CN106583720A - 铝基烯合金薄壁叶片的3d打印制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种铝基烯合金薄壁叶片的3D打印制造方法，其包括如下步骤：S1：制备铝基烯合金粉末；S2：将所述铝基烯合金粉末进行干燥后，装入3D打印设备的料缸中；S3：将打印基板进行处理后，安装在3D打印设备的打印平台上；S4：制作加工程序文件，并将所述加工程序文件输入3D打印设备的控制系统；S5：设定3D打印设备的成形工艺参数：激光功率为240～360W，扫描速度为1200～1800mm/s，激光搭接为0.85～0.11mm，铺粉层厚为0.03～0.05mm，补粉量为0.06～0.08mm等步骤。通过本发明方法，可以实现一种铝基烯合金薄壁叶片的3D打印制造，很好地解决了铝基烯合金薄壁叶片很难加工的问题。

Description

铝基烯合金薄壁叶片的3D打印制造方法

技术领域

本发明涉及一种铝基烯合金薄壁叶片的3D打印制造方法，属于3D打印技术领域。

背景技术

铝合金具有低的密度、高的强度和良好的延展性，在航空、航天等领域得到广泛应用。作为结构材料，如何提高铝合金强度一直是其研究者的主攻方向。目前来看，利用改变合金熔炼方式、调控成分、调整热处理和变形工艺等方法在进一步提高铝合金性能难有突破，铝基复合材料应运而生。在铝合金中填加石墨、碳化硅、碳化硼和碳纳米管制备铝基复合材料来提高合金强度成为学者们研究方向。但增强效果不尽人意，且材料的塑性大幅降低。石墨烯纳米片具有高的强度，和较好的塑性，很多国内外研究机构已经开展了研究，将石墨烯添加到铝合金中形成石墨烯增强铝基复合材料(铝基烯合金)，可使材料与塑性同时得到大幅度提升。而该材料适用于制造复杂薄壁零件，例如汽轮机引擎的风扇出口引导叶片，既能提升综合性能又能减轻重量。但是采用传统方法难以制造复杂结构件。

3D打印技术作为一种新型增材制造技术，不需要传统的模具、刀具、夹具及多道加工工序，在一台设备上可快速而精密地制造出任意复杂形状的零件，从而实现自由制造，解决许多过去难以制造的复杂结构零件，并大大减少了加工工序，缩短了加工周期，而且越是复杂结构产品，其优势越为凸显，适用于铝基烯合金薄壁叶片的制造。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种铝基烯合金薄壁叶片的3D打印制造方法。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明提供了一种铝基烯合金薄壁叶片的3D打印制造方法，其包括如下步骤：

S1：制备铝基烯合金粉末；

S2：将所述铝基烯合金粉末进行干燥后，装入3D打印设备的料缸中；

S3：将打印基板进行处理后，安装在3D打印设备的打印平台上；

S4：制作加工程序文件，并将所述加工程序文件输入3D打印设备的控制系统；

S5：设定3D打印设备的成形工艺参数：激光功率为240～360W，扫描速度为1200～1800mm/s，激光搭接为0.85～0.11mm，铺粉层厚为0.03～0.05mm，补粉量为0.06～0.08mm；

S6：将所述打印基本加热至75～85℃，将铝基烯合金粉末均匀铺在打印基板上，并充入氩气，使氧氧含量降到200ppm以下；

S7：启动3D打印设备，根据薄壁叶片的加工程序的第一层轨迹，对打印基板上的铝基烯合金粉末选择性熔化，形成与打印基板的冶金结合，形成薄壁叶片的首层截面；

S8：继续对第二层到第N层分别进行扫描成形，直至整个薄壁叶片的成形完成；

S9：成形完毕后，继续向3D打印设备内充入氩气，保持3D打印设备内氧含量低于500ppm，待冷却10～12小时，取出薄壁叶片。

作为优选方案，还包括对薄片叶片进行后处理的方法，具体包括如下步骤：

S10：将薄壁叶片与打印基板在300～400℃下进行热处理后，将薄壁叶片从打印基板上分离，并切除薄壁叶片底部的余量部分；

S11：将薄壁叶片在50～60℃下进行超声清洗后，采用磨粒流体抛光进行表面抛光处理；

S12：以随炉试棒代替薄壁叶片进行组织性能检测；将随炉试棒数控加工成力学试棒以及微观组织试棒，采用力学检测设备测量力学性能，采用显微镜检测内部组织；

S13：采用三坐标测量仪对薄壁叶片的型面进行检测，采用厚度仪对薄壁叶片进行厚度检测，采用粗糙度仪对薄壁叶片表面粗糙度进行检测。

作为优选方案，步骤S10中，薄壁叶片和打印基板的分离采用中走丝电火花切线割的方法。

作为优选方案，步骤S11中，所述磨粒流体抛光采用钻石软磨料作为磨料。

作为优选方案，所述铝基烯合金粉末为铝合金粉末与石墨烯纳米片的混合物，所述石墨烯纳米片附着在铝合金粉末颗粒表面，石墨烯纳米片的含量为0.34％。

作为优选方案，所述铝基烯合金粉末的制备方法为：采用气雾化方法制备铝合金粉末，在气雾化制备铝合金粉末的同时，将尺寸小于5μm的石墨烯微小颗粒喷到铝合金粉末表面，并粘附在其表面上，凝固形成铝基烯合金粉末原材料，再采用气体分流筛，筛取打印所需粒度的铝基烯合金粉末。

作为优选方案，所述打印基板的处理方法为：

对打印基板表面用46～60目的白刚玉砂进行喷砂处理后，用丙酮进行表面清洗，直至打印基板的表面无颗粒感；

其中，对打印基板进行喷砂处理时，控制喷砂压力为0.3～0.5MPa。

作为优选方案，所述打印基板的材料与铝基烯合金中的铝合金粉末材料相同。

作为优选方案，所述加工程序文件的制作方法为：

根据薄壁叶片的二维图纸，采用三维画图软件，构建薄壁叶片的三维数模，并将所述三维数模以stl格式导出后，采用三维修复软件进行修复、摆放角度分析、添加网格支撑以及做底部倒角，其中，控制摆放角度为15～20°，网格支撑规格为0.5～0.7mm，底部倒角为其中a为底部拉伸的余量；

采用切片软件进行切片，转化成一系列的二维切片数据信息，生成加工程序文件。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

通过本发明方法，可以实现一种铝基烯合金薄壁叶片的3D打印制造，很好地解决了铝基烯合金薄壁叶片很难加工的问题。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

实施例1

本实施例涉及一种铝基烯合金薄壁叶片的3D打印制造方法，包括如下步骤：

步骤1:制备出一种铝基烯合金粉末，石墨烯含量为0.34％，石墨烯纳米片附着在铝合金粉末颗粒表面，粒度范围为0～72μm，其中10～56μm的粉末占85％以上，粉末形状为球形或类球形。

步骤2：将铝基烯合金粉末放入真空干燥箱，干燥温度为110℃/8小时，干燥后取出装入3D打印料缸中。

步骤3：使用同等牌号的铝基材料加工成打印基板，采用喷砂方法用46～60目的白刚玉砂对基板表面进行喷砂处理，喷砂压力控制为0.3～0.5Mpa，喷砂时间为3～5分钟，达到表面毛化效果；然后用丙酮对喷砂后的基板表面清洗，直至表面无颗粒感为止；最后按照设备要求将基板装在打印平台上。

步骤4：根据薄壁叶片的二维图纸，采用三维画图软件，构建薄壁叶片的三维数模，并将三维数模以stl格式导出；

步骤5：采用商用三维修复软件，对薄壁叶片的stl格式三维数模进行修复；

步骤6：采用商用三维修复软件对薄壁叶片进行摆放角度分析、添加网格支撑以及做底部倒角，摆放角度为15～20°，网格支撑为0.5～0.7mm，底部倒角为其中a为底部拉伸的余量；

步骤:7：采用商用切片软件对步骤6的薄壁叶片三维数模和随炉拉伸试棒的三维数模进行切片，转化成一系列的二维切片数据信息，生成相应的加工程序文件，并传输给3D打印设备的控制系统中；

步骤8：设定3D打印设备的成形工艺参数：激光功率为240～360W，扫描速度为1200～1800mm/S，激光搭接为0.85～0.11mm，铺粉层厚为0.03～0.05mm，补粉量为0.06～0.08mm；

步骤9：装配毛刷刮刀，调整毛刷下地面与基板上表面的间隙不大于0.05mm，在毛刷刮刀安装架上后面安装橡胶滚轮，用于确保粉床的平整；

步骤10：将基板预热到80±5℃，采用毛刷刮刀将铝基烯合金粉末均匀地铺在基板上，并开始向设备成形舱室内部充入氩气，使氧含量降到200ppm以下；

步骤11：3D打印设备开始工作，根据薄壁叶片的加工程序的第一层轨迹，对基板上的铝基烯合金粉末选择性熔化，形成与基板的冶金结合，第一层扫面两遍，形成薄壁叶片的首层截面；

步骤12：成形缸下降单层高度，料缸上升一定高度，毛刷刮刀将粉末均匀地铺在成形基板上，多余粉末进入回收料缸内。激光沿加工程序轨迹扫描，相邻层薄壁叶片扫描成形时，相对于已成形的上一层，第二层的激光束扫描方向沿逆时针方向旋转65度，第二层仍扫描两遍，第二层与第一层冶金结合在一起；

料缸上升高度H可以通过如下公式计算得出：

H＝2*h*(S₁/S)

H为料缸上升高度；

h为成型缸下降单层高度；

S₁为单层扫描面积；

S为成形工作平台面积。

步骤13：按照步骤12进行，逐层打印叠加，直至整个薄壁叶片零件的成形完成；

步骤14：成形完毕后，继续向设备内充入氩气，保持设备内氧含量低于500ppm，待冷却10～12小时，方可打开设备取出零件；

步骤15：取出零件后，随基板一起进空气炉，热处理制度：温度为300～400℃，保温时间2～4小时；

步骤16：取出后，采用中走丝电火花切线割，将薄壁叶片从基板上切下来，并切除底部余量部分。

步骤17：开启超声清洗机，待清洗槽内部溶液温度达到50～60℃时，将薄壁叶片放入清洗槽中，清洗25～30min，清洗介质为金属清洗剂,将薄壁叶片表面清理干净；

步骤18：待清洗干净后，采用磨粒流体抛光进行表面抛光处理，采用钻石软磨料作为磨料，持续时间为15～18min，将薄壁叶片表面粗糙度提升到设计要求。

步骤19：以随炉试棒代替薄壁叶片的组织性能检测。将随炉试棒数控加工成力学试棒以及微观组织试棒，采用力学检测设备测量力学性能，采用显微镜检测内部组织。

步骤20：采用三坐标测量仪对薄壁叶片的型面进行检测，采用厚度仪对薄壁叶片进行厚度检测，采用粗糙度仪对薄壁叶片表面粗糙度进行检测。

采用本发明方法制备出一片薄壁叶片的加工周期为6～7天，比传统方法制备周期缩短了21～25天。同时，如果采用本发明方法进行批量生产，平均每片叶片的加工周期会进一步缩短，预计时间为4天。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (9)

1.一种铝基烯合金薄壁叶片的3D打印制造方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1：制备铝基烯合金粉末；

S2：将所述铝基烯合金粉末进行干燥后，装入3D打印设备的料缸中；

S3：将打印基板进行处理后，安装在3D打印设备的打印平台上；

S4：制作加工程序文件，并将所述加工程序文件输入3D打印设备的控制系统；

S5：设定3D打印设备的成形工艺参数：激光功率为240～360W，扫描速度为1200～1800mm/s，激光搭接为0.85～0.11mm，铺粉层厚为0.03～0.05mm，补粉量为0.06～0.08mm；

S6：将所述打印基本加热至75～85℃，将铝基烯合金粉末均匀铺在打印基板上，并充入氩气，使氧氧含量降到200ppm以下；

S7：启动3D打印设备，根据薄壁叶片的加工程序的第一层轨迹，对打印基板上的铝基烯合金粉末选择性熔化，形成与打印基板的冶金结合，形成薄壁叶片的首层截面；

S8：继续对第二层到第N层分别进行扫描成形，直至整个薄壁叶片的成形完成；

S9：成形完毕后，继续向3D打印设备内充入氩气，保持3D打印设备内氧含量低于500ppm，待冷却10～12小时，取出薄壁叶片。

2.如权利要求1所述的铝基烯合金薄壁叶片的3D打印制造方法，其特征在于，还包括对薄片叶片进行后处理的方法，具体包括如下步骤：

S10：将薄壁叶片与打印基板在300～400℃下进行热处理后，将薄壁叶片从打印基板上分离，并切除薄壁叶片底部的余量部分；

S11：将薄壁叶片在50～60℃下进行超声清洗后，采用磨粒流体抛光进行表面抛光处理；

S12：以随炉试棒代替薄壁叶片进行组织性能检测；将随炉试棒数控加工成力学试棒以及微观组织试棒，采用力学检测设备测量力学性能，采用显微镜检测内部组织；

S13：采用三坐标测量仪对薄壁叶片的型面进行检测，采用厚度仪对薄壁叶片进行厚度检测，采用粗糙度仪对薄壁叶片表面粗糙度进行检测。

3.如权利要求2所述的铝基烯合金薄壁叶片的3D打印制造方法，其特征在于，步骤S10中，薄壁叶片和打印基板的分离采用中走丝电火花切线割的方法。

4.如权利要求2所述的铝基烯合金薄壁叶片的3D打印制造方法，其特征在于，步骤S11中，所述磨粒流体抛光采用钻石软磨料作为磨料。

5.如权利要求1所述的铝基烯合金薄壁叶片的3D打印制造方法，其特征在于，所述铝基烯合金粉末为铝合金粉末与石墨烯纳米片的混合物，所述石墨烯纳米片附着在铝合金粉末颗粒表面，石墨烯纳米片的含量为0.34％。

6.如权利要求5所述的铝基烯合金薄壁叶片的3D打印制造方法，其特征在于，采用气雾化方法制备铝合金粉末，在气雾化制备铝合金粉末的同时，将尺寸小于5μm的石墨烯微小颗粒喷到铝合金粉末表面，并粘附在其表面上，凝固形成铝基烯合金粉末原材料，再采用气体分流筛，筛取打印所需粒度的铝基烯合金粉末。

7.如权利要求1所述的铝基烯合金薄壁叶片的3D打印制造方法，其特征在于，所述打印基板的处理方法为：

对打印基板表面用46～60目的白刚玉砂进行喷砂处理后，用丙酮进行表面清洗，直至打印基板的表面无颗粒感；

其中，对打印基板进行喷砂处理时，控制喷砂压力为0.3～0.5MPa。

8.如权利要求7所述的铝基烯合金薄壁叶片的3D打印制造方法，其特征在于，所述打印基板的材料与铝基烯合金中的铝合金粉末材料相同。

9.如权利要求1所述的铝基烯合金薄壁叶片的3D打印制造方法，其特征在于，所述加工程序文件的制作方法为：

根据薄壁叶片的二维图纸，采用三维画图软件，构建薄壁叶片的三维数模，并将所述三维数模以stl格式导出后，采用三维修复软件进行修复、摆放角度分析、添加网格支撑以及做底部倒角，其中，控制摆放角度为15～20°，网格支撑为0.5～0.7mm，底部倒角为其中a为底部拉伸的余量；

采用切片软件进行切片，转化成一系列的二维切片数据信息，生成加工程序文件。