CN107457529B - 一种空腔涡轮盘的制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明采用连续激光熔敷高温合金粉末、脉冲激光冲击锻打复合加工技术加工含有空腔的涡轮盘，使得成形件的综合性能不低于锻造件的综合性能，在成形空腔涡轮盘的过程中，同时进行空腔和涡轮盘表面的高精度铣削，一次成形，工艺精简，该方法属于典型的增材制造工艺，材料利用率高，制造效率高，而且不需要大型挤压设备，运行费用较低，空腔涡轮盘减重效果明显，对发展高推重比航空发动机具有重要意义。

Description

一种空腔涡轮盘的制造方法
技术领域
本发明涉及一种涡轮盘的制造方法，具体涉及一种空腔涡轮盘的制造方法。
背景技术
涡轮盘是飞机发动机主要零件之一，作为航空发动机的核心转动部件，其承受着高温和高应力的叠加作用，工作条件极为苛刻，制备工艺复杂，技术难度大，长期以来都是我国发动机发展的难点之一。
当前，粉末高温合金涡轮盘件制造技术是先进航空发动机的标志之一，西方国家现役军用飞机发动机很多都采用了超塑性等温锻造的粉末高温合金涡轮盘。目前世界上只有美国、英国、俄罗斯、法国和德国等少数几个国家掌握了粉末高温合金部件的生产技术。粉末高温合金涡轮盘件的生产工艺主要有粉末热挤压+超塑性锻造成形、直接热等静压成形和热等静压(HIP)+锻造成形。
由于上述三种生产工艺要求具有大吨位的挤压设备，还要求具有全封闭的等温锻造压机及装置，投资巨大，运行费用较高，而且涡轮盘坯件制作工艺复杂，耗时耗力。锻造成形的涡轮盘，是一种实体涡轮盘，对制造高推比发动机贡献较小。
发明内容
本发明的发明目的是提供一种空腔涡轮的制造方法，该方法利用连续激光束作为热源，熔敷高温合金粉末成形涡轮盘，同时采用脉冲激光束对熔敷金属层进行冲击锻打，消除熔敷层内的残余应力，提高熔敷层的综合机械性能，在熔积成形数层后利用铣刀对涡轮盘空腔表面进行铣削加工，消除空腔壁上的应力集中源，同时对已熔积成形的涡轮盘外表面进行铣削加工，以满足涡轮盘表面粗糙度的要求，当空腔无法容纳铣刀加工时，停止内部空腔的铣削，只对涡轮盘的外表面进行铣削，直至整个涡轮盘加工完成。
为达到上述发明目的，本发明采用的技术方案是：一种空腔涡轮的制造方法，包括以下步骤：
(1).在三维绘图软件中绘制空腔涡轮盘的3D模型，然后对3D模型进行数据处理，生成加工代码；
(2).连续光束激光器与送粉送气系统根据加工代码，激光束照射金属粉，由机械臂控制光内同轴送粉装置根据加工路径扫描加工基板，进行熔敷成形，同时短脉冲激光紧随连续激光束对熔敷区进行激光冲击锻打；
(3).当熔敷层达到一定高度时，机器人移动加工基板至铣床工作区，利用铣刀对涡轮盘进行铣削加工；
(4).铣削完后对涡轮盘进行清理，然后由机器人将加工基板再移至激光加工区，进行后续的激光熔敷-激光冲击锻打作业；
(5).重复步骤(2)(3)(4)，如此循环，直至整个三维实体的制造完成。
优选地，所述机械臂由数控系统控制，所述数控系统根据接收的加工代码控制所述机械臂的运动。
优选地，所述的送粉送气系统输送的粉是制造涡轮盘用的高温合金金属粉，输送的气是保护气体氮气；所述的光内同轴送粉装置外侧有所述的保护气体氮气形成的环形气帘，以保护熔融金属不被氧化。
优选地，所述的连续激光的参数可调，所述参数包括能量密度、光斑形状(圆形或方形)及大小、移动速度，所述的脉冲激光的参数可调，所述参数包括脉冲能量、脉冲宽度、脉冲频率、光斑形状(圆形或方形)及大小、移动速度；所述脉冲激光冲击锻打的熔敷区存在一个区间范围，所述区间范围由所述熔敷区的温度界定，所述的温度界定为所述高温合金熔点温度的0.5倍至0.8倍的温度区间，即温度在0.5倍至0.8倍的高温合金熔点温度的熔敷区为脉冲激光冲击锻打区域，所述的温度区间由红外温度检测仪测定。
优选地，所述加工基板由所述机器人夹持，所述加工基板上附有夹紧装置，所述夹紧装置能够固定熔敷成形件，当所述机器人控制所述的加工基板在空间中自由运动时，以保证所述熔敷成形件位置不发生变化；所述机器人根据接收到的加工代码可以控制所述加工基板的空间姿态，所述的空间姿态是连续激光能够熔敷所述的高温合金金属粉完成成形的加工位置。
优选地，所述的对涡轮盘的铣削加工包括对涡轮盘的外表面及涡轮盘内部空腔的铣削加工，所述涡轮盘内部空腔的形状与大小根据涡轮盘的强度要求设计所得，空腔闭合处远离涡轮盘的受力区域，对空腔的铣削是分层铣削，即每完成一定数量的熔敷层就对空腔内部进行铣削，当空腔逐渐接近闭合，铣刀不能进入空腔时，停止对空腔的铣削，继续熔敷高温合金金属粉末闭合空腔。
从以上技术方案可以看出，本发明的优点在于：
本发明采用连续激光熔敷高温合金粉末、脉冲激光冲击锻打复合加工技术加工含有空腔的涡轮盘，使得成形件的综合性能不低于锻造件的综合性能，在成形空腔涡轮盘的过程中，同时进行空腔和涡轮盘表面的高精度铣削，一次成形，工艺精简，该方法属于典型的增材制造工艺，材料利用率高，制造效率高，而且不需要大型挤压设备，运行费用较低，空腔涡轮盘减重效果明显，对发展高推重比航空发动机具有重要意义。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明所提供的一种具体实施方式的流程图；
图2为本发明所提供的一种空腔涡轮盘示意图；
图3为图2空腔涡轮盘的部分剖视图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例一
一种空腔涡轮盘的制造方法，包括如下步骤：
S1.在三维绘图软件中绘制空腔涡轮盘的3D模型，然后对3D模型进行数据处理，生成加工代码；
S2.连续光束激光器与送粉送气系统根据加工代码，激光束照射高温合金金属粉，由机械臂控制光内同轴送粉装置根据加工路径扫描加工基板，进行熔敷成形，同时短脉冲激光紧随连续激光束对熔敷区进行激光冲击锻打；
S3.当熔敷层达到一定高度时，机器人移动加工基板至铣床工作区，利用铣刀对涡轮盘进行铣削加工；
S4.铣削完后对涡轮盘进行清理，然后由机器人将加工基板再移至激光加工区，进行后续的激光熔敷-激光冲击锻打作业；
S5.重复步骤S2、S3、S4，如此循环，直至整个三维实体的制造完成。
具体地，使用三维绘图软件UG绘制空腔涡轮盘的3D模型。
具体地，所述步骤S2中高温合金金属粉材料为FGH95，在使用前应在200摄氏度的烘箱中保存3小时，充分去除水分，保持干燥；采用CO2激光器输出连续激光束，YAG激光器输出脉冲激光束，激光扫描速度为3mm/s，送粉量10g/min，保护气体的输送量为3L/min,脉冲激光可调节能量范围5J-10J，脉冲宽度在10ns-15ns可调节；在熔敷过程中，加工基板上的夹紧装置将已熔敷成形部分固定在加工基板上，机器人能够根据加工指令时时通过平移与旋转的动作调整加工基板的空间位置，以加工复杂结构。
具体地，所述步骤S3中，每当熔敷30层时，停止熔敷，机器人将加工基板移至铣床加工区，采用球头铣刀对已成形部分进行铣削，包括涡轮盘外表面和空腔的内表面，铣削结束后，对成形部分进行清理，去除碎屑，然后机器人再将加工基板移至激光加工区，进行后续激光熔敷-激光冲击锻打作业，当空腔逐渐成形，开口越来越小，铣刀不能进入时，即空腔的铣削作业结束，继续熔敷高温合金粉末，封闭空腔，后续仅铣削涡轮盘的外表面，直至整个涡轮盘成形。

Claims (3)

1.一种空腔涡轮盘的制造方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
S1.绘制空腔涡轮盘的3D模型，对3D模型进行数据处理，生成加工代码；
S2.连续激光器与送粉送气系统根据加工代码，激光束照射高温合金金属粉，由机械臂控制光内同轴送粉装置根据加工路径扫描加工基板，进行熔敷成形，同时短脉冲激光紧随连续激光束对熔敷区进行激光冲击锻打；
S3.当熔敷层达到一定高度时，机器人移动加工基板至铣床工作区，利用铣刀对涡轮盘进行铣削加工；
S4.铣削完后对涡轮盘进行清理，然后由机器人将加工基板再移至激光加工区，进行后续的激光熔敷-激光冲击锻打作业，重复步骤S2、S3以及S4直至整个三维实体的制造完成；
采用铣刀对涡轮盘进行铣削加工包括对涡轮盘外表面和内部空腔表面的铣削，所述涡轮盘内部空腔的形状与大小根据涡轮盘的强度要求设计所得，空腔闭合处远离涡轮盘的受力区域，对空腔的铣削是分层铣削，即每完成一定数量的熔敷层就对空腔内部进行铣削，当空腔逐渐接近闭合，铣刀不能进入空腔时，停止对空腔的铣削，继续熔敷高温合金金属粉末闭合空腔。
2.根据权利要求1所述的一种空腔涡轮盘的制造方法，其特征在于，利用段脉冲激光对熔敷区进行激光冲击锻打，所述的熔敷区是温度在0.5-0.8倍的所述的高温合金熔点温度的区域。
3.根据权利要求1所述的一种空腔涡轮盘的制造方法，其特征在于，所述加工基板由所述机器人夹持，所述加工基板上附有夹紧装置，所述夹紧装置能够固定熔敷成形件，当所述机器人控制所述的加工基板在空间中自由运动时，所述熔敷成形件的位置不发生变化；所述机器人根据接收到的加工代码可以控制所述加工基板的空间姿态，所述的空间姿态是连续激光能够熔敷所述的高温合金金属粉完成成形的加工位置。
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