CN103498141A

CN103498141A - 一种高温合金筋肋结构激光立体成形方法

Info

Publication number: CN103498141A
Application number: CN201310395305.2A
Authority: CN
Inventors: 吴复尧; 刘黎明; 许沂; 王斌; 程卫文
Original assignee: Aerospace Research Institute of Materials and Processing Technology
Current assignee: Aerospace Research Institute of Materials and Processing Technology
Priority date: 2013-09-03
Filing date: 2013-09-03
Publication date: 2014-01-08
Anticipated expiration: 2033-09-03
Also published as: CN103498141B

Abstract

本发明涉及一种高温合金筋肋结构激光立体成形方法，首先建立筋肋结构的三维立体模型，并根据筋肋结构的所在部位设计三维工艺支撑，然后剖分并编制熔覆控制程序；成形式，首先在需要成形筋肋结构的零件上进行工艺支撑部分的熔覆成形，然后调整成形工艺参数，进行筋肋结构部分的均匀稳定成形，最后将工艺支撑加工去除即得到一体化的高温合金筋肋结构。本发明可一体化制造具有凸耳、凸台等筋肋结构的高温合金结构件，为在快速制造领域实现工程化奠定了基础。

Description

一种高温合金筋肋结构激光立体成形方法

技术领域

本发明属于金属特种成形加工技术领域，涉及一种高温合金尤其是钛合金的筋肋结构激光立体成形方法。

背景技术

航空航天飞行器上钛合金零部件较多，特别是舱段等回转体零件，而此类零件的内壁或外壁上一般会有加强筋或凸耳、凸台类结构，这种结构如采用传统工艺制造，一般采用焊接工艺。采用此工艺不仅需要设计特定的工装夹具，而且还要考虑焊后零部件的变形、校形和热处理，这将大大增加制造成本。对于性能要求高的大型复杂零件，采用传统连接方法还很难保证零件的整体性能。采用激光熔覆连接技术，可以一体化制造具有筋肋结构的钛合金结构件，能提高零件的整体刚度和强度。其次，在新型号研制过程中，钛合金结构件需要进行模具设计、加工和试制，如锻造和铸造，模具的设计和制造不仅周期长而且费用高，导致整个零件的研制周期变长成本增加，另外当设计部门需要修改设计的模型时，后期模具的设计和制造还需要重新制造。而激光熔覆成形技术是在无需专用工装模具的情况下，通过高功率激光熔化同步输送的钛合金粉末，逐点逐层堆积来成形金属零件的过程。这不仅能减少制造工装模具的时间和费用，还可以根据设计图纸的修改而时时改变成形工艺，达到设计与样件同步的研制过程。再次，该技术采用增量生长的方式成形零件，可显著提高材料利用率，而且成形构件仅需最终精加工，能大大缩短零件制造和研制周期，提高研制效率降低成本。

激光快速成形(Laser Rapid Forming，LRF)技术是二十世纪末期兴起的一项材料成形新技术，它是在快速原型制造技术基础上发展而来的，其基本原理为：先在计算机中建立零件的三维CAD模型，再利用分层切片软件将模型以一定的厚度分层切片，把零件的三维形状离散成一系列二维平面，由数控机床按照每一层的形状数据，控制高能激光束熔化同步送进的材料(一般为粉状或丝状)形成熔覆层，逐层堆积材料，最终获得三维实体零件或只需要进行少量加工的毛坯。而本发明采用的工艺技术拓展了激光快速成形技术，即利用工艺支撑的方式制造大型零部件，大大提高制造效率，因此具有很高的加工柔性，在航空航天领域钛合金大型复杂结构件的制造上具有广阔的应用前景。

发明内容

本发明的技术解决问题是：利用激光立体成形技术，采用一种工艺支撑的方法，解决高温合金尤其是钛合金筋肋结构的一体化制造难题。

本发明的技术解决方案是：先在要成形的筋肋部位设计工艺支撑，再调整成形工艺参数制造工艺支撑实体，然后进行筋肋的激光立体成形。具体采用的技术方案如下：

一种高温合金筋肋结构的激光熔覆成形方法，其步骤包括：

1）建立筋肋结构的三维模型并根据筋肋结构所在的部位设计三维工艺支撑，采用剖分软件对建立的三维模型进行剖分，根据剖分结果编制熔覆控制程序并载入数控系统；

2）通过所述熔覆控制程序设定每层的剖分高度为0.1-0.2mm，通过数控系统控制送粉喷嘴的扫描速度为100-200mm/min，送粉系统的送粉速度设定为5-8g/min，熔覆5-10层，形成基础熔覆层；

3）将所述送粉喷嘴的扫描速度调整为200-300mm/min，送粉系统的送粉速度调整为6-10g/min，熔覆控制程序中每层的剖分高度调整为0.1mm-0.3mm，在所述基础熔覆层上进行工艺支撑部分的均匀稳定成形；

4）将所述送粉喷嘴的扫描速度调整为300-400mm/min，送粉系统的送粉速度调整为10-15g/min，熔覆控制程序中每层的剖分高度调整为0.4mm-0.6mm，进行筋肋结构部分的均匀稳定成形；

5）将工艺支撑加工去除，便得到一体化的高温合金筋肋结构。

进一步地，本发明所称的筋肋结构，包括加强筋、凸耳、凸台等类似的台阶类结构。

进一步地，所述工艺支撑的斜度约10-15°。

进一步地，进行步骤2）至步骤4）所述熔覆的成形室内的氧含量低于50ppm。首先在成形室内充入氩气以排除空气，氩气流量10-15L/min，当成型室内的氧含量约在1000ppm时，开启净化系统使氧含量低于50ppm。

进一步地，所述送粉系统采用的高温合金粉末采用等离子旋转电极法生产，粒度约100目-200目。

进一步地，进行步骤2）和步骤3）所述熔覆时设定激光功率参数为700-1000W，进行步骤4）所述熔覆时设定激光功率参数为2000-2500W。

进一步地，所述高温合金为钛合金。

一种大尺寸钛铝合金的激光立体成形装置，包括激光器、送粉系统、数控系统、反射聚焦镜、送粉喷嘴、机床台面、成形室、净化系统和水冷系统；其中反射聚焦镜、送粉喷嘴和机床台面置于成形室内；所示激光器用于产生激光束，所述反射镜用于将产生的激光束聚焦并形成金属熔池，所述送粉系统用于将高温合金粉末经过送粉喷嘴汇聚于所述金属熔池中，所述数控系统用于控制所述送粉喷嘴和所述机床台面的运动，所述净化系统用于降低成形室内的氧含量，所述水冷系统用于给激光器和机床台面进行冷却。

本发明利用激光立体成形技术，采用工艺支撑的方法制造高温合金筋肋结构，根据快速成形原理采用高功率激光束直接将同步输送的高温合金粉末熔化，然后快速凝固，随着激光束和送粉喷嘴的同步运动，连续逐层熔覆出致密的高性能金属结构件。本发明首先制造工艺支撑，然后进行筋肋结构成形，实现了筋肋结构和其它部分如钛合金舱段壁等的一体化成形，能大大提高零件的整体强度和刚度。与传统焊接工艺相比，采用该工艺方法可以一体化制造具有筋肋结构的钛合金舱段结构件等零件，为高温合金复杂结构件在快速制造领域实现工程化奠定了基础。

附图说明

图1为实施例中激光立体成形设备的组成结构示意图；

图2为实施例中钛合金筋肋结构的激光熔覆成形方法的步骤流程图；

图3a为实施例1中顶部有凸台的钛合金件示意图；

图3b为图3a所示零件的工艺支撑示意图；

图3c为图3a所示零件的熔覆成形过程示意图。

图4a为实施例2中具有环筋结构的钛合金舱段试验件侧壁剖面示意图；

图4b为图4a所示零件的工艺支撑示意图；

图4c为图4a所示零件的熔覆成形过程示意图。

图中标号说明：1-激光器、2-送粉系统、3-数控系统、4-反射聚焦镜、5-送粉喷嘴、6-钛合金半成品零件、7-水冷机床台面、8-成形室、9-净化系统、10-水冷系统、11-透镜；A-顶部有凸台的钛合金件、A1-凸台、A2-工艺支撑、B具有环筋结构的钛合金舱段试验件、B1-环筋、B2-工艺支撑、α-工艺支撑的斜度。

具体实施方式

下面通过具体实施例和附图，对本发明做详细的说明。

本发明利用激光立体成形技术采用工艺支撑的方法一体化制造具有筋肋结构的钛合金舱段，该方法所用设备为激光立体成形设备，图1为该设备的结构组成示意图。如该图所示，该激光熔覆成形设备包括激光器1、送粉系统2、数控系统3、反射聚焦镜4、送粉喷嘴5、钛合金半成品零件6、水冷机床台面7、成形室8、净化系统9和水冷系统10。其中，反射聚焦镜4、送粉喷嘴5、钛合金半成品零件6和水冷机床台面7置于成形室8内，水冷机床台面7用于固定需要成形的钛合金半成品零件材料并进行纵向运动，激光器1用于产生激光束，数控系统3用于控制送粉喷嘴5的二维运动和水冷机床台面7的纵向运动，反射聚焦镜4用于将激光束聚焦并照射在钛合金半成品零件6上形成金属熔池，送粉系统2用于将钛合金粉末经过送粉喷嘴5汇聚于激光焦点光斑形成的熔池中，成形室8内充满氩气，净化系统9用于降低成形室8内的氧含量，水冷系统10用于给激光器1和水冷机床台面7进行冷却。

优选地，激光器1采用4KW二氧化碳快轴流激光器，采用激光立体成形技术制造零件时，使用的钛合金粉末采用等离子旋转电极法生产，粒度约90-200μm。

采用上述设备制备钛合金筋肋结构的步骤如图2所示，具体说明下：

第一步：初始化激光成形设备

如图1所示，将要成形材料所用钛合金板材用工装固定在水冷机床7上，然后封闭成型室。此时成形室内为空气，由于钛合金的熔覆需要在氧含量低于50ppm才能进行熔覆，所以需要先充入氩气以排除空气，流量10-15L/min。当成型室内的氧含量约在1000ppm时，开启净化系统进一步降低氧含量(因为净化系统在氧含量较高时工作容易损坏净化系统)，当氧含量低于50ppm时便可以开启熔覆程序。首先打开激光器1，将高纯CO₂、高纯He、高纯N₂的压力调节至0.5MPa左右，使激光器1产生的激光束经过反射镜4后在钛合金半成品零件6上形成一束光斑并形成熔池。

第二步：熔覆工艺支撑结构

利用UG软件建立工艺支撑的三维模型，斜度约10-15°。首先打开UG软件，建立名称为zhicheng.prt的文件，然后建立直角坐标系，再建立工艺支撑的三维模型，将三维模型与要成形的半成品钛合金件在UG软件中合并为一体，然后将模型保存为zhicheng.stl格式后存盘退出UG系统。之后采用激光成形设备自带的剖分软件进行三维模型的剖分，打开剖分软件(专用软件)，导入zhicheng.stl文件，设置好剖分参数，将剖分软件自动生成CNC程序输入机床控制计算机3。每层的剖分高度设定为0.1-0.2mm；开启设备运行键后，激光器和送粉器以及机床同时启动，激光束和送粉喷嘴沿着剖分软件生成的运动路径进行运动，粉末输送到激光焦点上并经熔化和凝固后形成熔覆层，这样随着机床的运动便开始了连续的熔覆过程。打开送粉器2，粉末经过送粉喷嘴5后汇聚于激光光斑的焦点上，其运行速度为100-200mm/min；设定送粉速度为5-8g/min，送粉气体流量5-6L/min。熔覆5-10层后调整送粉喷嘴5的扫描速度为200-300mm/min，送粉速度调整为6-10g/min，调整熔覆程序中每层的剖分高度为0.1-0.3mm，开始稳定快速熔覆成形。

第三步：完成钛合金舱段环筋结构的成形

当整个工艺支撑部分熔覆完成后，开始环筋部分的熔覆成形，采用激光成形设备自带的剖分软件再次对三维模型未成形部分进行剖分，打开剖分软件(专用软件)，导入zhicheng.stl文件，设置好剖分参数，将剖分软件自动生成CNC程序输入机床控制系统计算机3。每层的剖分高度设定为0.4mm-0.6mm；调整送粉喷嘴的扫描速度为300-400mm/min，送粉速度10-15g/min，开始稳定快速熔覆成形环筋部分，达到环筋的尺寸要求时，即完成了舱段环筋结构的成形毛坯。

之后关闭成形室8的进气阀门和激光器1，调整数控系统3为手动模式，将水冷机床台面7降低至原始位置，打开成形室8门对其进行通风换气，20min后操作人员进入成形室，待成形样品冷却后清除多余钛合金粉末，打开工装卡具将成形好的毛坯从水冷机床台面7上取下，即为一体化激光成形筋肋结构的钛合金舱段毛坯零件。

实施例1：

本实施例制造宽60mm、高100mm、厚10mm、顶部有15mm凸台的钛合金工艺样件A，如图3a所示，图中A1为凸台。具体制造步骤如下：

1.选取厚度约60mm×10mm×10mm的TC4钛合金板材作为基板，模拟半成品零件，用工装卡具固定在机床上；

2.开启激光器，设定激光功率参数为700W，高纯CO₂、高纯He、高纯N₂的压力调节至0.5MPa左右，冷却水流量约20L/min；

3.将钛合金粉末装入送粉器；

4.利用UG软件建立钛合金工艺样件1以及工艺支撑1B的三维模型，工艺支撑A2的形状如图3b所示，其斜度α为10°，并采用成形设备自带的剖分软件进行三维模型的剖分，每层的剖分高度设定为0.1mm，送粉喷嘴的扫描速度设定为100mm/min，送粉速度5g/min；

5.熔覆10层后调整送粉喷嘴的扫描速度为250mm/min，送粉速度调整为7g/min，调整熔覆程序中每层的剖分高度为0.2mm，开始稳定快速熔覆成形；

6.工艺支撑部分熔覆完成后的形状如图3c左边图所示，然后采用成形设备自带的剖分软件再次对三维模型未凸台部分进行剖分，每层的剖分高度设定为0.4mm，送粉喷嘴的扫描速度设定为300mm/min，送粉速度10g/min；功率为2500W，送粉气体流量8L/min；

7.在300-400mm/min之间微调整送粉喷嘴的扫描速度使生长速度稳定，当熔覆成形完成时，停止设备；

8.关闭成形室进气阀门和激光器，将水冷机床台面降低至原始位置，工艺样件冷却后从水冷机床台面上取下，基板上成形的钛合金毛坯即为带有工艺支撑的凸台钛合金工艺样件，其形状如图3c中间图所示，将图中工艺支撑部分加工去除后，便得到宽60mm、高100mm、厚10mm、顶部有15mm凸台的钛合金工艺样件，如图3c右边图所示。

实施例2：

本实施例制造具有环筋结构的钛合金舱段试验件B，图4a是带环筋舱段侧壁纵向剖面图，其中B1为环筋位置。其具体制造步骤如下：

1.将已成形钛合金舱段的半成品用工装卡具固定在机床上；

2.开启激光器，设定激光功率参数为1000W，高纯CO₂、高纯He、高纯N₂的压力调节至0.5MPa左右，冷却水流量约20L/min；

3.将钛合金粉末装入送粉器；

4.利用UG软件建立环筋的工艺支撑的三维模型，并与钛合金舱段模型合并为一体，工艺支撑B2的形状如图4b所示，其斜度α为15°采用成形设备自带的剖分软件进行三维模型的剖分，每层的剖分高度设定为0.2mm，送粉喷嘴的扫描速度设定为200mm/min，送粉速度8g/min；

5.熔覆10层后调整送粉喷嘴的扫描速度为300mm/min，送粉速度调整为10g/min，调整熔覆程序中每层的剖分高度为0.1mm，开始稳定快速熔覆成形；

6.工艺支撑部分熔覆完成后的形状如图4c左边图所示，然后采用成形设备自带的剖分软件再次对三维模型未凸台部分进行剖分，每层的剖分高度设定为0.6mm，送粉喷嘴的扫描速度设定为400mm/min，送粉速度15g/min；功率为2000W，送粉气体流量8L/min；

8.关闭成形室进气阀门和激光器，将水冷机床台面降低至原始位置，钛合金舱段冷却后从水冷机床台面上取下，即为带有工艺支撑的钛合金舱段试验件，其形状如图4c中间图所示，将图中工艺支撑部分加工去除后，即得到具有环筋结构的钛合金舱段试验件，如图4c右边图所示。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，本领域的普通技术人员可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明的精神和范围，本发明的保护范围应以权利要求所述为准。

Claims

1.一种高温合金筋肋结构的激光熔覆成形方法，其步骤包括：

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述筋肋结构为加强筋、凸耳或凸台。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述工艺支撑的斜度为10-15°。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于：进行步骤2）至步骤4）所述熔覆的成形室内的氧含量低于50ppm。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于：首先在成形室内充入氩气以排除空气，氩气流量10-15L/min，当成型室内的氧含量约在1000ppm时，开启净化系统使氧含量低于50ppm。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述送粉系统采用的高温合金粉末采用等离子旋转电极法生产，粒度为100-200目。

7.如权利要求1所述的方法，其特征在于：进行步骤2）和步骤3）所述熔覆时设定激光功率参数为700-1000W，进行步骤4）所述熔覆时设定激光功率参数为2000-2500W。

8.如权利要求1至7中任一项所述的方法，其特征在于：所述高温合金为钛合金。

9.一种高温合金筋肋结构的激光熔覆成形装置，其特征在于，包括激光器、送粉系统、数控系统、反射聚焦镜、送粉喷嘴、机床台面、成形室、净化系统和水冷系统；其中反射聚焦镜、送粉喷嘴和机床台面置于成形室内；所示激光器用于产生激光束，所述反射镜用于将产生的激光束聚焦并形成金属熔池，所述送粉系统用于将高温合金粉末经过送粉喷嘴汇聚于所述金属熔池中，所述数控系统用于控制所述送粉喷嘴和所述机床台面的运动，所述净化系统用于降低成形室内的氧含量，所述水冷系统用于给激光器和机床台面进行冷却。

10.如权利要求9所述的装置，其特征在于：所述激光器采用4KW二氧化碳快轴流激光器。