CN107138727A - 一种具有点阵冷却结构的扇形封严块制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于扇形封严块制备技术领域，特别涉及一种具有点阵冷却结构的扇形封严块制备方法。本发明采用激光选区熔化快速成型技术制备具有点阵结构的扇形封严块，点阵结构由点阵单元组成，每个点阵单元呈四面体或金字塔或kagome构型，点阵结构完全覆盖在扇形封严块背板。本发明以激光为能量源，利用粉末床选区快速成型设备，通过设置合适的扇形封严块成形方向和工艺参数，直接由CAD模型一步完成带有点阵结构的扇形封严块的制备，无需模具，合金材料利用率高，得到的扇形封严块散热性能优异，成形精度良好，可大幅度提高扇形封严块的隔热冷却性能。

Description

一种具有点阵冷却结构的扇形封严块制备方法
技术领域
本发明属于扇形封严块制备技术领域，特别涉及一种具有点阵冷却结构的扇形封严块制备方法。
背景技术
随着航空技术的不断发展，对航空发动机的推重比和低油耗要求越来越高，发动机的压比和温度都不断升高，内流系统的泄漏量越来越大，由此而造成的发动机性能的损失也越发明显。
采用合适的气路封严技术，减少压气机涡轮叶尖与机匣间隙，是提高发动机效率的重要手段。扇形封严块是燃气涡轮发动机低压涡轮部件的重要件，其长期受高温高压燃气的冲刷作用，若冷却效果不佳，将增大内流系统的泄漏量，或造成封严涂层剥落，从而降低燃气轮机的工作效率。
目前扇形封严块的主要冷却方式为冷却气流通过封严块背板带走热量的方式。然而这种冷却方式效果十分有限。点阵结构具有较高的表面积，且能通过金属杆单元和内部连通结构的流体对流传热，具有十分良好的主动传热特性，因此，采用点阵这种新型的、高效的冷却结构，将大幅度提高扇形封严块的隔热和冷却性能。
扇形封严块主要采用冲压成形工艺制造，但对于带有点阵结构的扇形封严块，采用冲压成形工艺无法制造，因此开发一种具有点阵结构的扇形封严块的制备方法至关重要。
发明内容
为克服上述困难，本发明提供了一种利用激光选区熔化成形技术制备带有点阵结构的扇形封严块制备方法。
采用激光选区熔化快速成型技术制备具有点阵结构的扇形封严块，点阵结构由点阵单元组成，每个点阵单元呈四面体或金字塔或kagome构型，点阵结构完全覆盖扇形封严块背板，制备过程包括以下步骤：
建立具有点阵冷却结构的扇形封严块的三维CAD模型；
根据点阵单元中的杆件的方向设计点阵结构扇形封严块成形方向，确保点阵结构中所有杆件与成形面的夹角≥45°，所有杆件均不添加成形辅助支撑；
根据步骤(2)中所确定的点阵冷却结构扇形封严块成形方向以及扇形封严块的结构特点，对扇形封严块中不能满足自支撑的部位，添加成形辅助支撑；
(1)在成形方向上对点阵冷却结构扇形封严块进行分层切片处理，分割成厚度均匀的切片，切片包括扇形封严块的横截面轮廓和加工路径，并将切片信息文件导入激光选区熔化快速成形设备中；
(2)在激光选区熔化快速成形设备的粉末桶内装入合金粉末，并将成形基板置于激光选区熔化成形设备的成形腔内的可升价平台上；
(3)对激光选区熔化成形设备的成形腔中充入高纯氩气；
(4)使用激光选区熔化快速成形设备中的刮粉装置，在成形基板上均匀铺设一层合金粉末；
(5)激光按步骤(4)所设计的加工路径，熔化指定区域的合金粉末，激光扫描到的地方，合金粉末熔化形成熔池，激光离开，熔池迅速凝固得到一层沉积层。制备过程中始终保持激光选区熔化设备中的风扇处于开启状态；
(6)完成步骤(8)后，成形基板下降一个层厚的距离，刮粉装置在步骤(8)中形成的沉积层上，再均匀铺设一层合金粉末；
(7)重复上述步骤(8)和(9)，直到新型冷却结构扇形封严块制备完成，待扇形封严块温度降至室温后取出；
(8)去除成形辅助支撑。
步骤(3)中所述的添加成形辅助支撑，是指对扇形封严块结构中与成形面夹角＜45°的部位添加成形辅助支撑。
步骤(4)中所述的切片厚度为：0.02-0.05mm。
步骤(5)中所选用的合金粉末呈球形或近球形，直径≤53μm。
步骤(5)中所选用的成形基板为45号钢。
步骤(6)中所述氧含量为：≤20ppm。
步骤(7)中所述的粉末层厚度为：0.02-0.05mm。
步骤(8)中所述激光功率为：100-500W，扫描间距为：0.12mm，光斑直径为：0.1-0.5mm。
步骤(9)中所述成形基板下降高度为：0.02-0.05mm，步骤(9)中所述的粉末层厚度为：0.02-0.05mm。
步骤(11)中所述的支撑去除为手工去除。
本发明具有的优点和有益效果
首先利用计算机得到带有点阵结构扇形封严块的CAD数值模型，然后在确保点阵结构能顺利成形的条件下，确定扇形封严块的成形方向，再利用分层软件在扇形封严块的成形方向上进行分层切片，并生成扫描路径，最后激光根据设定的扫描路径，逐点熔化沉积合金粉末，并逐层堆积，形成带有新型冷却结构的扇形封严块。本制备方法经济、快速，特别适合用于复杂点阵结构的制备。
本发明以激光为能量源，利用粉末床选区快速成型设备，通过设置合适的扇形封严块成形方向和工艺参数，直接由CAD模型一步完成带有点阵结构的扇形封严块的制备，无需模具，合金材料利用率高，得到的扇形封严块散热性能优异，成形精度良好，可大幅度提高扇形封严块的隔热冷却性能。
附图说明
图1是本发明扇形封严块背板处点阵覆盖示意图，其中1扇形封严块背板；2扇形封严块；
图2是本发明点阵单元中一种典型结构示意图。
具体实施方式
以下结合实例对本发明做进一步阐述，但本发明并不局限于具体实施例。
采用激光选区熔化快速成型技术制备具有点阵结构的扇形封严块，点阵结构由点阵单元组成，每个点阵单元呈四面体或金字塔或kagome构型，点阵结构完全覆盖扇形封严块背板，利用激光选区熔化制备背板带有点阵结构的扇形封严块：
(1)利用三维绘图软件(solidworks等)建立带有点阵结构的扇形封严块的三维CAD模型；
(2)根据具有新型冷却结构的扇形封严块中点阵的结构特点，调整扇形封严块成形方向，确保扇形封严块中所有点阵单元均能在不添加支撑的条件下顺利成形；
(3)根据步骤(2)中所确定的扇形封严块成形方向，以及扇形封严块的结构特点，对扇形封严块中与成形面夹角＜45°的悬空部位添加成形辅助支撑；
(4)在成形方向上对扇形封严块进行分层切片处理，均匀分割成厚度约为0.05μm的切片，切片包括扇形封严块的横截面轮廓信息和加工路径，并将切片文件导入激光选区熔化快速成形设备中；
(5)在激光选区熔化快速成形设备的粉末桶内装入直径≤53μm，球形或近球形的K40M合金粉末，并将厚度约为50mm厚的45号钢成形基板置于激光选区熔化成形设备的成形腔内的可升价平台上；
(6)对激光选区熔化成形设备的成形腔中充入高纯氩气，直至成形腔内气体氧含量≤20ppm；
(7)使用激光选区熔化快速成形设备中的刮粉装置，在成形基板上均匀铺设厚度为0.05mm厚的一层合金粉末；
(8)激光按步骤(4)所预设的加工路径，熔化指定区域的合金粉末，激光扫描到的地方，合金粉末熔化形成熔池，激光离开，熔池迅速凝固得到一层沉积层。激光扫描速度：5m·s-1，激光功率为：300W，扫描间距为：0.12mm，光斑直径为：0.2mm。制备过程中始终保持激光选区熔化设备中的风扇处于开启状态；
(9)完成步骤(8)后，成形基板下降0.05mm，刮粉装置在步骤(9)中形成的沉积层上，再均匀铺设厚度为0.05mm的K640合金粉末；
(10)重复上述步骤(8)和(9)，直到新型冷却结构扇形封严块制备完成，待扇形封严块温度降至室温后取出；
(11)将采用手工去除方式，去除成形辅助支撑。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书内容所做的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种具有点阵冷却结构的扇形封严块制备方法，其特征在于：采用激光选区熔化快速成型技术制备具有点阵结构的扇形封严块，点阵结构由点阵单元组成，每个点阵单元呈四面体或金字塔或kagome构型，点阵结构完全覆盖在扇形封严块背板，制备过程包括以下步骤：
(1)建立具有点阵冷却结构的扇形封严块的三维CAD模型；
(2)根据点阵单元中的杆件的方向设计点阵结构扇形封严块成形方向，确保点阵结构中所有杆件与成形面的夹角≥45°，所有杆件均不添加成形辅助支撑；
(3)根据步骤(2)中所确定的点阵冷却结构扇形封严块成形方向以及扇形封严块的结构特点，对扇形封严块中不能满足自支撑的部位，添加成形辅助支撑；
(4)在成形方向上对点阵冷却结构扇形封严块进行分层切片处理，分割成厚度均匀的切片，切片包括扇形封严块的横截面轮廓和加工路径，并将切片信息文件导入激光选区熔化快速成形设备中；
(5)在激光选区熔化快速成形设备的粉末桶内装入合金粉末，并将成形基板置于激光选区熔化成形设备的成形腔内的可升价平台上；
(6)对激光选区熔化成形设备的成形腔中充入高纯氩气；
(7)使用激光选区熔化快速成形设备中的刮粉装置，在成形基板上均匀铺设一层合金粉末；
(8)激光按步骤(4)所设计的加工路径，熔化指定区域的合金粉末，激光扫描到的地方，合金粉末熔化形成熔池，激光离开，熔池迅速凝固得到一层沉积层。制备过程中始终保持激光选区熔化设备中的风扇处于开启状态；
(9)完成步骤(8)后，成形基板下降一个层厚的距离，刮粉装置在步骤(8)中形成的沉积层上，再均匀铺设一层合金粉末；
(10)重复上述步骤(8)和(9)，直到新型冷却结构扇形封严块制备完成，待扇形封严块温度降至室温后取出；
(11)去除成形辅助支撑。
2.根据权利要求1所述的一种具有点阵冷却结构的扇形封严块制备方法，其特征在于：步骤(3)中所述的添加成形辅助支撑，是指对扇形封严块结构中与成形面夹角＜45°的部位添加成形辅助支撑。
3.根据权利要求1所述的一种具有点阵冷却结构的扇形封严块制备方法，其特征在于：步骤(4)中所述的切片厚度为：0.02-0.05mm。
4.根据权利要求1所述的一种具有点阵冷却结构的扇形封严块制备方法，其特征在于：步骤(5)中所选用的合金粉末呈球形或近球形，直径≤53μm。
5.根据权利要求1所述的一种具有点阵冷却结构的扇形封严块制备方法，其特征在于：步骤(5)中所选用的成形基板为45号钢。
6.根据权利要求1所述的一种具有点阵冷却结构的扇形封严块制备方法，其特征在于：步骤(6)中所述氧含量为：≤20ppm。
7.根据权利要求1所述的一种具有点阵冷却结构的扇形封严块制备方法，其特征在于：步骤(7)中所述的粉末层厚度为：0.02-0.05mm。
8.根据权利要求1所述的一种具有点阵冷却结构的扇形封严块制备方法，其特征在于：步骤(8)中所述激光功率为：100-500W，扫描间距为：0.12mm，光斑直径为：0.1-0.5mm。
9.根据权利要求1所述的一种具有点阵冷却结构的扇形封严块制备方法，其特征在于：步骤(9)中所述成形基板下降高度为：0.02-0.05mm，步骤(9)中所述的粉末层厚度为：0.02-0.05mm。
10.根据权利要求1所述的一种具有点阵冷却结构的扇形封严块制备方法，其特征在于：步骤(11)中所述的支撑去除为手工去除。
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