CN102029390A - 一种薄壁变曲率空心叶片的制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种薄壁变曲率空心叶片的制造方法，其特征在于，该方法为一种依据轮廓曲率半径及层数调整激光功率制造薄壁变曲率空心叶片的方法。找出叶片轮廓曲率半径变化对熔池温度场的影响规律，进而找出不同曲率半径对应的熔池温度场分布规律。提出变激光功率以保持熔池温度稳定的方法，得到激光功率随曲率半径的变化规律。将其与随层数变功率结合起来，在保持熔池温度稳定条件下，找出任意层及任意曲率处激光功率，依据其变化规律能够成形出壁厚均匀的薄壁叶片样件。

Description

一种薄壁变曲率空心叶片的制造方法

技术领域

本发明涉及激光表面熔覆和易损零部件表面修复等制造领域，具体涉及激光金属直接成形曲率半径变化较大的复杂薄壁零件和实体零件制造方法，特别涉及一种依据轮廓曲率半径调整激光功率制造薄壁空心叶片的方法，

背景技术

激光金属成形技术是在激光熔覆基础上，结合快速原型技术而发展起来的一种先进制造技术。以“离散-堆积”成形原理为基础，首先建立目标零件的三维模型，然后将三维模型切片分成一系列的二维平面，并根据二维平面轮廓信息规划合理的激光扫描路径，进而转化为数控工作台的运行指令，最终实现金属零件的直接堆积成形。与一般的快速成形技术相比，激光金属成形技术能够快速制造出传统工艺方法难以制造的复杂金属零件；实现功能梯度材料的制造；能够制造完全致密和力学性能优异的零件。由于具有以上优点，激光金属成形技术逐渐成为快速成形技术研究的热点和发展趋势，并在航空航天、汽车摩托、武器装备和机械制造等领域得到广泛应用。然而，在成形中由于工艺条件复杂，成形过程受很多因素的影响，这些因素都直接影响激光金属成形的精度和质量，熔池温度更是其中的关键因素之一，控制熔池温度是提高成形精度的关键。

由空心叶片轮廓曲率的分布可知，薄壁叶片的轮廓曲率半径在两个拐角处变化较大，在采用激光金属成形技术对薄壁叶片进行堆积过程中，当激光扫描到曲率半径变化较大部位时，由于扫描速度方向的不断变化，造成扫描速度不断的加速与减速，而激光功率始终恒定不变，扫描速度的加速与减速使得在曲率半径变化较大处激光能量密度较大，易造成该部位产生能量累积，导致该部位容易产生凸起或塌陷等质量缺陷。

发明内容

本发明要解决激光金属成形薄壁叶片过程中熔覆层壁厚堆积不均匀问题，提供一种依据空心叶片轮廓曲率半径来调整激光功率用以对熔覆层熔池温度进行控制的方法，进而提高激光金属成形薄壁叶片的壁厚精度。

为达到以上目的，本发明是采取如下技术方案予以实现的：

一种薄壁变曲率空心叶片的制造方法，其特征在于，包括下述步骤：

(1)建立薄壁圆环零件的有限元模型大小及网格划分：即选择薄壁圆环半径R为1mm、2mm、3mm、4mm、5mm、6mm、8mm、10mm、15mm，以及直线薄壁墙R＝∞，进行第一层熔池温度模拟计算；

(2)将计算出的该层各步随时间变化的熔池温度值全部提取出来，然后求取平均值作为该层的熔池温度值，找出该层熔池温度随曲率半径R的变化；

(3)根据熔池温度与激光功率P的关系，得到的激光功率P随轮廓曲率半径R的变化趋势如下式所示：

$P=250\×[0.99-0.22\exp (-\frac{R}{2.30})]---\left(1\right)$

(4)对空心叶片轮廓曲率半径采取近似处理，仅在两个拐角处AB段R＝1mm、DE段R＝4mm，其它部位近似为直线段薄壁墙C，进行逐层激光熔覆堆积；依据步骤(3)所得激光功率P随轮廓曲率半径R的变化公式，若以该层直线薄壁墙熔池温度为1550～1600℃作为评价指标，在堆积不同曲率半径时调整激光功率以保持熔池温度的恒定。

上述方案中，所述直线薄壁墙堆积层尺寸的长×宽×高为60mm×0.5mm×3mm，分15层进行堆积。所述的第一层熔池温度模拟计算采用APDL编程进行计算。

本发明的优点是，利用激光金属直接成形技术在开环控制条件下堆积薄壁叶片零件，将获得的激光功率随曲率半径的变化规律，预先通过编程写入数控系统中，采用依据曲率半径的变化不断调整激光功率的方法，获得壁厚均匀的薄壁叶片零件，无凸起或坍塌等缺陷产生。

附图说明

图1本发明所采用的有限元模型及网格划分示意图。

图2是本发明每一层熔池温度随轮廓曲率半径的变化趋势。

图3是本发明每一层激光功率随轮廓曲率半径变化趋势。

图4是本发明薄壁空心叶片轮廓曲率半径近似处理示意图。

图5是在激光功率恒定条件下熔池温度随堆积层数的变化趋势。

图6是激光功率随堆积层数的变化趋势。

图7是成形样件不同曲率半径处每层壁厚的测量结果。其中(a)图为每层壁厚的测量结果；(b)图为成形样件照片。

图8是薄壁空心叶片不同曲率半径处每层壁厚的测量结果。其中(a)图为每层壁厚的测量结果；(b)图为薄壁空心叶片样件照片。

具体实施方式

一种薄壁变曲率空心叶片的制造方法，其特征在于，包括下述步骤：

(1)如图1所示，建立薄壁圆环零件的有限元模型大小及网格划分：即选择薄壁圆环半径R为1mm、2mm、3mm、4mm、5mm、6mm、8mm、10mm、15mm，以及直线薄壁墙R＝∞，进行第一层熔池温度模拟计算，采用APDL编程进行计算；

(2)如图2所示，将计算出的该层各步随时间变化的熔池温度值全部提取出来，然后求取平均值作为该层的熔池温度值，找出该层熔池温度随曲率半径R的变化；

(3)如图3所示，根据熔池温度与激光功率P的关系，得到的激光功率P随轮廓曲率半径R的变化趋势如下式所示：

$P=250\×[0.99-0.22\exp (-\frac{R}{2.30})]---\left(1\right)$

式中：激光功率P的单位为瓦，曲率半径R的单位为mm。

(4)如图4所示，对空心叶片轮廓曲率半径采取近似处理，仅在两个拐角处AB段R＝1mm、DE段R＝4mm，其它部位近似为直线段薄壁墙C，进行逐层激光熔覆堆积，所述直线薄壁墙堆积层尺寸的长×宽×高为60mm×0.5mm×3mm，分15层进行堆积；依据步骤(3)所得激光功率P随轮廓曲率半径R的变化公式，若以该层直线薄壁墙熔池温度为1550～1600℃作为评价指标，在堆积不同曲率半径时调整激光功率以保持熔池温度的恒定。

如图5所示，在激光功率恒定条件下，随累加层数增大，熔池温度也逐渐增大。所以随层数增大，如果对熔池温度不加以控制，也会影响壁厚精度。

如图6所示，为了防止由于层数增大能量累积而导致的壁厚不均，以堆积直线薄壁墙第一层时的熔池温度1550～1600℃为评价指标，在堆积不同层数时调整激光功率以保持熔池温度的恒定，得到激光功率随累加层数的变化趋势。同样依据熔池温度与激光功率P的关系，得到的激光功率P随累加层数n的变化趋势如下式所示：

$P=250\×[0.55\exp (-\frac{n}{3.87})+0.59]---\left(2\right)$

式中：激光功率P的单位为瓦，曲率半径R的单位为mm；

由式(1)可看出，在保持熔池温度稳定条件下，激光功率随轮廓曲率呈降低趋势，设激光功率随轮廓曲率变化百分比为β，在保持熔池温度稳定前提下，可得出在任意曲率处激光功率满足：P×β；将其与随层数变功率结合起来，在保持熔池温度稳定条件下，设第一层激光功率为P，激光功率随累加层数的降低百分比为α，随轮廓曲率降低百分比为β，则可得任意层及任意曲率处激光功率为：P×α×β。

实施案例：

激光金属直接成形薄壁变曲率空心叶片

实验过程中基本工艺参数为：起始激光功率200～250W，激光光斑直径0.5mm，扫描速度8～12mm/s，送粉量7.6～8.0g/min，送气量6～8L/min，粉末离焦量-1～-3mm，共堆积成形15层。

1、首先在激光功率恒定的条件下，运用Hitachi S-3000N扫描电镜测量熔覆层每层的壁厚。设置相应的薄壁零件理想壁厚，在连续波作用模式下其理想壁厚为0.50～0.60mm，薄壁零件成形后壁厚变化趋势如图7所示；实验结果表明：在激光功率恒定条件下，熔覆层壁厚先增大后逐渐趋于稳定。

2、采用随曲率半径及层数变功率成形的样件及壁厚测量结果如图8所示。对比图7及图8可看出，在激光功率恒定条件下，成形的叶片零件拐角处凸起，壁厚不均匀，而在变激光功率时，拐角处无凸起、壁厚相对均匀。所以，通过拐角处及逐层变功率，可以有效防止由于能量累积造成的壁厚不均匀而引起的凸起或塌陷，进而显著改善了成形质量。

Claims (3)

1.一种薄壁变曲率空心叶片的制造方法，其特征在于，包括下述步骤：

(1)建立薄壁圆环零件的有限元模型大小及网格划分：即选择薄壁圆环半径R为1mm、2mm、3mm、4mm、5mm、6mm、8mm、10mm、15mm，以及直线薄壁墙R＝∞，进行第一层熔池温度模拟计算；

(2)将计算出的该层各步随时间变化的熔池温度值全部提取出来，然后求取平均值作为该层的熔池温度值，找出该层熔池温度随曲率半径R的变化；

(3)根据熔池温度与激光功率P的关系，得到的激光功率P随轮廓曲率半径R的变化趋势如下式所示：

$P=250\×[0.99-0.22\exp (-\frac{R}{2.30})]---\left(1\right)$

式中：激光功率P的单位为瓦，曲率半径R的单位为mm；

(4)对空心叶片轮廓曲率半径采取近似处理，仅在两个拐角处AB段R＝1mm、DE段R＝4mm，其它部位近似为直线段薄壁墙C，进行逐层激光熔覆堆积；依据步骤(3)所得激光功率P随轮廓曲率半径R的变化公式，若以该层直线薄壁墙熔池温度为1550～1600℃作为评价指标，在堆积不同曲率半径时调整激光功率以保持熔池温度的恒定。

2.如权利要求1所述的薄壁变曲率空心叶片的制造方法，其特征在于，所述直线薄壁墙堆积层尺寸的长×宽×高为60mm×0.5mm×3mm，分15层进行堆积。

3.如权利要求1所述的薄壁变曲率空心叶片的制造方法，其特征在于，所述的第一层熔池温度模拟计算采用APDL编程进行计算。

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