一种均质TC4钛合金制备装置及方法

一种均质tc4钛合金制备装置及方法
技术领域
1.本发明涉及一种均质tc4钛合金制备装置及方法，属于钛合金增材制造技术领域。


背景技术：

2.当前用于合成tc4钛合金材料的主要手段是电子束冷床熔炼(ebchm)法，如专利cn109136596所提出的一种带有后处理的tc4铸锭ebchm制备工艺，通过对熔炼后的tc4钛合金铸锭进行直轧处理，有效地提高了tc4钛合金材料的终态组织性能。此外，与传统的熔炼工艺相比，电子束冷床熔炼技术可以有效地去除tc4钛合金制备过程中产生的低密度夹杂和高密度夹杂，同时还可以显著降低tc4钛合金中的氢元素含量。电子束冷床熔炼技术还可以将生产过程中产生的“废料”进行重熔，实现tc4钛合金材料的回收再利用。然而，作为tc4钛合金的主要生产方式，电子束冷床熔炼工艺仍存在一定的“缺陷”。该工艺需在真空环境中进行，这会进一步引起合金中易挥发成分的挥发，使铸锭成分偏离原有工艺，导致tc4钛合金铸锭成分在某些方向上产生剧烈波动；所以，设计出一种高效制备均质tc4钛合金材料的工艺具有显得尤为重要。
3.增材制造工艺与传统的减材制造不同，其本质是通过能量源与粉末相互作用形成微小熔池，再将形成的微小熔池沿预先设定的路径进行三维方向上的无限堆叠，以cad数字模型为基础，与机械运动控制相结合，最终实现三维结构的快速制造。相较于传统减材制造，增材制造技术具有成形自由度高、工艺参数调节时效性好、生产周期短、材料利用率高等特点，是一种有着较好结构与成分适应性的快速成形工艺。因此，增材制造工艺在钛合金制备与加工领域取得了长足发展。
4.目前国内主流tc4增材制造工艺主要是通过预先制备球形度较好的tc4钛合金粉末实现钛合金构件的成形。作为金属增材制造的主要原料，tc4钛合金金属粉末的加工性能对成形工件的性能有着显著影响。如cn105642879提出的一种用于激光3d打印的球形tc4钛合金粉末及其制备方法，该专利在粉末成分及粉末制备工艺上进行了优化，在传统工艺的基础上引入了雾化控制过程，进一步提高了增材制造用tc4钛合金粉末性能，有效地改善了tc4钛合金的成形性能。但在tc4钛合金增材制造成形过程中，许多操作过程均涉及到粉末的存储、运输、供给、混合以及填充等步骤，这大大增加了高质量tc4钛合金工件成形过程中的不确定因素。因此，研发一种均质tc4钛合金制备及其复杂结构成形的一体化增材制造方法具有重要意义。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种均质tc4钛合金制备装置，用于解决现有均质tc4钛合金增材制造中的工艺缺陷，包括多材料高精智能送粉器、高速静态混粉器、超高速喷头、机械臂和增材制造平台。
6.所述多材料高精智能送粉器包括六个或六个以上储粉仓5、与储粉仓5结构数量相同的回转刮吸式送粉结构3、不间断加粉装置6、送粉器主机结构1、出粉管路4；所述多材料
高精智能送粉器一端与保护气供给装置相连，另一端则与高速静态混粉器进粉管7相连；所述回转刮吸式送粉结构3位于储粉仓5结构下端且与储粉仓5结构连接；所述出粉管路4位于回转刮吸式送粉结构3上端，与储粉仓5结构呈对称分布；出粉管路4通过气管接头与高速静态混粉器的进粉管7相连。
7.和常规送粉器相比，本发明所述多材料高精智能送粉器在结构上采取了轻量化的设计理念，通过对主机结构进行轻量化设计，实现送粉器整机重量减少50％以上，大大提高了设备的使用灵活性。
8.所述的高速静态混粉器包括进粉管7、射流传输管8、雾化混合腔体10、出粉管组9，高速静态混粉器为静态粉末混合结构，使用载粉气流作为唯一动力源：所述进粉管7结构位于混粉器中心轴的最下端，外形为一向上截面积逐渐收缩的平滑圆台，进粉管7结构下端面包括两个或两个以上沿进粉管7下端面周向均匀排布的进粉孔，进粉管7结构上端与射流传输管8相连；所述射流传输管8为一截面积逐渐收缩的锥形管路，位于进粉管7上端，且与进粉管7相连，管路上端延伸至雾化混合腔体10内部；雾化混合腔体10为一环状腔体，纵向截面形状为一等径圆形，腔体顶端有一倒锥形结构，倒锥形结构的底端延伸至射流传输管8结构内部，且与雾化混合腔体上壁面曲率相同；所述出粉管组9为一组沿雾化混合腔体底部周向排布的出粉管路，管路进口端连通雾化混合腔体10内部，出口端通过气管与超高速喷头连接。
9.和常规混粉器相比，本发明所述多高速静态混粉器通过设计复杂内流道结构，实现了多种金属粉末的快速混合；通过控制混粉器内部流场结构，有效的解决了传统混粉过程改变粉末表面形态的问题。
10.所述的超高速喷头包括两个或两个以上进料管路13、环形均粉腔16、环形喷粉口18、环形喷气口17、激光光路14、冷却管路15，所述进料管路13沿超高速喷头结构周向均匀分布于结构上部，进料管路13与混粉器出粉管组9相连通；所述环形均粉腔16的内壁设计以曲率过度方法为基准，截面积由上至下逐渐收缩，所述环形均粉腔16上端与进料管路13相连；所述环形喷粉口18位于环形均粉腔16下端，环形喷粉口18两壁面相互平行且与地面呈一角度；所述环形喷气口17为一直径稍大于环形喷粉口18且与环形喷粉口18同心的圆环，该结构与保护气体供给装置相连，环形喷气口17两壁面平行且与环形喷粉口18角度相同；冷却管路15为一包裹激光光路的中空结构，其具有复杂内流道结构；激光光路为一位于喷头结构中心轴线处的贯通圆孔，其直径保持不变。
11.和常规喷头相比，本发明所述超高速喷头在结构上设置有环形均粉腔16，该结构可以有效的促进粉末在喷头内部的充分弥散，有效的解决了环形截面上粉末分布不均匀的问题。
12.还包括用于搭载激光源及超高速送粉喷头的机械臂，超高速送粉喷头的正下方设有打印平台。
13.所述的打印平台，包括成形平台19、平台调平装置20、绕转轴21、底座22，所述成形平台19为一平整度较高的圆形不锈钢板，板上开有按一定规律排布且充满整个板面的螺纹通孔；所述基板夹具为一纵向截面为梯形的不锈钢块，块体尾部连接有一内六角螺丝，基板夹具通过内六角螺丝与成形平台相连；所述平台调平装置20为一组分布于成形平台底部的弹性机构，成形平台通过调平装置与底座22相连。
14.本发明的另一目的在于所述均质tc4钛合金制备装置用于制备均质tc4钛合金的方法，将tc4钛合金制备工艺与tc4钛合金增材制造工艺相耦合，实现了经由tc4钛合金原料通过增材制造工艺直接成形复杂结构均质tc4钛合金工件的技术目标，所述生产工艺包括送粉工艺、混粉工艺和成形工艺，具体包括以下步骤：
15.(1)分别将钛(ti)粉、al-50v中间合金粉末、纯净的铝粉分别置于不同储粉仓。
16.(2)通过气力输运方式将多种金属粉末输送至所述高速静态混粉器结构，混粉器内部载粉气流速度保持在0至3m/s范围。
17.(3)将多材料高精智能送粉器所输出的多束单种材料粉末流进行静态混合，并将混合过后的粉末输出至超高速喷头。
18.(4)将高速静态混粉器混合后的多种金属粉末以一定角度喷出至成形平台。
19.优选的，本发明使用对tc4钛合金有保护作用的气体作为动力源，工作时腔体压力为0.4～1.4mpa，流量调节范围为0～30l/min，粉盘结构最大转速20r/min。
20.优选的，本发明所述增材制造过程送粉速率保持在5～20g/min，送粉过程中钛粉、al-50v中间合金粉末、纯净的铝粉质量流量为45:1:4。
21.优选的，本发明所述增材制造过程中，激光功率为0～2400w，激光光斑为一圆形光斑，扫描速度随送粉速率变化自适应更改。
22.本发明所述增材制造工艺设置粉末混合阶段，通过具有复杂内流道的多粉末混合装置实现tc4钛合金粉末原料的成分均匀分布。
23.本发明所述送粉阶段采用一种全新的高精度智能且可以实时更改送粉参数的多材料送粉装置，以实现多种金属粉末的稳定输送及tc4钛合金制备过程送粉量的精确控制；整套设备工艺参数由一套控制系统独立控制，通过将增材制造过程实时监控及腔体压力、气体流速、送粉器转速等数据实时反馈至送粉装置控制端，实现多工艺参数间的自动平衡。
24.本发明所述高速静态混粉器基于空气动力学原理进行结构设计，混粉器内的射流传输管内设有复杂内流道结构，可以实现无限种粉末间的对流传质，由静态混粉结构完成多种粉末混合，并将混合粉末输出至超高速喷头处。
25.本发明所述超高速喷头通过环形喷粉口将多种金属粉末以一定角度喷出，使气固两相流束与激光束汇聚于成形平台上方一定高度处，且可以根据成形情况实时调节粉末喷出角度。
26.本发明的有益效果：
27.(1)本发明采用的设备中在高精度智能送粉器中嵌入工艺参数负反馈功能及工艺参数自动匹配功能，改变了传统增材制造工艺中送粉装置固定参数的单向输出模式；本发明采用的设备中在高精度智能送粉器储粉模块中集成了多个储粉单元，满足了tc4钛合金制备过程中对多材料固定比例同时输入的要求。
28.(2)本发明采用的工艺中加入多种粉末混合装置，支持两种或两种以上金属粉末的实时均匀混合，为tc4钛合金增材制造提供稳定均匀的复合金属粉末，实现了增材制造过程中输入至微小熔池中成分的绝对均匀，在一定程度上解决了传统tc4钛合金制备过程中成分分布不均匀的问题。
29.(3)本发明设有超高速送粉喷头结构，在加工相同截面尺寸工件时，其成形过程中独特的超高温微小熔池，在热输入总量保持不变的情况下其凝固时间更短，熔体强对流和
超高温度梯度、超快冷却速度等非平衡凝固条件，不仅克服了传统钛合金铸锭冶金偏析严重、疏松、凝固组织粗大等固有冶金缺陷，还为突破传统钛合金铸锭冶金的合金化限制，制造新一代高性能复杂钛合金构件提供了可能。
附图说明
30.本发明所附图样用于辅助理解本发明技术方案内容，并且构成说明书的一部分，与本发明所讲述的工艺流程及设备介绍一起用于解释本发明的技术方案，并不构成对本发明技术方案的限制。
31.图1为用于均质tc4钛合金制备的增材制造的装置的结构示意图。
32.图2为雾化混合腔体的局部结构示意图。
33.图中：1-送粉器主机结构；2-送粉器操作系统显示屏；3-回转刮吸式送粉结构；4-出粉管路；5-储粉仓；6-不间断加粉装置；7-进粉管；8-射流传输管；9-出粉管组；10-雾化混合腔体；11-机械臂；12-激光光源；13-进料管路；14-激光光路；15-冷却管路；16-环形均粉腔；17-环形喷粉口；18-环形喷粉口；19-成形平台；20-平台调平装置；21-绕转轴；22-底座。
具体实施方式
34.为了更好的说明本发明内容所包含的技术要点及技术优势，特再次对本发明的内容进行详细的示例说明；需要特殊说明的是，本发明中所述的结构组合案例不具有唯一性，在互不干扰的情况下，本发明中所述的独特结构可以相互组合。
35.实施例1
36.如图1所示，本发明提供了一种用于均质tc4钛合金制备及复杂钛合金构件成形工艺一体化的增材制造设备，所述生产设备包括多材料高精智能送粉器、高速静态混粉器、超高速喷头、机械臂和增材制造平台；
37.本实施例所述多材料高精智能送粉器使用载粉气流作为唯一动力来源；包括六个或六个以上储粉仓5、与储粉仓5结构数量相同的回转刮吸式送粉结构3、不间断加粉装置6、送粉器主机结构1、出粉管路4；所述多材料高精智能送粉器一端与保护气供给装置相连，另一端则与高速静态混粉器进粉管7相连；所述储粉仓5顶部设置有不间断加粉装置6，并且通过底端的小孔与回转刮吸式送粉结构3相连；回转刮吸式送粉结构3上平面一侧开有小孔，小孔通过出粉管路4及软管与高速静态混粉器的进粉管7相连；所述出粉管路4与储粉仓5结构呈对称分布。
38.本实施例所述的高速静态混粉器包括进粉管7、射流传输管8、雾化混合腔体10、出粉管组9，高速静态混粉器为静态粉末混合结构，使用载粉气流作为唯一动力源：进粉管7设置在高速静态混粉器底部，且通过射流传输管8与雾化混合腔体10相连；雾化混合腔体10底部设置有出粉管组9，出粉管组9通过挂载在机械臂11上的气管与进粉管路13相连；
39.还包括用于搭载激光源及超高速送粉喷头的机械臂，超高速送粉喷头的正下方设有打印平台。
40.本实施例所述的超高速喷头包括两个或两个以上进料管路13、环形均粉腔16、环形喷粉口18、环形喷气口17、激光光路14、冷却管路15，所述进料管路13沿超高速喷头结构周向均匀分布于结构上部，进料管路13与混粉器出粉管组9相连通；所述环形均粉腔16的内
壁设计以曲率过度方法为基准，截面积由上至下逐渐收缩，所述环形均粉腔16上端与进料管路13相连；所述环形喷粉口18位于环形均粉腔16下端，环形喷粉口18两壁面相互平行且与地面呈一角度；所述环形喷气口17为一直径稍大于环形喷粉口18且与环形喷粉口18同心的圆环，该结构与保护气体供给装置相连，环形喷气口17两壁面平行且与环形喷粉口18角度相同；冷却管路15为一包裹激光光路的中空结构，其具有复杂内流道结构；激光光路为一位于喷头结构中心轴线处的贯通圆孔，其直径保持不变。
41.进气管路13还通过气管与外置气源相连；环形均粉腔16顶端与进粉管路13相连，底端与环形喷粉口联通；打印平台放置于超高速喷头正下方，成形平台19始终与超高速喷头保持一定距离，平台下方连接有平台调平装置20，平台调平装置20通过绕转轴21控制其运动，并通过绕转轴21与底座22相连。
42.本实施例所述的打印平台，包括成形平台19、平台调平装置20、绕转轴21、底座22，所述成形平台19为一平整度较高的圆形不锈钢板，板上开有按一定规律排布且充满整个板面的螺纹通孔；所述基板夹具为一纵向截面为梯形的不锈钢块，块体尾部连接有一内六角螺丝，基板夹具通过内六角螺丝与成形平台相连；所述平台调平装置20为一组分布于成形平台底部的弹性机构，成形平台通过调平装置与底座22相连。
43.实施例2
44.如图1所示，本实施例提供了一种用于均质tc4钛合金制备的增材制造方法，具体包括以下步骤：
45.a.所述多材料高精智能送粉器至少包含三个储粉仓结构，分别将钛(ti)粉、al-50v中间合金粉末及铝(al)粉分别置于不同储粉仓。
46.b.所述多材料高精智能送粉器通过气力输运方式将多种金属粉末输送至所述高速静态混粉器结构，载粉气流速度保持在0至3m/s范围。
47.c.所述高速静态混粉器基于空气动力学原理进行结构设计，促进多粉末束流形成的气固两相流间产生对流传质，多种粉末从多条进粉管路进入，经由静态混粉结构完成多种粉末混合，并将混合粉末输出至超高速喷头处。
48.d.所述超高速喷头通过环形喷粉口将多种金属粉末以一定角度喷出，使气固两相流束与激光汇聚于成形平台。
49.示例性地，将纯净的钛(ti)粉，较为纯净的铝(al)粉和预制好的al-50v中间合金金属粉末通过不间断加粉装置6分别装入不同储粉仓5中，储粉仓5中的金属粉末在重力作用下自然下落至回转刮吸式送粉结构3中，并通过出粉管路4输送至高速静态混粉器进粉管7处，随后在气相作用下通过射流传输管8将金属粉末输送至雾化混合腔体10完成多种金属粉末的混合，混合过后的金属粉末从雾化混合腔体10底部的出粉管组9经气管输送至超高速喷头的进粉管路13，再由环形均粉腔16将混合粉末充分弥散至整个腔体，最终从环形喷粉口18将混合粉末呈束喷出，最终在激光光源12的作用下在成形平台19上完成tc4钛合金成形。
50.本实施例中tc4钛合金制备时所需铝(al)粉为1份，则需要同时输入钛(ti)粉45份及al-v中间合金4份，单种粉末送粉速率始终保持在5至20g/min范围内；沉积过程始终处于氩气(ar)保护气氛下，气力输运过程以氩气(ar)作为唯一动力源，工作时所有密闭腔体内压力始终保持在0.4至1.4mpa区间，流量调节范围为0至30l/min，粉盘结构最大转速20r/
min。

技术特征：
1.一种均质tc4钛合金制备装置，其特征在于，包括多材料高精智能送粉器、高速静态混粉器、超高速喷头、机械臂和增材制造平台；所述多材料高精智能送粉器使用载粉气流作为唯一动力来源；包括六个或六个以上储粉仓(5)、与储粉仓(5)结构数量相同的回转刮吸式送粉结构(3)、不间断加粉装置(6)、送粉器主机结构(1)、出粉管路(4)；所述多材料高精智能送粉器一端与保护气供给装置相连，另一端则与高速静态混粉器进粉管(7)相连；所述储粉仓(5)顶部设置有不间断加粉装置(6)，并且通过底端的小孔与回转刮吸式送粉结构(3)相连；回转刮吸式送粉结构(3)上平面一侧开有小孔，小孔通过出粉管路(4)及软管与高速静态混粉器的进粉管(7)相连；所述出粉管路(4)与储粉仓(5)结构呈对称分布；所述的高速静态混粉器包括进粉管(7)、射流传输管(8)、雾化混合腔体(10)、出粉管组(9)，高速静态混粉器为静态粉末混合结构，使用载粉气流作为唯一动力源：进粉管(7)设置在高速静态混粉器底部，且通过射流传输管(8)与雾化混合腔体(10)相连；雾化混合腔体(10)底部设置有出粉管组(9)，出粉管组9通过挂载在机械臂11上的气管与进粉管路13相连；所述的超高速喷头包括两个或两个以上进料管路(13)、环形均粉腔(16)、环形喷粉口(18)、环形喷气口(17)、激光光路(14)、冷却管路(15)，所述进料管路(13)沿超高速喷头结构周向均匀分布于结构上部，进料管路(13)与混粉器出粉管组(9)相连通；所述环形均粉腔(16)的内壁设计以曲率过度方法为基准，截面积由上至下逐渐收缩，所述环形均粉腔(16)上端与进料管路(13)相连；所述环形喷粉口(18)位于环形均粉腔(16)下端，环形喷粉口(18)两壁面相互平行且与地面呈一角度；所述环形喷气口(17)为一直径稍大于环形喷粉口(18)且与环形喷粉口(18)同心的圆环，该结构与保护气体供给装置相连，环形喷气口(17)两壁面平行且与环形喷粉口(18)角度相同；冷却管路(15)为一包裹激光光路的中空结构，其具有复杂内流道结构；激光光路为一位于喷头结构中心轴线处的贯通圆孔，其直径保持不变；还包括用于搭载激光源及超高速送粉喷头的机械臂，超高速送粉喷头的正下方设有打印平台。2.根据权利要求1所述均质tc4钛合金制备装置，其特征在于：所述多材料高精智能送粉器上还设有送粉器操作系统显示屏(2)，与送粉控制系统连接，控制送粉器回转刮吸式结构的转速、气体流速。3.根据权利要求1所述均质tc4钛合金制备装置，其特征在于：所述进粉管(7)结构位于混粉器中心轴的最下端，外形为一向上截面积逐渐收缩的平滑圆台，进粉管(7)结构下端面包括两个或两个以上沿进粉管(7)下端面周向均匀排布的进粉孔。4.根据权利要求1所述均质tc4钛合金制备装置，其特征在于：所述射流传输管(8)为一截面积逐渐收缩的锥形管路，位于进粉管(7)上端，且与进粉管(7)相连，管路上端延伸至雾化混合腔体(10)内部。5.根据权利要求1所述均质tc4钛合金制备装置，其特征在于：所述雾化混合腔体(10)为一环状腔体，纵向截面形状为一等径圆形，腔体顶端有一倒锥形结构，倒锥形结构的底端延伸至射流传输管(8)结构内部，且与雾化混合腔体上壁面曲率相同。6.根据权利要求1所述均质tc4钛合金制备装置，其特征在于：所述的打印平台，包括成
形平台(19)、平台调平装置(20)、绕转轴(21)、底座(22)，所述成形平台(19)为一平整度较高的圆形不锈钢板，板上开有按一定规律排布且充满整个板面的螺纹通孔；所述基板夹具为一纵向截面为梯形的不锈钢块，块体尾部连接有一内六角螺丝，基板夹具通过内六角螺丝与成形平台相连；所述平台调平装置(20)为一组分布于成形平台底部的弹性机构，成形平台通过调平装置与底座(22)相连。7.权利要求1～6任意一项所述均质tc4钛合金制备装置用于制备均质tc4钛合金的方法，其特征在于，所述生产工艺包括送粉工艺、混粉工艺和成形工艺，具体包括以下步骤：(1)分别将钛(ti)粉、al-50v中间合金粉末、纯净的铝粉分别置于不同储粉仓；(2)通过气力输运方式将多种金属粉末输送至所述高速静态混粉器结构，混粉器内部载粉气流速度保持在0至3m/s范围；(3)将多材料高精智能送粉器所输出的多束单种材料粉末流进行静态混合，并将混合过后的粉末输出至超高速喷头；(4)将高速静态混粉器混合后的多种金属粉末以一定角度喷出至成形平台。8.根据权利要求7所述方法，其特征在于：使用对tc4钛合金有保护作用的气体作为动力源，工作时腔体压力为0.4～1.4mpa，流量调节范围为0～30l/min，粉盘结构最大转速20r/min。9.根据权利要求7所述方法，其特征在于：增材制造过程送粉速率保持在5～20g/min，送粉过程中钛粉、al-50v中间合金粉末、纯净的铝粉质量流量为45:1:4。10.根据权利要求7所述方法，其特征在于：增材制造过程中，激光功率为0～2400w，激光光斑为一圆形光斑，扫描速度随送粉速率变化自适应更改。

技术总结
本发明公开一种均质TC4钛合金制备装置及方法，属于钛合金增材制造技术领域。具体工艺如下：首先，通过高精智能送粉器精确控制Ti、Al和Al-50V三种金属粉体的输送，实现TC4钛合金的成分控制；然后，采用具有复杂内流道结构的粉末混合装置稳定且快速地实现上述三种粉末的混合，为TC4钛合金增材制造过程提供混合均匀且成分易于调节的多材料金属混合粉末；最后，采用超高速环形送粉喷头结构作为上述混合粉末的喷送装置，为增材制造TC4钛合金过程提供流动状态稳定且汇聚性高的粉末流；本发明所述方法实现了TC4钛合金的均匀制备及其复杂结构的快速成形，避免了传统复杂结构TC4钛合金增材制造工序繁多的缺陷。增材制造工序繁多的缺陷。增材制造工序繁多的缺陷。


技术研发人员：张晓伟 敖景轩 蔡耀增 王金哲 蒋业华 刘洪喜
受保护的技术使用者：昆明理工大学
技术研发日：2023.07.25
技术公布日：2023/10/20