CN106077643A - 一种s‑04/s‑08高强不锈钢三元闭式叶轮的整体制造方法 - Google Patents

一种s‑04/s‑08高强不锈钢三元闭式叶轮的整体制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种S‑04/S‑08高强不锈钢三元闭式叶轮的整体制造方法，首先建立叶轮三维模型，并进行切片处理；根据叶轮的结构特点，确定成形方向、支撑添加位置；根据高强不锈钢材料特点设定激光选区熔化成形加工工艺参数；在惰性气体的保护下进行成形；成形后清理浮粉，线切割去基板，去除支撑；最后对叶轮进行表面处理及热处理等后续处理。本发明无需设计复杂的刀具或夹具，只需通过叶轮的三维模型即可直接增材制造出零件，极大地缩短了制造周期，适合于研发阶段的试制及中小批量的生产。

Description

一种S-04/S-08高强不锈钢三元闭式叶轮的整体制造方法
技术领域
本发明涉及一种叶轮整体制造方法，尤其涉及一种三元闭式叶轮激光选区熔化增材制造整体加工方法。
背景技术
已有的三元流闭式叶轮制造方法主要有整体精密铸造法、数控加工法和电火花加工法。
精密铸造技术虽能解决部分复杂精密构件的加工制造难题，但内部质量控制难度大，尤其是当叶片厚度较小时，容易出现成分偏析、缩孔、缩松、裂纹、浇不足等缺陷，成品率较低，成本较高，生产周期较长。
目前数控铣削整体加工三元流闭式叶轮的方法，已经掌握了相关编程、刀具和切削工艺参数等关键技术，其主要工艺过程是：闭式叶轮锻件→数控车削叶轮中心定位孔→数控车削叶轮上下端面及内外型面→分别从叶间流道进出口端数控铣削叶间通道(按粗、精加工工序安排)。由此可知，该方法对于那些叶片型面复杂、弯扭程度大、或者叶间流道尺寸小的三元流闭式叶轮，不可避免地在铣削叶间流道的过程容易产生刀具干涉、过切而不能实现流道的整体加工；同时对于那些难切削高强合金材料制成的三元流闭式叶轮，数控铣削很困难、甚至不能加工，不仅加工效率低、制造成本高，而且也难于获得高精度。
电火花整体加工三元流闭式叶轮包括以下加工步骤：(1)锻造毛坯；(2)粗车叶轮中心定位孔以及内、外型面；(3)数控车加工叶轮中心定位孔及内外型面、上下端面；(4)以叶轮中心孔中心定位并进行分度，依照叶轮需要加工的三元流道角向位置要求，逐个分度钻削直径逐段增大的台阶形预孔；(5)采用数控电解加工对第(4)步骤获得的台阶形预孔进行再加工，在对应的加工轨迹运动数控程序的控制下完成三元流道的预加工；(6)采用数控电火花加工己完成预加工的二元流道，在对应的加工轨迹运动数控程序的控制下完成三元流闭式叶轮的叶间通道，同时达到相应的设计精度要求。由此可知，该方法在加工过程中需针对复杂的三元流道设计复杂的数控程序，且加工过程需要设计多组电极逐次加工，加工效率低、制造成本高。
三元流闭式叶轮整体快速制造成为了制造领域的一大难题。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供一种S-04/S-08高强不锈钢三元闭式叶轮的整体制造方法，采用激光选区熔化增材制造的手段，根据三元闭式叶轮结构特点，合理设计成形方向及叶间流道内工艺支撑，在保证叶轮成形精度的前提下，保证支撑在后处理时易去除，根据S-04/S-08高强不锈钢材料特点设定激光选区熔化成形加工工艺参数；在激光选区熔化成形完成后，采用线切割的方式将叶轮件从成形基板上取下，去除支撑后，对叶轮进行表面光整和热处理，最终完成三元流闭式叶轮整体制造。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括以下步骤：
(1)建立叶轮三维模型，对叶轮三维模型进行切片处理；
(2)将叶轮三维模型的中轴线与水平方向呈45°角放置，在叶轮三维模型中与水平方向夹角小于40°的叶片部位下端添加网格工艺支撑模型，网格工艺支撑模型由叶片下端连接到水平放置的盖板上表面；盖板下表面与基板之间添加实体支撑；
(3)根据S-04/S-08高强不锈钢材料特点设定激光选区熔化成形加工工艺参数；
(4)按照步骤(3)设定的工艺参数，在惰性气体的保护下进行激光选区熔化成形；
(5)激光选区熔化成形完成后清理浮粉，线切割去除基板；
(6)去除网格工艺支撑；
(7)对叶轮进行表面处理和热处理，所述表面处理包括喷砂、三元振动和磨料流。
所述步骤(1)中，使用建模软件Pro/engineer或UG建立叶轮三维模型，并导出STL格式三维模型，不设置收缩，切片厚度为30～40μm。
所述步骤(3)中，叶轮激光选区熔化成形加工工艺参数包括：激光功率为300～320W，扫描速度为800～1000mm/s，扫描间距为0.08～0.12mm，相位角为67°/105°；网格工艺支撑激光选区熔化成形加工工艺参数包括：激光功率为250～280W，扫描速度为2200～2600mm/s，网格间距为0.6mm，扫描间距为0.08～0.12mm，相位角为67°/105°；实体支撑与叶轮激光选区熔化成形加工工艺参数相同；其中，S-04/S-08高强不锈钢粉末的粒度分布为D10为15～25μm，D50为25～35μm，D90为55～65μm，粉末的松装密度为4～4.5g/cm，50g粉的流动性≤30s。
所述步骤(4)中，所述惰性气体为氩气，成形过程中气氛氧含量小于1000PPM。
所述步骤(5)中所述线切割采用高速往复走丝电火花线切割，脉冲宽度设定为28～48μs，脉冲间隔为112～170μs，波形为矩形脉冲。
所述步骤(6)中所述去除网格工艺支撑时保证型面光顺。
所述步骤(7)中，喷砂用于对叶轮的整体初步光整，三元振动用于叶轮外型面的精光整，磨料流用于叶片型面的抛光光整；喷砂工艺要求包括：材质为刚玉砂，粒度为40目～60目，吹砂时间为6min～8min；三元振动工艺要求包括：磨料采用三种规格的棕刚玉磨料混合，其中斜圆柱规格为Φ4mm×8mm，斜三角规格为5mm×5mm，圆球磨料规格为SΦ6mm，斜圆柱：斜三角：圆球磨料的质量比为1：1：4；激振频率为48Hz，加工时间为24h；磨料流工艺要求包括：采用中等硬度磨料粗磨，磨粒目数100目，磨削压力4.5MPa，加工时间60min；采用软性磨料精磨，磨粒目数400目，磨削压力4MPa，加工时间45min。
所述步骤(7)中，热处理工艺包括：在1130℃保温3h作为预处理，然后空冷；在1040℃～1110℃保温2h进行固溶，然后空冷；在-70℃保温2h进行冷处理，然后在空气中恢复至室温，在250℃～350℃保温3h进行时效，然后空冷。
本发明的有益效果是：
(1)采用激光选区熔化成形的方法整体制造三元闭式叶轮，整个过程中无需设计复杂的刀具或夹具，只需通过三元闭式叶轮的三维模型即可直接增材制造出零件，极大地缩短了制造周期。
(2)激光选区熔化成形零件精度可达±0.1mm，表面光整后表面粗糙度可达Ra3.2μm，可直接使用。
(3)激光选区熔化成形制造构件内部不会发生宏观成分偏析，不同壁厚、不同部位组织结构无显著差别，成形构件组织结构致密，晶粒细小，力学性能优良，可使三元闭式叶轮的使用性能大幅提高。
附图说明
图1是三元闭式叶轮结构示意图，其中，(a)为主视图，(b)为(a)的A-A向视图；
图2是三元闭式叶轮成形方案示意图，其中，(a)为主视图，(b)为(a)的A-A向视图；
图3是本发明的方法流程图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明，本发明包括但不仅限于下述实施例。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括以下步骤：
(1)建立叶轮三维模型，将该三维模型的STL格式文件导入激光选区熔化成形系统，并进行切片处理；
(2)根据叶轮的结构特点，确定成形方向、支撑添加位置；
(3)根据S-04/S-08高强不锈钢材料特点设定激光选区熔化成形加工工艺参数；
(4)在惰性气体的保护下进行成形；
(5)成形完成后清理浮粉，线切割去基板；
(6)通过人工或者机械加工的方法去除支撑；
(7)对叶轮进行表面处理和热处理。
所述步骤(1)中，叶轮三维模型的建立根据产品要求，使用建模软件Pro/engineer或UG设计出叶轮三维模型，并导出STL格式三维模型，不设置收缩，切片厚度为30～40μm。
所述步骤(2)中根据三元流闭式叶轮的结构特点，成形方向为叶轮模型中轴线与水平方向呈45°角，在该成形方向下，叶片与水平方向夹角小于40°的局部部位添加网格工艺支撑模型，由叶片下端直接连接到盖板；盖板下端与基板添加实体支撑。
所述步骤(3)中根据S-04/S-08高强不锈钢材料特点，设定叶轮激光选区熔化成形加工工艺参数：激光功率为300～320W，扫描速度为800～1000mm/s，扫描间距0.08～0.12mm，相位角67°/105°；设定网格支撑激光选区熔化成形加工工艺参数：激光功率250～280W，扫描速度2200～2600mm/s，网格间距0.6mm，扫描间距0.08～0.12mm，相位角67°/105°；实体支撑与叶轮激光选区熔化成形加工工艺参数相同。其中，S-04/S-08高强不锈钢粉末的粒度分布为D10为15～25μm，D50为25～35μm，D90为55～65μm，粉末的松装密度4～4.5g/cm，50g粉的流动性≤30s；
所述步骤(4)中所述惰性气体为氩气，成形过程中气氛氧含量要求小于1000PPM；
所述步骤(5)中所述线切割采用高速往复走丝电火花线切割，脉冲宽度设定为28～48μs，脉冲间隔为112～170μs，波形为矩形脉冲；
所述步骤(6)中所述去除支撑应保证型面光顺；
所述步骤(7)中所述表面处理包括喷砂、三元振动和磨料流。喷砂用于对叶轮的整体初步光整，三元振动用于叶轮外型面的精光整，磨料流用于叶片型面的抛光光整。喷砂工艺要求为：a.材质：刚玉砂；b.粒度：40目～60目；c.吹砂时间：6min～8min。三元振动工艺要求为：a.磨料，三种规格的棕刚玉磨料混合，其中斜圆柱(Φ4mm×8mm)：斜三角(5mm×5mm)：圆球磨料(SΦ6mm)＝1：1：4；b.激振频率，48Hz；c.加工时间：24h。磨料流工艺要求为：a.粗磨，采用中等硬度磨料，磨粒目数100目，磨削压力4.5MPa，加工时间60min；b.精磨，采用软性磨料，磨粒目数400目，磨削压力4MPa，加工时间45min。所述热处理制度为：预处理(1130℃保温3h，空冷)+固溶(1040℃～1110℃保温2h，空冷)+冷处理(-70℃保温2h，在空气中恢复至室温)+时效(250℃～350℃保温3h，空冷)。
如图3所示，本发明的实施例包括以下步骤：
(1)按三元流理论设计的三元流闭式叶轮如图1所示，其直径为130mm，高度为25mm。
(2)选择的叶轮的成形方向如图2所示；选用这个方向成形时，所需添加的支撑如图2所示，包括叶片间的网格支撑，和盖板下部的实体支撑。
(3)将添加好支撑的模型按照0.04mm层厚分层切片，并将切片文件保存。
(4)将切片文件输入设备，按照叶轮使用的不锈钢材料选择相应的参数包，其中叶轮激光选区熔化成形加工工艺参数：激光功率为300～320W，扫描速度为800～1000mm/s，扫描间距0.08～0.12mm，相位角67°/105°；网格支撑激光选区熔化成形加工工艺参数：激光功率250～280W，扫描速度2200～2600mm/s，网格间距0.6mm，扫描间距0.08～0.12mm，相位角67°/105°；实体支撑与叶轮激光选区熔化成形加工工艺参数相同。调整零件在成形基板上位置，保存加工文件。
(5)关闭激光选区熔化成形设备成形舱门，向设备内部通入氩气，待成形舱内氧含量低于0.1％时，开始激光选区熔化成形，成形过程中应保持氩气供给，保证成形舱内氧含量低于0.1％。
(6)激光选区熔化成形完成后，待零件冷却4小时以上后方可开启舱门取出零件；零件取出后，清除零件内部粉末，线切割去除成基板。
(7)三元流闭式叶轮从基板线切割取下后，采用钳子等工具夹持网格支撑，加力使其剥离，后采用电磨等工具打磨网格支撑与叶轮相交面，采用车加工去除叶轮外部实体支撑。
(8)支撑去除后，根据三元流闭式叶轮技术要求，对叶轮分别进行喷砂、三元振动和磨料流表面处理，按预处理(1130℃保温3h，空冷)+固溶(1040℃～1110℃保温2h，空冷)+冷处理(-70℃保温2h，在空气中恢复至室温)+时效(250℃～350℃保温3h，空冷)进行热处理。

Claims (8)

1.一种S-04/S-08高强不锈钢三元闭式叶轮的整体制造方法，其特征在于包括下述步骤：
(1)建立叶轮三维模型，对叶轮三维模型进行切片处理；
(2)将叶轮三维模型的中轴线与水平方向呈45°角放置，在叶轮三维模型中与水平方向夹角小于40°的叶片部位下端添加网格工艺支撑模型，网格工艺支撑模型由叶片下端连接到水平放置的盖板上表面；盖板下表面与基板之间添加实体支撑；
(3)根据S-04/S-08高强不锈钢材料特点设定激光选区熔化成形加工工艺参数；
(4)按照步骤(3)设定的工艺参数，在惰性气体的保护下进行激光选区熔化成形；
(5)激光选区熔化成形完成后清理浮粉，线切割去除基板；
(6)去除网格工艺支撑；
(7)对叶轮进行表面处理和热处理，所述表面处理包括喷砂、三元振动和磨料流。
2.根据权利要求1所述的S-04/S-08高强不锈钢三元闭式叶轮的整体制造方法，其特征在于：所述步骤(1)中，使用建模软件Pro/engineer或UG建立叶轮三维模型，并导出STL格式三维模型，不设置收缩，切片厚度为30～40μm。
3.根据权利要求1所述的S-04/S-08高强不锈钢三元闭式叶轮的整体制造方法，其特征在于：所述步骤(3)中，叶轮激光选区熔化成形加工工艺参数包括：激光功率为300～320W，扫描速度为800～1000mm/s，扫描间距为0.08～0.12mm，相位角为67°/105°；网格工艺支撑激光选区熔化成形加工工艺参数包括：激光功率为250～280W，扫描速度为2200～2600mm/s，网格间距为0.6mm，扫描间距为0.08～0.12mm，相位角为67°/105°；实体支撑与叶轮激光选区熔化成形加工工艺参数相同；其中，S-04/S-08高强不锈钢粉末的粒度分布为D10为15～25μm，D50为25～35μm，D90为55～65μm，粉末的松装密度为4～4.5g/cm，50g粉的流动性≤30s。
4.根据权利要求1所述的S-04/S-08高强不锈钢三元闭式叶轮的整体制造方法，其特征在于：所述步骤(4)中，所述惰性气体为氩气，成形过程中气氛氧含量小于1000PPM。
5.根据权利要求1所述的S-04/S-08高强不锈钢三元闭式叶轮的整体制造方法，其特征在于：所述步骤(5)中所述线切割采用高速往复走丝电火花线切割，脉冲宽度设定为28～48μs，脉冲间隔为112～170μs，波形为矩形脉冲。
6.根据权利要求1所述的S-04/S-08高强不锈钢三元闭式叶轮的整体制造方法，其特征在于：所述步骤(6)中所述去除网格工艺支撑时保证型面光顺。
7.根据权利要求1所述的S-04/S-08高强不锈钢三元闭式叶轮的整体制造方法，其特征在于：所述步骤(7)中，喷砂用于对叶轮的整体初步光整，三元振动用于叶轮外型面的精光整，磨料流用于叶片型面的抛光光整；喷砂工艺要求包括：材质为刚玉砂，粒度为40目～60目，吹砂时间为6min～8min；三元振动工艺要求包括：磨料采用三种规格的棕刚玉磨料混合，其中斜圆柱规格为Φ4mm×8mm，斜三角规格为5mm×5mm，圆球磨料规格为SΦ6mm，斜圆柱：斜三角：圆球磨料的质量比为1：1：4；激振频率为48Hz，加工时间为24h；磨料流工艺要求包括：采用中等硬度磨料粗磨，磨粒目数100目，磨削压力4.5MPa，加工时间60min；采用软性磨料精磨，磨粒目数400目，磨削压力4MPa，加工时间45min。
8.根据权利要求1所述的S-04/S-08高强不锈钢三元闭式叶轮的整体制造方法，其特征在于：所述步骤(7)中，热处理工艺包括：在1130℃保温3h作为预处理，然后空冷；在1040℃～1110℃保温2h进行固溶，然后空冷；在-70℃保温2h进行冷处理，然后在空气中恢复至室温，在250℃～350℃保温3h进行时效，然后空冷。
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