一种航空用TC18钛合金止动块组合式快速制造方法

摘要

本发明公开了一种航空用TC18钛合金止动块组合式快速制造方法包括步骤1：采用数值模拟技术终锻模拟，并选取一定欠压量的锻件尺寸作为预锻件尺寸，优化并切片处理STL模型；步骤2：将STL模型导入电弧增材制造设备，TC18丝材安装到电弧增持制造设备，设置加工参数和扫描路径，充入高纯氩气，预热成型基板；一次成型预锻件；步骤3：获取预锻件相转变点温度Tβ；步骤4：在预锻件表面喷涂玻璃润滑剂，加热后模锻成型；步骤5：对模锻成型后预锻件采用多重退火的方式进行热处理；步骤6：喷砂处理后获取TC18钛合金止动块。本发明基于数值模拟技术设计止动块预锻件，采用电弧增材制造快速成型，最后进行一火终锻，整个流程具有成型速度快，性能稳定的优势。

权利要求

1.一种航空用TC18钛合金止动块组合式快速制造方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：采用数值模拟技术对止动块终锻模拟，并根据模拟结果选取一定欠压量的锻件尺寸作为预锻件尺寸，优化预锻件尺寸并输出STL模型，对STL模型切片处理；

步骤2：将切片处理后的STL模型导入电弧增材制造设备，将预处理后的TC18丝材安装到电弧增材制造设备，设置电弧增材制造设备的加工参数和扫描路径，充入高纯氩气，预热成型基板；按照设置的加工参数和扫描路径一次成型TC18钛合金止动块的预锻件；

步骤3：获取预锻件相转变点温度Tβ；

步骤4：在预锻件表面喷涂玻璃润滑剂，并加热到温度(Tβ+20)～(Tβ+40)℃保温1～2h后模锻成型，模锻成型中的锻造变形量为步骤1中所述欠压量；

步骤5：对模锻成型后预锻件采用多重退火的方式进行热处理；多重退火的方式进行热处理是指一级热处理温度为(Tβ‑50)～(Tβ‑30)℃，保温1～3h，然后冷到二级热处理温度(Tβ‑100)～(Tβ‑80)℃，保温1～3h，空冷至室温；最后再进行时效处理，时效温度590～620℃，保温4～6h，空冷至室温；

步骤6：喷砂处理后获取TC18钛合金止动块。

2.根据权利要求1所述的一种航空用TC18钛合金止动块组合式快速制造方法，其特征在于，步骤1中采用Deform‑3D数值模拟技术对止动块终锻进行模拟，欠压量的选取范围为在终锻能产生20％～35％的变形量。

3.根据权利要求1所述的一种航空用TC18钛合金止动块组合式快速制造方法，其特征在于，步骤1中所述预处理后的TC18丝材是指经过采用无水乙醇清洗后烘干的TC18丝材。

4.根据权利要求1或3所述的一种航空用TC18钛合金止动块组合式快速制造方法，其特征在于，所述TC18丝材采用直径0.8～1.5mm，且Al含量为4.5～5.5％，Mo含量为4.5～

5.2％，V含量为4.5～5.2％，Cr含量为2.8～3.2％，Zr含量为0.8～1.3％，O含量≤0.18％，C含量≤0.10％，N含量≤0.05％，H含量≤0.015％，Ti为余量。

5.根据权利要求1所述的一种航空用TC18钛合金止动块组合式快速制造方法，其特征在于，步骤2中所述设置电弧增材制造设备的加工参数和扫描路径是指电流130～230A，电压15～30V，送丝速率为800～1000mm/min，送丝角度为15°～25°，扫描速度为200～350mm/min，以及90°交叉扫描路径。

6.根据权利要求1所述的一种航空用TC18钛合金止动块组合式快速制造方法，其特征在于，步骤2中充入高纯氩气后电弧增材制造设备内的氧浓度小于等于1000ppm。

7.根据权利要求1所述的一种航空用TC18钛合金止动块组合式快速制造方法，其特征在于，步骤2所述预热成型基板是指温度150～250℃加热20～30min。

8.根据权利要求1所述的一种航空用TC18钛合金止动块组合式快速制造方法，其特征在于，步骤3中采用金相法测试预锻件的相转变点温度Tβ。

说明书

一种航空用TC18钛合金止动块组合式快速制造方法

技术领域

[0001] 本申请涉及高强钛合金零件制造技术领域，具体涉及一种航空用TC18钛合金止动块零件的组合制造方法。

背景技术

[0002] TC18合金的成分为Ti‑5Al‑5Mo‑5V‑1Cr‑1Fe，是一种高强高韧的航空钛合金，具有比强度高、韧性好、抗腐蚀性能优异等优点，在航空航天中具有重要的应用，大量应用于各类飞机的起落架、横梁等机身部件。

[0003] 止动块是是飞机舱门关闭后将舱门锁定的零件，是航空飞行器重要的结构件。止动块的服役环境通常存在疲劳载荷，因此用于止动块生产的材料需要满足强度高，韧性好，所以通常采用高强高韧钛合金锻造而成，由于止动块的几何形状复杂，在锻造生产过程中需要经过多火次制坯、预锻以及终锻成型，导致生产流程长，生产效率低。

[0004] 电弧增材制造技术是一种新兴的金属3D打印技术，通过采用焊接电弧作为热源，将金属丝融化，按照设定的扫描路径进行逐层堆积材料从而实现三维部件的制造。与传统金属加工技术或其他粉末床增材技术相比，电弧增材制造技术的原材料利用率更高，成型效率更快，同时对成型零件的形状无任何限制，适用于各类大型金属部件的成型。基于以上优势，电弧增材制造技术被认为在航空结构部件的制造领域具有较大的应用前景。然而，电弧增材制造技术是一种逐点烧结、逐层累积的制造方式，成型过程中的凝固速率极快，存在方向性的热传导，导致成型的钛合金的凝固组织粗大，相析出较不均匀，进而导致了力学性能的各向异性和不稳定，极大限制了其应用。

发明内容

[0005] 本发明的目的在于提供一种航空用TC18钛合金止动块零件的组合制造方法，该方法基于数值模拟技术设计止动块预锻件，采用电弧增材制造快速成型，最后进行一火终锻，整个流程具有成型速度快，性能稳定的优势。

[0006] 为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

[0007] 一种航空用TC18钛合金止动块组合式快速制造方法，包括如下步骤：

[0008] 步骤1：采用数值模拟技术对止动块终锻模拟，并根据模拟结果选取一定欠压量的锻件尺寸作为预锻件尺寸，优化预锻件尺寸并输出STL模型，对STL模型切片处理；

[0009] 步骤2：将切片处理后的STL模型导入电弧增材制造设备，将预处理后的TC18丝材安装到电弧增材制造设备，设置电弧增材制造设备的加工参数和扫描路径，充入高纯氩气，预热成型基板；按照设置的加工参数和扫描路径一次成型TC18钛合金止动块的预锻件；

[0010] 步骤3：获取预锻件相转变点温度Tβ；

[0011] 步骤4：在预锻件表面喷涂玻璃润滑剂，并加热到温度(Tβ+20)～(Tβ+40)℃保温1～2h后模锻成型，模锻成型中的锻造变形量按照步骤1中所述欠压量执行；

[0012] 步骤5：对模锻成型后预锻件采用多重退火的方式进行热处理；多重退火的方式进行热处理是指一级热处理温度为(Tβ‑50)～(Tβ‑30)℃，保温1～3h，然后冷到二级热处理温度(Tβ‑100)～(Tβ‑80)℃，保温1～3h，空冷至室温；最后再进行时效处理，时效温度590～620℃，保温4～6h，空冷至室温；

[0013] 步骤6：喷砂处理后获取TC18钛合金止动块。

[0014] 进一步地，步骤1中采用Deform‑3D数值模拟技术对止动块终锻进行模拟，欠压量的选取范围为在终锻能产生20％～50％的变形量。

[0015] 进一步地，步骤1中所述预处理后的TC18丝材是指经过采用无水乙醇清洗后烘干的TC18丝材。

[0016] 进一步地，所述TC18丝材采用直径0.8～1.5mm，且Al含量为4.5～5.5％，Mo含量为4.5～5.2％，V含量为4.5～5.2％，Cr含量为2.8～3.2％，Zr含量为0.8～1.3％，O含量≤
0.18％。C含量≤0.10％，N含量≤0.05％，H含量≤0.015％，Ti为余量。

[0017] 进一步地，步骤2中所述设置电弧增材制造设备的加工参数和扫描路径是指电流130～230A，电压15～30V，送丝速率为800～1000mm/min，送丝角度为15°～25°，扫描速度为
200～350mm/min，以及90°交叉扫描路径。

[0018] 进一步地，步骤2中充入高纯氩气后电弧增材制造设备内的氧浓度小于等于1000ppm。

[0019] 进一步地，步骤2所述预热成型基板是指温度150～250℃加热20～30min。

[0020] 进一步地，步骤3中采用金相法测试预锻件的相转变点温度Tβ。

[0021] 与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

[0022] (1)采用电弧增材制造技术对TC18合金止动块零件的预锻件进行成型，解决传统锻造方法生产止动块火次多，周期长的问题，原材料利用率高(＞95％)，降低了生成成本；采用数值模拟对TC18合金止动块零件进行形状的拓扑优化，不仅达到减重的目的，还可以避免大量的实验从而节约设计周期，提高了生产效率；

[0023] (2)通过一火模锻对电弧增材制造的TC18合金止动块预锻件在β相区进行变形，使得零件内部充分发生再结晶，消除了电弧增材制造的TC18合金止动块的不均匀组织和凝固织构，提升了其力学性能和生产的稳定性。

[0024] (3)通过多重退火的方式进行热处理模锻成型的预锻件，一级退火在锻件内部析出均匀的初生α相；二级退火的目的是将初生α相的形貌片层化，形成片层状初生α相；最后再将锻件放入炉中进行时效处理，时效处理的目的是在残余β中析出次生α相；多重热处理完成后，在锻件内部形成了网篮组织，提高了其力学性能。

附图说明

[0025] 图1为止动块的结构示意图。

[0026] 图2为本发明的制造方法流程示意图。

[0027] 图3为本发明实施例1电弧增材制造技术制造的TC18止动块的柱状β晶粒图。

[0028] 图4为本发明实施例1TC18钛合金止动块模锻后的等轴β晶粒图。

[0029] 图5为本发明实施例1最终生产的TC18钛合金止动块的网篮组织。

具体实施方式

[0030] 实施例1

[0031] 本申请实施例提供了一种民用大型飞机舱门止动块的组合式成型方法，该民用大型飞机舱门止动块的尺寸为300mm×160mm×100mm，其结构如图1所示，所述的民用大型飞机舱门止动块的组合式成型方法具体包括如下步骤：

[0032] 步骤1：采用Deform‑3D数值模拟技术对止动块终锻模拟，并根据模拟结果选取一定欠压量的锻件尺寸作为预锻件尺寸，本实施例确定欠压量在20～30mm，该变形较为均匀，且整个止动块在该欠压量下进行终锻时的变形量可达到20％～35％；同时为了保证后续终锻的大变形破碎凝固组织，选择采用25mm的欠压量进行模型设计，通过数值模拟结果确定欠压量在20～30mm时设计预锻件尺寸为300mm×160mm×125mm，采用CATIA三维软件对该欠压量下的止动块零件的几何形状进行优化设计，并输出成为STL模型，然后将预锻件模型导入三维切片软件中切片处理。

[0033] 步骤2：将切片处理后的STL模型导入电弧增材制造设备，将预处理后的TC18丝材安装到电弧增材制造设备，设置电弧增材制造设备的加工参数和扫描路径，充入高纯氩气，预热成型基板；按照设置的加工参数和扫描路径一次成型TC18钛合金止动块的预锻件；

[0034] 将直径为1.0mm的TC18丝材放入无水乙醇中进行超声清洗，把表面的杂质和油污去除，随后将其放入真空干燥箱中，在温度100℃下干燥6h；将干燥后的TC18丝材装入电弧增材制造设备；所述TC18丝材采用直径0.8～1.5mm，且Al含量为4.5～5.5％，Mo含量为4.5～5.2％，V含量为4.5～5.2％，Cr含量为2.8～3.2％，Zr含量为0.8～1.3％，O含量≤0.18％。C含量≤0.10％，N含量≤0.05％，H含量≤0.015％，Ti为余量；

[0035] 设置电弧增材制造设备中相关的加工参数和扫描路径，电流155A，电压16V，送丝速率为900mm/min，送丝角度为15°，扫描速度为300mm/min；

[0036] 充入99.99％纯度的氩气，对舱内进行气体置换，到氧含量低于1000ppm为止；

[0037] 将电阻加热块置于成型基板下方，将其加热到200℃后，保温30min；按照所设定的90°交叉扫描路径将预锻件一次成型；成型后采用线切割将止动块的预锻件从基板上切割下来。

[0038] 步骤3：获取预锻件相转变点温度Tβ；采用金相法分别在850℃、860℃、865℃、870℃附近进行热处理30min，然后水淬，通过金相显微镜观察各个温度下的α和β相的含量，测定在温度为870℃时无α存在，本实施例的Tβ为870℃。

[0039] 步骤4：在预锻件表面喷涂玻璃润滑剂，将其放入热处理炉中并加热到温度900℃保温1h，然后从热处理炉内转移到模锻设备中进行模锻成型，锻造变形量按照25mm的欠压量一次成型；置于空气中冷却至室温。

[0040] 步骤5：对模锻成型后预锻件采用多重退火的方式进行热处理；多重退火的方式进行热处理是指一级热处理温度为830℃，保温1.5h，一级退火的目的是在锻件内部析出均匀的初生α相；随后炉冷到二级热处理温度780℃，保温1.5h，空冷至室温，二级退火的目的是将初生α相的形貌片层化，形成片层状初生α相；最后再将锻件放入炉中进行时效处理，时效温度605℃，保温4h，空冷，时效处理的目的是在残余β中析出次生α相。多重热处理完成后，在锻件内部形成了网篮组织。

[0041] 步骤6：喷砂处理后获取TC18钛合金止动块；对热处理完成后的TC18止动块进行喷砂，除去氧化皮，得到成品件。

[0042] 本实施例中通过电弧增材和模锻组合的制造方式制造了航空用TC18合金止动块零件，具有生产效率高、原材料利用率高等优点。此外，通过显微观察发现电弧增材制造的TC18合金止动块零件的微观组织具有粗大的柱状晶，如图3所示；而经过一火模锻后，柱状晶得到再结晶，形成均匀的等轴β晶粒，如图4所示；经过多重热处理后，在锻件内部形成了均匀的网篮组织，如图5所示；含有片层状的初生α相以及细小的次生α相。更为重要的是，经过锻造和热处理后，电弧增材制造的TC18合金止动块零件的塑性大幅提升，同时各向异性得到控制，如表1所示。

[0043] 表1电弧增材制造的预锻件和最终止动块的力学性能测试

[0044]

[0045] 实施例2

[0046] 本申请实施例提供了一种民用商务飞机舱门止动块的组合式成型方法，该民用大型飞机舱门止动块的尺寸为280mm×160mm×110mm，具体包括如下步骤：

[0047] 步骤1：采用Deform‑3D数值模拟技术对止动块终锻模拟，并根据模拟结果选取一定欠压量的锻件尺寸作为预锻件尺寸，本实施例确定欠压量在20～30mm，该变形较为均匀，且整个止动块在该欠压量下进行终锻时的变形量可达到20％～33％；同时为了保证后续终锻的大变形破碎凝固组织，选择采用20mm的欠压量进行模型设计，预锻件尺寸为280mm×160mm×130mm，采用CATIA三维软件对该欠压量下的止动块零件的几何形状进行优化设计，并输出成为STL模型，然后将预锻件模型导入三维切片软件中切片处理。

[0048] 步骤2：将切片处理后的STL模型导入电弧增材制造设备，将预处理后的TC18丝材安装到电弧增材制造设备，设置电弧增材制造设备的加工参数和扫描路径，充入高纯氩气，预热成型基板；按照设置的加工参数和扫描路径一次成型TC18钛合金止动块的预锻件；

[0049] 将直径为1.0mm的TC18丝材放入无水乙醇中进行超声清洗，把表面的杂质和油污去除，随后将其放入真空干燥箱中，在温度100℃下干燥6h；将干燥后的TC18丝材装入电弧增材制造设备；

[0050] 设置电弧增材制造设备中相关的加工参数和扫描路径，电流150A，电压15V，送丝速率为950mm/min，送丝角度为15°，扫描速度为350mm/min；

[0051] 充入99.99％纯度的氩气，对舱内进行气体置换，到氧含量低于1000ppm为止；

[0052] 将电阻加热块置于成型基板下方，将其加热到200℃后，保温30min；按照所设定的90°交叉扫描路径将预锻件一次成型；成型后采用线切割将止动块的预锻件从基板上切割下来。

[0053] 步骤3：获取预锻件相转变点温度Tβ；采用金相法分别在850℃、860℃、865℃、870℃附近进行热处理30min，然后水淬，通过金相显微镜观察各个温度下的α和β相的含量，测定在温度为870℃时无α存在，本实施例的Tβ为870℃。

[0054] 步骤4：在预锻件表面喷涂玻璃润滑剂，将其放入热处理炉中并加热到温度920℃保温1h，然后从热处理炉内转移到模锻设备中进行模锻成型，锻造变形量按照20mm的欠压量一次成型；置于空气中冷却至室温。

[0055] 步骤5：对模锻成型后预锻件采用多重退火的方式进行热处理；多重退火的方式进行热处理是指一级热处理温度为835℃，保温1.5h，一级退火的目的是在锻件内部析出均匀的初生α相；随后炉冷到二级热处理温度770℃，保温1.5h，空冷至室温，二级退火的目的是将初生α相的形貌片层化，形成片层状初生α相；最后再将锻件放入炉中进行时效处理，时效温度600℃，保温4h，空冷至室温，时效处理的目的是在残余β中析出次生α相。多重热处理完成后，在锻件内部形成了网篮组织。

[0056] 步骤6：喷砂处理后获取TC18钛合金止动块；对热处理完成后的TC18止动块进行喷砂，除去氧化皮，得到成品件。

[0057] 电弧增材制造的TC18合金止动块零件的塑性大幅提升，同时各向异性得到控制，测试电弧增材制造的预锻件和最终止动块的力学性能如表2所示。

[0058] 表2电弧增材制造的预锻件和最终止动块的力学性能测试

[0059]

[0060] 实施例3

[0061] 本申请实施例提供了一种长方形零件的组合式成型方法，以验证该方法在其他高强钛合金零件的可能性，零件尺寸为80mm×30mm×80mm，具体包括如下步骤：

[0062] 步骤1：采用Deform‑3D数值模拟技术对止动块终锻模拟，并根据模拟结果选取一定欠压量的锻件尺寸作为预锻件尺寸，本实施例确定欠压量在5～8mm，该变形较为均匀，且整个止动块在该欠压量下进行终锻时的变形量可达到20％～35％；同时为了保证后续终锻的大变形破碎凝固组织，选择采用8mm的欠压量进行模型设计，预锻件尺寸为80mm×30mm×88mm，采用CATIA三维软件对该欠压量下的止动块零件的几何形状进行优化设计，并输出成为STL模型，然后将预锻件模型导入三维切片软件中切片处理。

[0063] 步骤2：将切片处理后的STL模型导入电弧增材制造设备，将预处理后的TC18丝材安装到电弧增材制造设备，设置电弧增材制造设备的加工参数和扫描路径，充入高纯氩气，预热成型基板；按照设置的加工参数和扫描路径一次成型TC18钛合金止动块的预锻件；

[0064] 将直径为1.2mm的TC18丝材放入无水乙醇中进行超声清洗，把表面的杂质和油污去除，随后将其放入真空干燥箱中，在温度100℃下干燥6h；将干燥后的TC18丝材装入电弧增材制造设备；

[0065] 设置电弧增材制造设备中相关的加工参数和扫描路径，电流165A，电压25V，送丝速率为1000mm/min，送丝角度为15°，扫描速度为400mm/min；

[0066] 充入99.99％纯度的氩气，对舱内进行气体置换，到氧含量低于1000ppm为止；

[0067] 将电阻加热块置于成型基板下方，将其加热到200℃后，保温30min；按照所设定的90°交叉扫描路径将预锻件一次成型；成型后采用线切割将止动块的预锻件从基板上切割下来。

[0068] 步骤3：获取预锻件相转变点温度Tβ；采用金相法分别在850℃、860℃、865℃、870℃附近进行热处理30min，然后水淬，通过金相显微镜观察各个温度下的α和β相的含量，测定在温度为870℃时无α存在，本实施例的Tβ为870℃。

[0069] 步骤4：在预锻件表面喷涂玻璃润滑剂，将其放入热处理炉中并加热到温度890℃保温1h，然后从热处理炉内转移到模锻设备中进行模锻成型，锻造变形量按照8mm的欠压量一次成型；置于空气中冷却至室温。

[0070] 步骤5：对模锻成型后预锻件采用多重退火的方式进行热处理；多重退火的方式进行热处理是指一级热处理温度为835℃，保温1.5h，一级退火的目的是在锻件内部析出均匀的初生α相；随后炉冷到二级热处理温度790℃，保温1.5h，空冷至室温，二级退火的目的是将初生α相的形貌片层化，形成片层状初生α相；最后再将锻件放入炉中进行时效处理，时效温度610℃，保温4h，空冷至室温，时效处理的目的是在残余β中析出次生α相。多重热处理完成后，在锻件内部形成了网篮组织。

[0071] 步骤6：喷砂处理后获取TC18钛合金止动块；对热处理完成后的TC18止动块进行喷砂，除去氧化皮，得到成品件。

[0072] 本实施例中经过锻造和热处理后，电弧增材制造的TC18合金止动块零件的塑性大幅提升，同时各向异性得到控制，测试电弧增材制造的预锻件和最终止动块的力学性能如表3所示。

[0073] 表3电弧增材制造的预锻件和最终止动块的力学性能测试

[0074]

[0075] 对比实施例1

[0076] 本实施例与实施例3基本相同，仅改变步骤2，采用TC18合金粉末和激光选区熔化增材制造技术成型预锻件，设置的参数包括：激光功率230W，扫描速度1250mm/s，扫描间距110μm，层厚40μm。与激光选区熔化技术相比，电弧增材制造技术成型止动块预锻件的时间为1.2h，而激光选区熔化技术成型同等尺寸的预锻件需要35h，在加工效率上电弧增材制造技术具有较大优势。此外，电弧增材制造技术所用的TC18钛合金丝材的价格为200‑250元/kg，而激光选区熔化技术采用的TC18粉末价格在2300‑2800元/kg，因此电弧增材制造技术更具成本优势。

[0077] 测试激光选区熔化技术的预锻件和最终止动块的力学性能表4所示，从表中可以看出激光选区熔化技术制造的预锻件相较于电弧增材制造的预锻件的强度和延伸率明显较弱。

[0078] 表4激光增材制造的预锻件和最终止动块的力学性能测试

[0079]

[0080] 对比实施例2

[0081] 本实施例与实施例3基本相同，及改变步骤5，将多重退火的方式进行热处理改为单一退火方法进行热处理，热处理的温度为830℃，保温3h，空冷至室温。

[0082] 测试电弧增材制造的预锻件和最终止动块的力学性能表5所示，从表中可以看出单一退火热处理的预锻件相较于多重退火热处理的预锻件的强度和延伸率明显较弱。

[0083] 表5电弧增材制造的预锻件和最终止动块的力学性能测试

[0084]

[0085]

[0086] 以上所述仅是本发明优选的实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何基于本发明所提供的技术方案和发明构思进行的改造和替换都应涵盖在本发明的保护范围内。