打印過程控（kòng）製
3.1檢查基板
在開始打（dǎ）印前，需要確認激光打印區域與排版圖（tú）一致，打印時基板表麵應無渣、氧化（huà）物、油汙等多餘物，如（rú）有鏽跡可用砂紙進行打磨。基板是打印工件的基準，也是工件的（de）附著載體，材料需與工件材料一致，表麵平麵度≤ 0.03mm，表麵粗糙度≤ Ra0.8，平麵度在 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（wú）汙（wū）染，無結塊，無色（sè）變。添加前應在烘箱（xiāng）80℃ ±15℃環境下加熱不少於 1 小（xiǎo）時，並使用指定密度的篩網篩分添加，保證粉末的流動性。添（tiān）加（jiā）粉末（mò）的體積要大於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（qián），需對其運行環境、硬件狀況等進行確認 : ①設備工控機硬（yìng）盤應有足夠的存儲空間，防止因存儲空間不足（zú）加工過程中數據（jù）的丟失。②惰性氣源充足（zú）（氬氣純度≥ 99.99%），保（bǎo）證加工過程中建造環境的氧含量穩定。③設備所（suǒ）處空間環境溫度保持在 15-30℃之間，濕（shī）度小於50%，防止粉末受潮以及器件損壞。④檢查水路（lù）、電路、防靜電裝置是否正常。
3.4 3D打印工藝（yì）參數設置
先將工件的（de） “.slc” 格式的實體切片文（wén）件導入填（tián）充軟件中，並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（piān）置等（děng）信息進行設（shè）置，如表 2 所示，最後將“.epi” 格式文（wén）件存入打印設備中。
表 2 工藝參數
開始打（dǎ）印前應首先將料（liào）缸上升 0.3mm，防止因料缸中（zhōng）粉末沉降（jiàng）造成首層供粉量不足的現象 ; 其次可適當增大（dà）初始打印供料倍數，保證粉量充足 ; 為保證粉末的利用率（lǜ），加工 20 層（céng）後（hòu）可逐步調（diào）小（xiǎo）鋪粉倍數，每調節 1 次鋪粉倍數觀察 2次鋪粉情況 ; 最後啟動 “開始打印” 按鍵後，係統自動準（zhǔn）備加工環境，待加工（gōng）條件達標後自動打印。打印過程中（zhōng）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（zài） 20-35℃之間，濕（shī）度 <90，設（shè）備鋪粉粉麵是否平整，工件（jiàn）有（yǒu）無翹曲，粉末是否充足（zú）。
3.5 清理工件
工（gōng）件（jiàn）打印完成（chéng）後，將成型缸慢慢升起，用毛刷將基（jī）板上粉末（mò）清掃到落料口下的回收瓶內，卸（xiè）下基板後用防（fáng）爆吸塵器清理工件及基（jī）板表麵浮粉，便於後麵檢（jiǎn）測（cè）外（wài）觀和熱處理。需要注意是 :操作人員須戴好（hǎo）防塵口罩、橡膠手套和防（fáng）護服，及時用防爆吸塵器吸走揚塵（chén）。
3.6 檢查工件（jiàn）
檢查工件外觀形態與設計模型的一致性（xìng），且工件（jiàn）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（zhì）、無磕傷、劃痕、碰傷等缺（quē）陷，且無殘留粉末（mò）。
4.3D 打印後置處理
3D 打印工件的後（hòu）處理工（gōng）序主要包含熱處理、去支撐、特種檢查、吹砂及後續（xù）加工等。根據鈦合金（jīn）沉積態和熱處理後的殘餘應力（lì）研究資料表明，經退火熱處理後，打印工件的殘餘（yú）應力能夠明顯降低，且分布均勻。如果金屬粉末（mò）不夠幹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（chǎn）生孔隙，形（xíng）狀呈細小球形，經熱等靜壓（yā）處理後，內部孔隙會有（yǒu）所減小，但對材料力學性能影響不（bú）大。
4.1 熱處理
工（gōng）件在檢查外觀後，一般應在 24h 內進行去（qù）應（yīng）力熱處理。在實際熱處理過程中選（xuǎn）用電加熱爐進行熱處理，熱處理時帶著基板一（yī）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（yún）一致性，用於（yú）監控工件實際溫（wēn）度，具體參數見圖 4。
圖 4 溫（wēn）度控（kòng）製曲線
4.2 去支撐
工件熱處理後可使用（yòng）線切割設備切掉基（jī）板，再安排鉗（qián）工去除輔助支撐架。由於大部分支撐結（jié）構為薄壁或者桁架細條狀組成，可（kě）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（shā）紙等工具進行修整和打磨拋光。
4.3 特種檢驗
由於鈦（tài）合金 3D 打印加工特點，工件內部（bù）會產生微氣孔、未（wèi）融（róng）合、裂紋等缺陷，因此在機械加（jiā）工前要進行熒光、X 光、超聲波檢（jiǎn）查，確保打印毛坯無缺陷。同時需要對毛坯強度和（hé）化學成分通（tōng）過試件進行檢驗，確保強度和材料成（chéng）分合格（gé）。
4.4 噴砂
零件 3D 打印後表麵存（cún）在粗糙度不均勻、熱處理後存在氧化膜、線切割後存在油汙等現象，因此需選用噴砂工藝來提高工件表麵（miàn）粗糙度，使工件表麵露（lù）出均勻一致的金屬（shǔ）色，提升工件外觀。
4.5 機械（xiè）加（jiā）工
依據機械加工藝方案加工內孔時，使用自製三爪卡盤將整個外圓夾緊，從一端使用粗精鏜內孔（kǒng）時，由於深度較大、鏜刀懸伸長，加工過程中會產生振動（dòng），導（dǎo）致內孔尾部表麵（miàn）粗（cū）糙度差（chà），取下工件後內孔還會疊加變形。在（zài）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（yǒu）支撐導致變（biàn）形 ; 另外去除 3D 打印加厚夾頭也會產生（shēng）應力釋放，導致工件變（biàn）形。為了解決機械加工完後工件（jiàn）多（duō）項尺寸超差、報廢現象，製定解決措施如下 :
①車削內孔粗精加工分（fèn）開，調整餘量分配，消（xiāo）除變形量。內孔預留 1mm 餘量，加工至（zhì）尺寸（cùn）￠81H8，作為芯軸定位基準（zhǔn）。
②設計車削膨脹芯軸代替三爪卡盤夾緊（jǐn），消除夾緊力的影（yǐng）響。工步 1 以密封槽端內孔為基準使（shǐ）用膨脹芯（xīn）軸定位裝夾，加工 M84×1 內螺紋和￠ 82H8 內孔 ; 工步 2 以￠ 82H8 內（nèi）孔為基準定位以及用 M84×1 內螺紋夾（jiá）緊，加工右端內（nèi）孔和（hé）密封槽。
③將精車內孔調整到數銑外型後麵，消（xiāo）除（chú）再次裝夾加工帶來的變形，通過預測變形，改變數（shù）銑走刀路徑，切削層加工（gōng）策略由深度優先，調成深度優先，減小變形。
④采用￠ 32 內冷減震刀杆，以及加（jiā）車刀刀尖半徑 0.4，刀具前角 5°，後角 15°，可有（yǒu）效（xiào）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（yòng）較低（dī）的線（xiàn）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（máo）坯餘量，使餘量均勻（yún）分布，減少（shǎo）內部應力產生。
圖 5 機械加工（gōng）過程
5. 結束語
通過 3D 打印技術在鈦合金薄壁零件製造工藝中的應用實踐，積累了基於增材（cái）製造工藝經驗，為後續（xù）類（lèi）似零件的加工提供借鑒方法。3D 打（dǎ）印製造具有周期短（duǎn）、精度高、零件近淨成形等特（tè）點，能夠讓新（xīn）產品設計擺（bǎi）脫（tuō）傳統製造工藝限製，實現產品結構功能一體（tǐ）化、輕量化、集成化，以及快速更新迭代，從而降低科研成本。
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