CN109262207A - 一种gh99合金带加强筋盖板的成形方法 - Google Patents

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Abstract

一种GH99合金带加强筋盖板的成形方法，属于增材制造领域。本发明方法的步骤为：先采用电弧增材制造技术完成除加强筋之外的实体部分的打印；其次，完成待增材加强筋部位的机械加工；最后，利用激光直接沉积技术完成加强筋的成形。本发明方法所提出的复合成形方法充分利用了电弧增材制造技术的高效率低成本和激光直接沉积技术高精度的特点，快速近净成形GH99合金带加强筋盖板，结构件的内部质量满足使用技术指标要求，力学性能达到甚至超过同成分铸件水平，同时大大缩短了生产制造周期，降低了综合制造成本。

Description

一种GH99合金带加强筋盖板的成形方法
技术领域
本发明涉及一种GH99合金带加强筋盖板的成形方法，属于增材制造领域。
背景技术
随着新一代武器装备的发展，高性能材料被广泛采用，研制装备周期显著缩短，研制成本需要严格控制，无疑对制造技术手段提出了更高的要求和挑战。
如某武器装备中的GH99合金带加强筋盖板，采用高温模锻的方式成形温度需要达到1000℃左右，存在模具和工作台面的变形、快速磨损及氧化腐蚀等问题；若采用板材机加的方式，对于GH99合金这种具备高力学性能的昂贵金属材料，刀具损耗严重，机加难度大、周期长，且材料利用率低，大大增加了制造成本。传统制造技术难以高效低成本地完成该类结构件的制造。
增材制造技术基于离散－堆积原理，通过既定热源对金属材料的逐层熔化，沉积生长，直接由三维模型近净成形高性能结构件，是未来结构件先进制造发展的重要方向。其中，电弧增材制造技术具有设备成本低且运行稳定、沉积效率高等特点，有着高效低成本的优势；激光直接沉积技术具有成形精度高、灵活性强等特点。采用电弧增材成形主体结构、激光直接沉积成形精细结构的复合制造思路比较适合于异型高性能金属构件的成形。
现有技术存在铸造容易产生缩松、夹杂等缺陷；模锻需要大吨位压机，且高温使得模具和工作台等部件寿命极具缩短，单件的制造成本大幅提升；对于GH99合金这种具备高力学性能的昂贵金属材料，刀具损耗严重，机加难度大、周期长，且材料利用率低，大大增加了制造成本。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种GH99合金带加强筋盖板的成形方法，解决了高性能金属材料的加工制造难题。
本发明的技术解决方案是：一种GH99合金带加强筋盖板的成形方法，包括如下步骤：
S1，将经过酸洗的低碳钢基板打磨平整并用丙酮擦拭干净后固定在工作台上，保证其水平，进入S2；
S2，在基板上选取增材主体部分进行GH99合金带加强筋盖板主体部分的电弧增材制造，进入S3；
S3，对GH99合金带加强筋盖板主体部分的外表面进行铣削加工，进入S4；
S4，将GH99合金带加强筋盖板主体部分水平放置，对完成铣削加工的GH99合金带加强筋盖板主体部分的加强筋部位进行激光直接沉积操作，完成GH99合金带加强筋盖板的成形。
进一步地，所述S2中在基板上选取增材主体部分的方法为：模拟计算在基板上不同位置进行盖板主体部分增材时基板的翘曲变形，选取翘曲变形最小的区域作为增材主体部分。
进一步地，所述模拟计算在基板上不同位置进行盖板主体部分增材时基板的翘曲变形的方法为：选取基板上的若干点，计算各个点处的翘曲变形，求取各个点处的翘曲变形的平均值作为该区域的翘曲变形。
进一步地，所述S3中铣削加工后的盖板主体部分的表面粗糙度小于激光直接沉积操作过程中使用粉末的平均粒度。
进一步地，所述S2中电弧增材操作采用桶装焊丝，并在焊接过程中通入保护气源。
进一步地，所述保护气源的体积比为Ar：He：CO2＝(85％～95％)：(3％～10％)：(2％～7％)的混合气体。
优选地，所述体积比为Ar：He：CO2＝90％：8％：2％。
进一步地，所述S4中激光直接沉积操作中，随着激光直接沉积加强筋高度的增加，逐渐减小粉末粒度和激光功率，逐渐增大扫描速度和送粉速率。
进一步地，所述S4中激光直接沉积操作中，粉末粒度为100～200μm，激光功率为1200W～2400W，扫描速度为5～7mm/s，送粉速率为4～6g/min。
进一步地，所述盖板主体部分为壁厚均一的1/3空心柱体，内径为300mm，壁厚为10mm，高度为875mm，加强筋部位的宽度为10mm，高度为20mm。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)通过电弧增材与激光直接沉积复合制造的方法，解决了单纯电弧增材加强筋等精细部位制造精度低和单纯激光直接沉积技术全部构件效率低的问题，取得了整体加工效率高、局部精细结构达标、综合制造成本最小化的效果。
(2)通过数值模拟不同位置增材主体部分时基板翘曲变形情况，得到主体部位最佳增材位置，取得了基板与主体部分连接部位变形开裂倾向最小化的效果。
(3)通过参数渐变的方法，取得了电弧增材与激光直接沉积界面处组织与性能高度匹配的效果。
附图说明
图1为本发明方法流程框图；
图2为本发明所述GH99合金带加强筋盖板三维模型图。
具体实施方式
一种GH99合金带加强筋盖板的成形方法，所述的方法采用GH99合金丝材和粉末为原材料，以电弧热为热源将丝材熔化，通过机械臂规划的路径在低碳钢基板上一次性完成主体部分的成形；对待增材加强筋部位进行机械加工以满足后续激光直接沉积的表面精度要求；利用变参数的方法在电弧增材制造基体上完成加强筋的激光直接沉积制造。
所述的电弧增材制造方法，采用焊机提供热源配合六轴机械臂规划路径。
所述的激光直接沉积成形中，采用激光器提供热源、机械臂作为运动执行机构。
一种GH99合金带加强筋盖板的成形方法，如图1所示，其主要步骤如下：
(1)将经过酸洗的低碳钢基板打磨平整并用丙酮擦拭干净后固定在工作台上，保证其水平；
(2)在基板上选取合适位置利用电弧增材制造技术进行主体部分的堆积，增材位置的选取原则为：通过数值模拟计算不同位置增材基板的翘曲变形趋势，要求基板的翘曲变形尽可能小，以防止应力过大导致增材部分与基板之间发生开裂；
(3)完成主体部位电弧增材后，进行待增材加强筋部位的铣削加工，要求铣削后的表面粗糙度小于使用粉末的平均粒度；
(4)将主体部分夹持在变位机上，保证待增材加强筋部位的水平状态，利用激光直接沉积技术完成加强筋部位的成形。
下面通过实例对本发明的具体方法进行阐述：
实例：电弧增材制造+激光直接沉积成形GH99合金带加强筋盖板。
具体实施方法为：要求制造的GH99合金结构件，如图2，主体部分为壁厚均一的1/3空心柱体，内径300mm，壁厚10mm，高度为875mm，内部加强筋的宽度为10mm，高度20mm，综合采用制造可行性、研制生产周期、综合制造成本等因素，最终选择电弧增材制造技术成形主体部分、激光直接沉积技术成形内部加强筋的复合制造方案。
采用的原材料为ф1.6mm GH99合金焊丝；先通过试验摸索得到一组合适的成形工艺参数：焊接电流200A、送丝速度10m/min、焊接速度6mm/s；此组工艺参数下，单道焊缝宽度14mm，高度1.5mm；将经过酸洗的基板打磨平整并用无水乙醇或丙酮擦拭干净后固定在工作平台上，保证其水平；在基板上选取合适位置进行主体部分的制造，采用上述工艺参数；完成主体部分制造后，通过划线确定待增材加强筋部位并进行机械加工；利用激光直接沉积技术采用变参数的工艺方法进行加强筋的成形，随着激光直接沉积加强筋高度的增加，在5mm沉积高度内，粉末粒度由200μm逐渐减小至100μm，激光功率由2400W逐渐减小1200W，扫描速度(5-7)mm/s，送粉速率(4-6)g/min。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (10)

1.一种GH99合金带加强筋盖板的成形方法，其特征在于：包括如下步骤：
S1，将经过酸洗的低碳钢基板打磨平整并用丙酮擦拭干净后固定在工作台上，保证其水平，进入S2；
S2，在基板上选取增材主体部分进行GH99合金带加强筋盖板主体部分的电弧增材制造，进入S3；
S3，对GH99合金带加强筋盖板主体部分的外表面进行铣削加工，进入S4；
S4，将GH99合金带加强筋盖板主体部分水平放置，对完成铣削加工的GH99合金带加强筋盖板主体部分的加强筋部位进行激光直接沉积操作，完成GH99合金带加强筋盖板的成形。
2.根据权利要求1所述的一种GH99合金带加强筋盖板的成形方法，其特征在于：所述S2中在基板上选取增材主体部分的方法为：模拟计算在基板上不同位置进行盖板主体部分增材时基板的翘曲变形，选取翘曲变形最小的区域作为增材主体部分。
3.根据权利要求2所述的一种GH99合金带加强筋盖板的成形方法，其特征在于：所述模拟计算在基板上不同位置进行盖板主体部分增材时基板的翘曲变形的方法为：选取基板上的若干点，计算各个点处的翘曲变形，求取各个点处的翘曲变形的平均值作为该区域的翘曲变形。
4.根据权利要求1所述的一种GH99合金带加强筋盖板的成形方法，其特征在于：所述S3中铣削加工后的盖板主体部分的表面粗糙度小于激光直接沉积操作过程中使用粉末的平均粒度。
5.根据权利要求1～4任一项所述的一种GH99合金带加强筋盖板的成形方法，其特征在于：所述S2中电弧增材操作采用桶装焊丝，并在焊接过程中通入保护气源。
6.根据权利要求5所述的一种GH99合金带加强筋盖板的成形方法，其特征在于：所述保护气源的体积比为Ar：He：CO2＝(85％～95％)：(3％～10％)：(2％～7％)的混合气体。
7.根据权利要求6所述的一种GH99合金带加强筋盖板的成形方法，其特征在于：所述体积比为Ar：He：CO2＝90％：8％：2％。
8.根据权利要求1～4任一项所述的一种GH99合金带加强筋盖板的成形方法，其特征在于：所述S4中激光直接沉积操作中，随着激光直接沉积加强筋高度的增加，逐渐减小粉末粒度和激光功率，逐渐增大扫描速度和送粉速率。
9.根据权利要求8所述的一种GH99合金带加强筋盖板的成形方法，其特征在于：所述S4中激光直接沉积操作中，粉末粒度为100～200μm，激光功率为1200W～2400W，扫描速度为5～7mm/s，送粉速率为4～6g/min。
10.根据权利要求1～4任一项所述的一种GH99合金带加强筋盖板的成形方法，其特征在于：所述盖板主体部分为壁厚均一的1/3空心柱体，内径为300mm，壁厚为10mm，高度为875mm，加强筋部位的宽度为10mm，高度为20mm。
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