CN105252001B - 一种钛合金整体叶盘叶片的激光成形制造工艺 - Google Patents

一种钛合金整体叶盘叶片的激光成形制造工艺 Download PDF

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Abstract

本发明属于钛合金材料及其加工制造技术领域，具体为一种钛合金整体叶盘叶片的激光成形制造工艺。本发明通过同轴送粉激光熔覆方法，在锻造钛合金盘毂边缘预先加工出的凸台上直接沉积成形钛合金叶片，与现有技术相比，具有无需模具、机械加工余量小、成本低、周期短、高柔性、易操作、成形质量高等优点。按照本发明所提出的工艺方法，按顺序在每个凸台上只熔覆一层，待该层在一圈凸台上全部熔覆结束后再按顺序熔覆下一层，此方法可使熔覆沉积的各层有充分的时间进行冷却，有效解决边缘塌陷的问题，并且各个叶片的同步增高也消除了激光熔覆头与已成形叶片发生接触和碰撞的可能性。

Description

一种钛合金整体叶盘叶片的激光成形制造工艺
技术领域
本发明属于钛合金材料及其加工制造技术领域，具体为一种钛合金整体叶盘叶片的激光成形制造工艺。
背景技术
整体叶盘结构是高推比航空发动机的重要部件，不需叶片榫头和榫槽连接的自重和支撑这些重量的结构，减轻了发动机的重量，叶盘与叶片连接处无间隙，可消除常规叶盘中气流在榫根与榫槽间缝隙中逸流造成的损失，使发动机工作效率增加，从而使整台发动机推重比显著提高。由于钛合金具有密度低、比强度高、耐蚀性好、耐热性高、工艺性能好等优点，整体叶盘多数采用钛合金材料，如F-119高压压气机共6级，都是整体叶盘结构，其中1-2级使用钛合金材料。
目前，整体叶盘的制造主要有以下几种方法：精密锻造法，采用等温锻造制备叶身无余量的整体叶盘，但此方法需要制备锻造模具，成本高，周期长；数控加工法，采用五坐标数控加工机床将锻坯铣削加工成整体叶盘，此方法加工余量大，时间长，材料利用率低；电子束焊接法，采用电子束将单个叶片焊接成叶片环，然后再将锻造轮盘与叶片环电子束焊接成整体叶盘；线性摩擦焊接法，即将两个清洁的轮盘和叶片结合表面处于高压与高温下，使两件材料的结合面形成原子互相转移，最终使轮盘和叶片紧密连成一体。
钛合金整体叶盘的高结构复杂性、高成本对其制造技术提出了更高的要求，激光快速成形技术的出现开辟了一条新途径，该技术将CAD/CAM、高功率激光熔覆和快速原型制造等技术结合起来，能够实现高性能复杂结构、致密金属零件的无模具、快速、直接成形，具有高柔性、短周期、低成本、市场响应快等特点。采用激光快速成形技术可以在整体叶盘盘毂上直接成形叶片，但受叶片空间扭曲形状所限，成形过程容易出现曲率与模型不吻合、边缘塌陷、加工余量不足等问题，因此研究激光快速成形工艺方法对解决其技术难题具有非常重要的意义。
发明内容
本发明的目的是提出一种钛合金整体叶盘叶片的激光成形制造工艺，解决上述的技术难题。
本发明技术方案的具体内容是：
该方法的步骤是：
(1)通过氩气雾化法或等离子旋转电极法制备钛合金球形粉末，粉末筛分及净化处理后，获得所需粒度范围的纯净粉末，备用；所述钛合金粉末粒度范围为50～100μm；
(2)选取将与步骤(1)粉末同种材料的锻造钛合金盘毂，在其边缘机械加工出凸台，凸台的高度为3～5mm，凸台的长度和宽度与盘毂同一位置的叶片尺寸相当；
(3)设定激光快速成形工艺的工艺参数：激光功率为1.0～1.6kW，扫描速度为500～600mm/min，送粉速度为3.4～5.2g/cm3，分层厚度为0.3～0.5mm，光斑直径为0.8～1.0mm；
(4)在气氛保护箱中，将钛合金盘毂安装于激光快速成形设备的机床工作台，通过同轴送粉激光熔覆方法，将步骤(1)所得钛合金粉末逐层堆积到步骤(2)所述的凸台上，成形出钛合金叶片，获得钛合金整体叶盘近净成形件，所述气氛保护箱中充入的气体为高纯氩；所述激光熔覆沉积的过程为，按顺序在每个凸台上只熔覆一层，待该层在一圈凸台上全部熔覆结束后再按顺序熔覆下一层，如此往复循环；所述气氛保护箱中充入的气体为高纯氩，气氛中氧含量为50ppm以下；
(5)对步骤(4)所得整体叶盘近净成形件进行退火热处理；
(6)通过五轴数控机床，按零件图纸对整体叶盘进行最终精细机械加工，去除叶片与凸台多余的材料。
本发明的优点及有益效果：
本发明通过同轴送粉激光熔覆方法，在锻造钛合金盘毂边缘预先加工出的凸台上直接沉积成形钛合金叶片，与现有技术相比，具有无需模具、机械加工余量小、成本低、周期短、高柔性、易操作、成形质量高等优点。按照本发明所提出的工艺方法，按顺序在每个凸台上只熔覆一层，待该层在一圈凸台上全部熔覆结束后再按顺序熔覆下一层，此方法可使熔覆沉积的各层有充分的时间进行冷却，有效解决边缘塌陷的问题，并且各个叶片的同步增高也消除了激光熔覆头与已成形叶片发生接触和碰撞的可能性。此外，设计凸台为叶片的激光快速成形提供基底，可使激光成形界面薄弱区避开叶片与盘毂连接处的高应力集中区。
附图说明
图1为通过本发明方法制备的钛合金整体叶盘结构示意图；图中标号说明：1—叶片，2—盘毂，3—凸台；
图2是本发明钛合金整体叶盘盘毂边缘凸台结构示意图；图中标号说明：4—凸台长度，5—凸台宽度，6—凸台高度。
具体实施方式
以下将结合实例对本发明技术方案作进一步详述：
该方法的步骤是：
(1)通过氩气雾化法或等离子旋转电极法制备钛合金球形粉末，粉末筛分及净化处理后，获得所需粒度范围的纯净粉末；
(2)采用机械加工方法，在现有(采购锻件)与粉末同种材料的锻造钛合金盘毂边缘加工出凸台，为后续激光快速成形叶片提供基底，凸台的长度和宽度尺寸与同一位置叶片尺寸相当，使激光成形界面避开叶片与盘毂转角处的高应力集中区；
(3)设定激光快速成形工艺的工艺参数：激光功率为1.0～1.6kW，扫描速度为500～600mm/min，送粉速度为3.4～5.2g/cm3，分层厚度为0.3～0.5mm，光斑直径为0.8～1.0mm
(4)在气氛保护箱中，将钛合金盘毂安装于机床工作台，通过同轴送粉激光熔覆方法，将步骤(1)所得钛合金粉末逐层堆积到步骤(2)所述凸台上，成形出钛合金叶片，获得钛合金整体叶盘近净成形件；
(5)对步骤(4)所得整体叶盘进行退火热处理；
(6)通过五轴数控机床，按零件图纸对整体叶盘进行最终精细机械加工，去除叶片与凸台多余的材料。
优选地，在所述步骤(1)中，所述钛合金粉末粒度范围为50～100μm。
优选地，在所述步骤(2)中，所述凸台高度6为3～5mm。
优选地，在所述步骤(4)中，所述气氛保护箱中充入的气体为高纯氩，气氛中氧含量为50ppm以下。
优选地，在所述步骤(4)中，激光熔覆沉积的过程为，按顺序在每个凸台上只熔覆一层，待该层在一圈凸台上全部熔覆结束后再按顺序熔覆下一层，如此往复循环；
实施例
图1所示为一种钛合金整体叶盘，该钛合金整体叶盘由盘毂1与叶片2组成，盘毂与叶片连为一体，叶片共17个，均匀分布在盘毂边缘上。整体叶盘盘毂与叶片材料相同，为TC4钛合金。盘毂通过自由锻造及机械加工方法制备，尺寸为Φ162×50mm，采用激光快速成形技术制造上述钛合金整体叶盘叶片，叶片高度为75mm，其步骤为：
(1)通过氩气雾化法或等离子旋转电极法制备TC4钛合金球形粉末，粉末筛分及净化处理后，获得粒度范围为50～100μm的纯净粉末；
(2)采用机械加工方法，在锻造TC4钛合金盘毂边缘加工出图1所示凸台3，为后续激光快速成形叶片提供基底，凸台3的长度4为66mm，宽度5为25mm，尺寸与同一位置叶片尺寸相当，凸台3的高度6为3mm，使激光成形界面避开叶片与盘毂转角处的高应力集中区；
(3)设定激光快速成形工艺的工艺参数：激光功率为1.2kW，扫描速度为500mm/min，送粉速度为3.8g/cm3，分层厚度为0.3mm，光斑直径为0.8mm
(4)在气氛保护箱中充入高纯氩，使气氛中氧含量达到50ppm以下，将钛合金盘毂安装于机床工作台，通过同轴送粉激光熔覆方法，将步骤(1)所得TC4钛合金粉末逐层堆积到步骤(2)所述凸台上，进行激光熔覆沉积时，按顺序在每个凸台上只熔覆一层，待该层在一圈凸台上全部熔覆结束后再按顺序熔覆下一层，如此往复循环，获得钛合金整体叶盘近净成形件；
(5)对步骤(4)所得整体叶盘进行退火热处理；
(6)通过五轴数控机床，按零件图纸对整体叶盘进行最终精细机械加工，去除叶片与凸台多余的材料。
本发明采用激光快速成形技术在整体叶盘盘毂上直接成形叶片，叶片空间扭转曲率与模型吻合，加工余量小于2mm，成形质量良好，未出现边缘塌陷、加工余量不足等问题。

Claims (1)

1.一种钛合金整体叶盘叶片的激光成形制造工艺，其特征在于：该方法的步骤是：
(1)通过氩气雾化法或等离子旋转电极法制备钛合金球形粉末，粉末筛分及净化处理后，获得粒度范围为50～100μm的纯净粉末，备用；
(2)选取与步骤(1)粉末同种材料的锻造钛合金盘毂，在其边缘机械加工出凸台，凸台的高度为3～5mm，凸台的长度和宽度与盘毂同一位置的叶片尺寸相当；
(3)设定激光快速成形工艺的工艺参数：激光功率为1.0～1.6kW，扫描速度为500～600mm/min，送粉速度为3.4～5.2g/cm3，分层厚度为0.3～0.5mm，光斑直径为0.8～1.0mm；
(4)在气氛保护箱中，将钛合金盘毂安装于激光快速成形设备的机床工作台，通过同轴送粉激光熔覆方法，将步骤(1)所得钛合金球形粉末逐层堆积到步骤(2)所述的凸台上，成形出钛合金叶片，获得钛合金整体叶盘近净成形件，所述气氛保护箱中充入的气体为高纯氩；气氛中氧含量为50ppm以下；所述激光熔覆沉积的过程为，按顺序在每个凸台上只熔覆一层，待该层在一圈凸台上全部熔覆结束后再按顺序熔覆下一层，如此往复循环；
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