CN109202459A - 一种钛合金空心叶片增材制造装置及制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种钛合金空心叶片增材制造装置，其技术要点在于：包括手套箱，手套箱内设置有金属熔履与热机械加工复合加工装置和数控加工装置，一种钛合金空心叶片增材制造方法，包括如下步骤，第一步，对手套箱内通入高纯氩气并进行气体置换；第二步，对金属丝进行熔覆与热机械加工复合加工处理；第三步，采用数控加工机床上的数控加工头对铺覆的金属进行数控加工至要求的外形和内部空腔的形状；第四步，重复前述步骤，逐层成形和加工出最终形状的钛合金空心叶片；本发明能够在一个装置和工艺过程中制造出接近于最终使用状态的钛合金空心扭转叶片，将金属丝熔覆和锻造热机械加工设计成阵列式，更容易控制成形过程中产生的残余应力和宏观变形。
Description
技术领域
本发明涉及金属增材制造技术领域，特别是涉及一种钛合金空心叶片增材制造装置及制造方法。
背景技术
钛合金空心扭转叶片是高推重比发动机的关键和核心部件之一，其设计和制造水平将直接决定整个发动机的整体性能，国内外针对其开展了大量的研究工作。目前，现有技术中的最常用的空心扭转风扇叶片有两种类型的产品，一类是钛合金空心扭转叶片，一类是以树脂基复合材料为材料的空心扭转风扇叶片。
目前，已经得到应用的钛合金空心扭转风扇叶片的制造工艺主要分为两种。一种采用超塑成形/扩散连接的方法，工艺过程大致分为以下几个步骤：1)原始坯料数控加工；2)面板与芯板涂覆止焊剂；3)面板与芯板叠层后封焊；4)放入模具加热进行扭转成形；5)放入模具加热进行热成形或热校形；6)放入模具加热进行超塑成形；7)外形打磨和抛光至最终外形；8)表面强化；另一种是采用扩散连接的方法，工艺过程大致分为以下几个步骤：1)原始坯料数控加工，加工出带筋条的两半钛合金空心叶片；2)放入热压炉中升温至设定温度，通过型模加压的方法实现数控加工的两半叶片连接在一起，形成一个空心叶片；3)焊接进气管，扩散连接后的预制坯放入到胀形模具中，通入气体使得空心叶片贴模；4)外形打磨和抛光至最终外形；5)表面强化。
随着近年来增材制造技术的方法发展，研究者将其用于制造钛合金空心扭转叶片，主要是采用激光，激光熔化沉积近净成形技术( laser melting depositionmanufacturing，LMD) 是一种在快速原型制造技术和激光熔覆技术基础上发展起来的、集材料制备与复杂零件近净成形于一体的制造技术，该技术通过激光熔化/快速凝固逐层沉积“生长制造”，由零件CAD模型一步完成致密、高性能钛合金零件的“近净成形制造”。与传统钛合金零件制造技术相比，具有以下特点: 1) 无需锻造工业装备、锻造模具制造及锻坯制备加工；2) 高性能钛合金材料的制备与复杂形状钛合金零件的“近净成形”一步完成；3)零件机械加工余量小、数控加工时间短、材料利用率高、生产周期短、制造成本低；4) 零件具有细小、均匀的激光“原位”冶金/快速凝固组织，综合力学性能优异；5 )柔性高、响应快等特点。该技术为钛合金空心叶片的低成本、短周期、近净成形制造技术提供了一条技术新途径。
但现有的钛合金空心扭转叶片制造工艺存在一些缺陷，主要表现在：1、采用超塑成形/扩散连接制造工艺的制造工艺过程复杂，工步多，需要对每一个工艺过程和参数进行严格控制，才能够获得具有稳定高性能的结构件，工艺控制的难度较大，容易产生残次品。在制造工艺过程中止焊剂的涂覆会影响成形后结构件的内部空腔的表面光洁度，对零件的疲劳性能会产生影响。内表面是一个接近于封闭的空腔，不能进行强化，表面处理难度也较大；2、采用扩散连接方法制备的空心叶片，由于是采用数控加工制造出两半的叶片，然后通过扩散连接的方法在筋条位置连接在一起，从而制造出一个整体的叶片结构件，这种工艺决定了，筋条的厚度不能加工到超塑成形/扩散连接工艺中筋条的厚度那么小，制造的叶片的重量要高于超塑成形/扩散连接工艺，减重效果受到影响。另外，筋条通过扩散连接结合在一起，对数控加工后两半零件的对中精度要求高，在扩散连接工艺过程中产生了连接缺陷，通过后续加工的方法消除连接缺陷的难度较大。采用激光熔化沉积近净成形方法制备空心叶片，由于是采用激光同轴送粉的方法实现对金属粉末进行熔覆，然后逐层成形出结构件，在成形过程中，未完全熔覆的粉末会进入到钛合金空心叶片的空腔中，材料的利用率一般低于50%。成形后的零件的组织状态是快速凝固组织，容易产生未熔覆、孔洞、夹杂等缺陷，从而影响结构件的使用性能。
发明内容
本发明的目的就是解决以上技术中存在的问题，并为此提供一种钛合金空心叶片增材制造装置及制造方法。
一种钛合金空心叶片增材制造装置，包括手套箱，手套箱内设置有金属熔履与热机械加工复合加工装置和数控加工装置。
进一步地，金属熔履与热机械加工复合加工装置包括金属丝盘，金属丝盘的下面设置有送丝机构，送丝机构的下面设置有金属丝熔履焊枪，金属丝熔履焊枪的底部外周设置有环形锻造头，金属丝熔履焊枪的底部设置有预制坯。
进一步地，金属丝熔履焊枪的底部外周设置有带阵列式通孔的锻造头。
进一步地，数控加工装置包括数控加工机床，数控加工机床上设置有数控加工头。
进一步地，金属熔履与热机械加工复合加工装置与数控加工装置之间设置有滑动板。
一种钛合金空心叶片增材制造方法，包括如下步骤，第一步，对手套箱内通入高纯氩气并进行气体置换；第二步，对金属丝进行熔覆与热机械加工复合加工处理；第三步，完成了一层或多层金属的熔覆与热机械加工复合加工处理后，将预制坯从左侧移动到右侧，采用数控加工机床上的数控加工头对铺覆的金属进行数控加工至要求的外形和内部空腔的形状；第四步，重复前述步骤，逐层成形和加工出最终形状的钛合金空心叶片。
进一步地，对金属进行熔覆与热机械加工复合加工处理的过程为，1），开启送丝机构，将金属丝盘上的丝材送至金属丝熔覆焊枪，通过与预制坯接触起弧，将金属丝熔覆，并按照设定轨迹逐层、逐行铺覆到预制坯上；2），采用环形锻造头对刚刚铺覆的金属进行热机械加工。
进一步地，对金属进行熔覆与热机械加工复合加工处理的过程为，1），将金属丝盘上的丝材通过送丝机构送至金属丝熔覆焊枪，将金属丝熔覆，并按照设定轨迹逐层、逐行铺覆到预制坯上，金属丝熔覆的方法是熔化极惰性气体保护焊或者是熔化极惰性气体保护焊中的冷金属过渡焊接技术中的任一种；2），熔化极惰性气体保护焊的焊枪或冷金属过渡焊接技术的焊枪成阵列排布，有m行，n列，既m×n个焊枪；3），与阵列式焊枪相对应，锻造头是长方体形厚板，在长方体形的上下表面上加工出阵列式的通孔，每个通孔中可放置熔化极惰性气体保护焊的焊枪或冷金属过渡焊接技术的焊枪的任一种，通孔与焊枪之间保持间隙，间隙尺寸为0.5mm～1mm，使金属丝熔覆后铺覆到阵列式焊枪和长方体形厚板锻造头下面的预制坯上，采用长方体形锻造头对每个焊枪熔覆的金属立刻进行锻造加工。
本发明的优点：
1、在一个装置和工艺过程中制造出了接近于最终使用状态的钛合金空心扭转叶片，具有效率高、成本低的优点；
2、可以获得具有热机械加工组织、缺陷少、残余应力小的钛合金空心扭转结构件，材料利用率高；
3、在制造过程中，对每层进行了数控加工，可以获得具有最终形状的结构件，而无需再进行后续的加工；
4、采用环形锻造头作为热机械加工头，与金属丝熔覆焊枪的对称轴线重合，可以沿着任何方向和轨迹进行金属丝熔覆和锻造加工；
5、将金属丝熔覆和锻造热机械加工设计成阵列式，可以成倍的提高效率，并且更容易控制成形过程中产生的残余应力和宏观变形。
附图说明
图1为实施例1的示意简图；
图2为实施例2的示意简图；
图3为实施例2的带阵列式通孔的锻造头示意简图。
附图中的标记为：
1、手套箱
2、金属丝盘
3、送丝机构
4、金属丝熔覆焊枪
5、环形锻造头
6、预制坯
7、滑动板
8、数控加工机床
9、数控加工头
10、带阵列式通孔的锻造头。
具体实施方式
为了使本发明更容易被清楚理解，以下结合附图以及实施例对本发明的技术方案作以详细说明。
实施例1
如图1所示，一种钛合金空心叶片增材制造装置，包括手套箱1，手套箱1内设置有金属熔履与热机械加工复合加工装置和数控加工装置，金属熔履与热机械加工复合加工装置包括金属丝盘2，金属丝盘2的下面设置有送丝机构3，送丝机构3的下面设置有金属丝熔履焊枪4，金属丝熔履焊枪4的底部外周设置有环形锻造头5，金属丝熔履焊枪4的底部设置有预制坯6，金属丝熔履焊枪4中的金属丝与预制坯6接触并可以起弧。数控加工装置包括数控加工机床8，数控加工机床8上设置有数控加工头9。金属熔履与热机械加工复合加工装置与数控加工装置之间设置有滑动板7。
一种钛合金空心叶片增材制造方法，包括如下步骤，第一步，对手套箱内通入高纯氩气并进行气体置换；第二步，对金属丝进行熔覆与热机械加工复合加工处理，该处理为，1），开启送丝机构，将金属丝盘上的丝材送至金属丝熔覆焊枪，通过与预制坯接触起弧，将金属丝熔覆，并按照设定轨迹逐层、逐行铺覆到预制坯上；2），采用环形锻造头对刚刚铺覆的金属进行热机械加工；第三步，完成了一层或多层金属的熔覆与热机械加工复合加工处理后，将预制坯从左侧移动到右侧，采用数控加工机床上的数控加工头对铺覆的金属进行数控加工至要求的外形和内部空腔的形状；第四步，重复前述步骤，逐层成形和加工出最终形状的钛合金空心叶片。
实施例2
如图2-3所示，一种钛合金空心叶片增材制造装置，包括手套箱1，手套箱1内设置有金属熔履与热机械加工复合加工装置和数控加工装置，金属熔履与热机械加工复合加工装置包括金属丝盘2，金属丝盘2的下面设置有送丝机构3，送丝机构3的下面设置有金属丝熔履焊枪4，金属丝熔履焊枪4的底部外周设置有带阵列式通孔的锻造头10，金属丝熔履焊枪4的底部设置有预制坯6。数控加工装置包括数控加工机床8，数控加工机床8上设置有数控加工头9。金属熔履与热机械加工复合加工装置与数控加工装置之间设置有滑动板7。
一种钛合金空心叶片增材制造方法，包括如下步骤，第一步，对手套箱内通入高纯氩气并进行气体置换；第二步，对金属丝进行熔覆与热机械加工复合加工处理，该处理为，1），将金属丝盘上的丝材通过送丝机构送至金属丝熔覆焊枪，将金属丝熔覆，并按照设定轨迹逐层、逐行铺覆到预制坯上，金属丝熔覆的方法是熔化极惰性气体保护焊或者是熔化极惰性气体保护焊中的冷金属过渡焊接技术中的任一种；2），熔化极惰性气体保护焊的焊枪或冷金属过渡焊接技术的焊枪成阵列排布，有m行，n列，既m×n个焊枪；3），与阵列式焊枪相对应，锻造头是长方体形厚板，在长方体形的上下表面上加工出阵列式的通孔，每个通孔中可放置熔化极惰性气体保护焊的焊枪或冷金属过渡焊接技术的焊枪的任一种，通孔与焊枪之间保持间隙，间隙尺寸为0.5mm～1mm，使金属丝熔覆后铺覆到阵列式焊枪和长方体形厚板锻造头下面的预制坯上，采用长方体形锻造头对每个焊枪熔覆的金属立刻进行锻造加工；第三步，完成了一层或多层金属的熔覆与热机械加工复合加工处理后，将预制坯从左侧移动到右侧，采用数控加工机床上的数控加工头对铺覆的金属进行数控加工至要求的外形和内部空腔的形状；第四步，重复前述步骤，逐层成形和加工出最终形状的钛合金空心叶片。
本发明的技术方案对原材料的要求和限制低，材料利用率高，成形效率高、设备成本低，制备的零件组织和性能均匀，热应力小，净成形、表面经过了强化处理等优点。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种钛合金空心叶片增材制造装置，包括手套箱，其特征在于：手套箱内设置有金属熔履与热机械加工复合加工装置和数控加工装置。
2.如权利要求1所述的一种钛合金空心叶片增材制造装置，其特征在于：金属熔履与热机械加工复合加工装置包括金属丝盘，金属丝盘的下面设置有送丝机构，送丝机构的下面设置有金属丝熔履焊枪，金属丝熔履焊枪的底部外周设置有环形锻造头，金属丝熔履焊枪的底部设置有预制坯。
3.如权利要求2所述的一种钛合金空心叶片增材制造装置，其特征在于：金属丝熔履焊枪的底部外周设置有带阵列式通孔的锻造头。
4.如权利要求1所述的一种钛合金空心叶片增材制造装置，其特征在于：数控加工装置包括数控加工机床，数控加工机床上设置有数控加工头。
5.如权利要求1所述的一种钛合金空心叶片增材制造装置，其特征在于：金属熔履与热机械加工复合加工装置与数控加工装置之间设置有滑动板。
6.一种钛合金空心叶片增材制造方法，其特征在于：包括如下步骤，第一步，对手套箱内通入高纯氩气并进行气体置换；第二步，对金属丝进行熔覆与热机械加工复合加工处理；第三步，完成了一层或多层金属的熔覆与热机械加工复合加工处理后，将预制坯从左侧移动到右侧，采用数控加工机床上的数控加工头对铺覆的金属进行数控加工至要求的外形和内部空腔的形状；第四步，重复前述步骤，逐层成形和加工出最终形状的钛合金空心叶片。
7.如权利要求6所述的一种钛合金空心叶片增材制造方法，其特征在于：对金属进行熔覆与热机械加工复合加工处理的过程为，1），开启送丝机构，将金属丝盘上的丝材送至金属丝熔覆焊枪，通过与预制坯接触起弧，将金属丝熔覆，并按照设定轨迹逐层、逐行铺覆到预制坯上；2），采用环形锻造头对刚刚铺覆的金属进行热机械加工。
8.如权利要求6所述的一种钛合金空心叶片增材制造方法，其特征在于：对金属进行熔覆与热机械加工复合加工处理的过程为，1），将金属丝盘上的丝材通过送丝机构送至金属丝熔覆焊枪，将金属丝熔覆，并按照设定轨迹逐层、逐行铺覆到预制坯上，金属丝熔覆的方法是熔化极惰性气体保护焊或者是熔化极惰性气体保护焊中的冷金属过渡焊接技术中的任一种；2），熔化极惰性气体保护焊的焊枪或冷金属过渡焊接技术的焊枪成阵列排布，有m行，n列，既m×n个焊枪；3），与阵列式焊枪相对应，锻造头是长方体形厚板，在长方体形的上下表面上加工出阵列式的通孔，每个通孔中可放置熔化极惰性气体保护焊的焊枪或冷金属过渡焊接技术的焊枪的任一种，通孔与焊枪之间保持间隙，间隙尺寸为0.5mm～1mm，使金属丝熔覆后铺覆到阵列式焊枪和长方体形厚板锻造头下面的预制坯上，采用长方体形锻造头对每个焊枪熔覆的金属立刻进行锻造加工。
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