CN109386399A - 一种带迂回内流道结构及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种带迂回内流道结构及其制造方法，带迂回内流道结构包括基体和法兰，法兰与基体为一体成型结构，基体内部设有迂回内流道，法兰上设有入口通道和出口通道，用于与迂回内流道的入口和出口相通，将迂回内流道的入口和出口引导到法兰另一侧。带迂回内流道结构的制造方法，采用“内置泄粉孔的圆角实体支撑”与带迂回内流道结构整体制造，不仅有效缓和了产品与基板的应力集中，同时也能保证粉末在成形结束后即可清理，解决了后续热处理过程中流道内残余粉板结的问题。

Description

一种带迂回内流道结构及其制造方法
技术领域
本发明属于激光增材制造技术领域，涉及一种带迂回内流道结构的整体制造方法。
背景技术
航空、航天、模具等工业领域中存在大量含内流道结构的产品以实现冷却、降温等效果，如航天发动机推力室再生冷却流道、注塑模具冷却通道等。
目前上述结构大多采用分体加工-组装-焊接的制造方法，流道的构型设计及产品效能受到很大限制，如：(1)流道构型设计受限，由于传统的分体加工-组装-焊接制造方法，目前内流道构型一般仅为单向直流道，无法根据产品实际工作状况实现内流道构型的最优设计，内流道的冷却效果无法发挥到极致；(2)为了方便后续的组装-焊接，目前的内流道截面多为矩形，冷却液与内流道表面的接触面积无法保证最大，流道内部的拐角不仅会成为应力集中的薄弱点，同时对于冷却液的流阻也存在一定的压降损失；(3)上述组装-焊接的内流道存在焊缝，影响内流道的广顺性。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，将提供一种带迂回内流道结构的整体制造方法，实现带复杂内流道构件的快速、整体化制造。
本发明的技术解决方案是：一种带迂回内流道结构，包括基体和法兰，法兰与基体为一体成型结构，基体内部设有迂回内流道，法兰上设有入口通道和出口通道，用于与迂回内流道的入口和出口相通，将迂回内流道的入口和出口引导到法兰另一侧。
所述迂回内流道的截面为圆形或者菱形。
当迂回内流道的截面为圆形时，截面的直径为2～6mm。
所述迂回内流道的流道构型为直流道或螺旋流道。
所述基体和法兰选用材料为GH4169或TC4。
本发明的另一个技术解决方案是：一种带迂回内流道结构的制备方法，其该方法包括如下步骤：
(1)、将带迂回内流道的结构三维模型导入到激光选区熔化成形模型处理软件，调整姿态和位置，使得迂回内流道免支撑；
(2)、将法兰向下延伸预设长度，在延伸长度后的法兰下方增加辅助支撑结构模型，为调整好姿态和位置的带迂回内流道的结构三维模型提供支撑，
(3)、在辅助支撑结构模型上设计两个泄粉孔，一个泄粉孔与法兰上的入口通道连通；另一个泄粉孔与法兰上的出口通道连通；
(4)、将辅助支撑结构模型与带迂回内流道的结构三维模型拼接，共同构成激光选区熔化成形模型；
(5)、采用激光选区熔化成形方法，对激光选区熔化成形模型进行成形处理，得到由外部辅助结构支撑的带迂回内流道的结构；
(6)、通过从泄粉孔往迂回内流道吹气的方法，清理流道内的残余粉末；
(7)、去除辅助支撑结构，实现带迂回内流道结构的整体制造。
所述步骤(6)之前通过机械振动将迂回内流道堆积的残余粉末打散。
所述辅助支撑结构模型为圆角支撑结构，圆角半径为1.5-2.5mm。
当基体和法兰选用材料为GH4169时，激光选区熔化成形的工艺参数为：激光功率为300～380W，扫描速度600～1000mm/s扫描间距为0.08～0.12mm，分层厚度为20～60μm。
当基体和法兰选用材料为TC4时，激光选区熔化成形的工艺参数为：激光功率为260～320W，扫描速度800～1200mm/s扫描间距为0.10～0.14mm，分层厚度为20～60μm。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
(1)、本发明通过采用激光选区熔化成形技术，实现了带迂回内流道结构的整体制造，相比现有内流道结构，不仅进一步提高了内流道的冷却效果，同时也简化了生产制造流程；
(2)、本发明提供的一种带迂回内流道结构，相比现有内流道结构，内流道构型可以为直流道或螺旋流道，甚至可以实现任意空间分布的随形设计；
(3)、本发明提供的一种带迂回内流道结构，通过优化设计迂回内流道的截面形状与尺寸，相比现有内流道结构，增大了冷却液与内流道表面的接触面积，提高了内流道的冷却效果，同时实现了内流道的自支撑设计，解决内部支撑无法去除的难题；
(4)、本发明提供的一种带迂回内流道结构的制造方法，通过内置泄粉孔，实现了迂回内流道粉末的有效清除，解决了目前迂回内流道内部粉末难以清除、后续热处理过程中容易板结的问题；
(5)、本发明辅助支撑结构采用“内置泄粉孔的圆角实体支撑”，有效缓和了产品与基板接触部位的应力集中，保证了产品成形质量；
(6)、本发明提供的一种带迂回内流道结构的制造方法，在产品进行后续热处理、线切割前，采用“机械振动+气流清洗”的方法，在振动/气耦合作用下，实现流道内部粉末的清除。
附图说明
图1为本发明实施例带迂回内流道结构示意图；
图2为本发明实施例带泄粉孔的圆角实体支撑示意图；
图中标号说明：
1—迂回内流道；2—法兰；3—泄粉孔；4—圆角型应力缓冲区；5—基板。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明进行说明。
如图1所示，本发明提供了一种带迂回内流道结构，该结构包括基体和法兰，法兰与基体为一体成型结构，基体内部设有迂回内流道，法兰上设有入口通道和出口通道，用于与迂回内流道的入口和出口相通，将迂回内流道的入口和出口引导到法兰另一侧。
为了使流道发挥出最大冷却效能，所述迂回内流道的截面为圆形或者菱形。
当迂回内流道的截面为圆形时，截面的直径为2～6mm。
当迂回内流道的截面为菱形时，两个相对的锐角与重力方向一致。
通过上述迂回内流道截面形状和截面尺寸的优化设计，避免流道内表面添加辅助支撑，解决内部支撑无法去除的难题，保证内部流道的表面质量。
所述迂回内流道的流道构型为直流道或螺旋流道。
所述基体和法兰选用材料为GH4169或TC4。
针对上述带迂回内流道结构，本发明还提供了上述带迂回内流道结构的制备方法，该方法提出采用“内置泄粉孔的圆角实体支撑”与带迂回内流道结构整体制造，不仅有效缓和了传统方法中带迂回内流道结构与基板(5)的应力集中的问题，同时也能保证粉末在成形结束后即可清理，解决了后续热处理过程中流道内残余粉板结的问题。
激光选区熔化成形(Selective Laser Melting，简称SLM)技术属于增材制造领域，采用高能激光熔化处于松散状态的粉末薄层，通过逐层铺粉、逐层熔凝堆积的方式，成形出具有一定致密度的复杂三维零件。
如图2所示，本发明通过对带迂回内流道结构的激光选区熔化成形进行工艺摸索，形成了一种带迂回内流道结构的制备方法，步骤如下：
(1)、将带迂回内流道的结构三维模型导入到激光选区熔化成形模型处理软件，调整姿态和位置，使得迂回内流道免支撑；
将带迂回内流道结构的产品实体模型三角面片化，设置弦高0.02～0.05mm，形成.STL格式文件。
(2)、将法兰向下延伸预设长度，在延伸长度后的法兰下方增加辅助支撑结构模型，为调整好姿态和位置的带迂回内流道的结构三维模型提供支撑。
如图2所示，实施例采用了“内置泄粉孔的圆角实体支撑”，在产品底部法兰与基板结合部位添加了带圆角的实体支撑缓解应力集中，实体支撑内部设计了泄粉孔，泄粉孔一端与产品进/出口相连，另一端开敞，可保证产品成形结束后、热处理前，迂回流道内具有良好流动性的残余粉末从泄粉孔清出，解决含内流道结构的产品残余粉末堵塞流道的问题。本实施例中，所述辅助支撑结构模型设有圆角支撑结构，圆角支撑结构在法兰和辅助支撑结构模型之间形成圆角型应力缓冲区4，圆角半径为1.5-2.5mm。泄粉孔直径与内流道的直径相同，也为2-6mm。
(3)、在辅助支撑结构模型上设计两个泄粉孔，一个泄粉孔与法兰上的入口通道连通；另一个泄粉孔与法兰上的出口通道连通；
(4)、将辅助支撑结构模型与带迂回内流道的结构三维模型拼接，共同构成激光选区熔化成形模型；
(5)、采用激光选区熔化成形方法，对激光选区熔化成形模型进行成形处理，得到由外部辅助结构支撑的带迂回内流道的结构；
(6)、通过从泄粉孔往迂回内流道吹气的方法，清理流道内的残余粉末，保证流道的通畅性。
(7)、通过线切割的方式去除辅助支撑结构，实现带迂回内流道结构的整体制造。
为了使迂回内流道内的残留粉末被彻底清除，所述步骤(6)之前通过机械振动将迂回内流道堆积的残余粉末打散。
当基体和法兰选用材料为GH4169时，激光选区熔化成形的工艺参数为：激光功率为300～380W，扫描速度600～1000mm/s扫描间距为0.08～0.12mm，分层厚度为20～60μm。
当基体和法兰选用材料为TC4时，激光选区熔化成形的工艺参数为：激光功率为260～320W，扫描速度800～1200mm/s扫描间距为0.10～0.14mm，分层厚度为20～60μm。
采用优化的工艺参数对粉床进行扫描，具体工艺参数见表1。
表1成形工艺参数
材料牌号 激光功率(W) 扫描速度(mm/s) 扫描间距(mm) 分层厚度(μm)
GH4169 300-380 600-1000 0.08-0.12 20-60
TC4 260-320 800-1200 0.10-0.14 20-60
本说明书中未进行详细描述部分属于本领域技术人员公知常识。

Claims (10)

1.一种带迂回内流道结构，其特征在于包括基体和法兰，法兰与基体为一体成型结构，基体内部设有迂回内流道，法兰上设有入口通道和出口通道，用于与迂回内流道的入口和出口相通，将迂回内流道的入口和出口引导到法兰另一侧。
2.根据权利要求1所述的一种带迂回内流道结构，其特征在于所述迂回内流道的截面为圆形或者菱形。
3.根据权利要求1所述的一种带迂回内流道结构，其特征在于当迂回内流道的截面为圆形时，截面的直径为2～6mm。
4.根据权利要求1所述的一种带迂回内流道结构，其特征在于所述迂回内流道的流道构型为直流道或螺旋流道。
5.根据权利要求1所述的一种带迂回内流道结构的制备方法，其特征在于所述基体和法兰选用材料为GH4169或TC4。
6.根据权利要求1～5任一项所述的一种带迂回内流道结构的制备方法，其特征在于包括如下步骤：
(1)、将带迂回内流道的结构三维模型导入到激光选区熔化成形模型处理软件，调整姿态和位置，使得迂回内流道免支撑；
(2)、将法兰向下延伸预设长度，在延伸长度后的法兰下方增加辅助支撑结构模型，为调整好姿态和位置的带迂回内流道的结构三维模型提供支撑，
(3)、在辅助支撑结构模型上设计两个泄粉孔，一个泄粉孔与法兰上的入口通道连通；另一个泄粉孔与法兰上的出口通道连通；
(4)、将辅助支撑结构模型与带迂回内流道的结构三维模型拼接，共同构成激光选区熔化成形模型；
(5)、采用激光选区熔化成形方法，对激光选区熔化成形模型进行成形处理，得到由外部辅助结构支撑的带迂回内流道的结构；
(6)、通过从泄粉孔往迂回内流道吹气的方法，清理流道内的残余粉末；
(7)、去除辅助支撑结构，实现带迂回内流道结构的整体制造。
7.根据权利要求6所述的一种带迂回内流道结构的制备方法，其特征在于所述步骤(6)之前通过机械振动将迂回内流道堆积的残余粉末打散。
8.根据权利要求6所述的一种带迂回内流道结构的制备方法，其特征在于所述辅助支撑结构模型为圆角支撑结构，圆角半径为1.5-2.5mm。
9.根据权利要求6所述的一种带迂回内流道结构的制备方法，其特征在于当基体和法兰选用材料为GH4169时，激光选区熔化成形的工艺参数为：激光功率为300～380W，扫描速度600～1000mm/s扫描间距为0.08～0.12mm，分层厚度为20～60μm。
10.根据权利要求6所述的一种带迂回内流道结构的制备方法，其特征在于当基体和法兰选用材料为TC4时，激光选区熔化成形的工艺参数为：激光功率为260～320W，扫描速度800～1200mm/s扫描间距为0.10～0.14mm，分层厚度为20～60μm。
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