CN109500545A - 薄壁金属回转体电子束熔丝增材制坯+旋压强化成形方法 - Google Patents

薄壁金属回转体电子束熔丝增材制坯+旋压强化成形方法 Download PDF

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兰博
张学军
袁鸿
林莺莺
陈由红
方爽
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Abstract

本发明是一种薄壁金属回转体电子束熔丝增材制坯+旋压强化成形方法，该方法将旋压成形技术与电子束熔丝增材制造技术结合，利用旋轮对电子束熔丝增材制造毛坯进行旋压产生大变形的优点，实现改善增材制造金属微观组织和提高零件力学性能的目的。本发明制备的薄壁金属回转壳体组织为细小均匀的变形组织，消除了电子束熔丝增材制造零件的组织粗大、气孔及未熔合等缺陷。同时，该方法大幅减少薄壁金属回转壳体的成形工序、降低成本和提高生产效率，而且还能够有效改善增材制造零件的尺寸精度、表面粗糙度及残余应力分布，最终实现构件几何形状、组织与综合性能的同步优化，提高电子束增材制造零件使用过程中性能的稳定性和可靠性。

Description

薄壁金属回转体电子束熔丝增材制坯+旋压强化成形方法
技术领域
本发明是一种薄壁金属回转体电子束熔丝增材制坯+旋压强化成形方法，属于增材制造技术领域。
背景技术
目前，国内的航空发动机金属薄壁环件、筒体等构件多采用将板料裁剪下料后卷圆并拼焊，得到圆筒形旋压毛坯，然后再对毛坯进行旋压强化成形。由于旋压毛坯存在焊缝，旋压过程中坯料变形不均匀且容易破裂，产品合格率低。另零件成形后焊缝区域的性能不及母材，导致零件综合性能下降。或者采用挤压成形的无缝金属管坯作为旋压毛坯进行旋压成形，但针对难变形合金采用该方法制备的旋压毛坯质量一致性差、合格率低，而且加工周期漫长，导致零件成本居高不下。
电子束熔丝增材制造技术是在真空环境中利用电子束熔化送进的金属丝材直接制造金属零件或近净成形毛坯的新型增材制造技术，具有生产柔性好、成型效率高、生产成本低等优点，在航空航天等领域具有广泛的应用前景。电子束熔丝增材制造技术可以为旋压提供低成本的旋压毛坯，而且其工艺流程简单，经济效益显著。但其多重复杂热循环作用下的材料逐点堆积成形工艺过程中，缺陷的产生是不可避免的。零件内部微观组织和残余应力的控制以及成形件尺寸精度等问题是其面临的巨大挑战，这也制约了电子束熔丝增材制造技术在各领域的广泛应用。
发明内容
本发明正是针对上述现有的技术状况而设计提供了一种薄壁金属回转体电子束熔丝增材制坯+旋压强化成形方法，该方法采用电子束熔丝增材制造方法预成型毛坯，然后对其进行旋压强化成型，其目的是综合电子束熔丝增材制造和塑性成形各自具有的独特优势，即成形效率高、材料利用率高、变形抗力小、可一次大变形量加工成型形状复杂和质量要求较高的薄壁金属回转体的优点，通过大塑性变形破碎和细化原合金铸态组织，消除电子束熔丝沉积零件残存的气孔、未熔合等缺陷，显著改善零件的组织性能和成形质量，实现对薄壁金属回转体成型的一体化控制。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
该种薄壁金属回转体电子束熔丝增材制坯+旋压强化成形方法，其特征在于：该成形方法的步骤如下：
步骤一、根据薄壁金属回转体形状设计并生成预制坯的三维模型，采用的丝材2在沉积基板4上进行电子束熔丝增材制备毛坯3，沉积基板4材料与丝材2为同种合金；
步骤二、成形结束后，将毛坯3与沉积基板4切割分离；
步骤三、采用旋压工艺利用旋轮6对毛坯3进行旋压强化成形，旋压设备的芯轴5绕自身轴线旋转，旋轮6绕自身轴线旋转的同时作直线进给运动，旋轮6直线进给运动方向与毛坯3变形方向相反，毛坯3的变形量为10％～100％。
所述薄壁金属回转体的壁厚≤20mm。
本发明技术方案通过将电子束熔丝增材制造与旋压这两种成形技术结合在一起，沉积的毛坯3在旋轮6轧压作用下产生塑性变形，铸态组织得到显著细化，同时在压应力作用下可有效消除电子束增材制造毛坯存在的气孔、未熔合等内部缺陷，大幅提升增材制造薄壁金属回转壳体的疲劳寿命和可靠性，进一步扩大电子束熔丝增材制造机匣、筒体等薄壁回转壳体构件的应用范围。
本发明方法可简化成型工艺流程，大幅提高生产效率和材料利用率、降低制备成本，具有显著的经济效益。
附图说明
图1为本发明方法中的电子束熔丝增材制造旋压毛坯过程示意图
图2为本发明方法中的旋压设备结构示意图
图3为实施本发明方法后获得的GH4169合金旋压工件
图4为实施本发明方法后获得的GH4169合金薄壁回转壳体零件微观组织形貌
图中：1电子束枪；2丝材；3旋压毛坯；4沉积基板。图中：5芯轴；6旋轮。
具体实施方式
以下将结合附图和实施例对本发明技术方案作进一步地详述：
参见附图1～2所示，采用本发明方法制备GH4169合金薄壁回转体零件的步骤如下：
步骤一、根据薄壁金属回转体形状设计并生成预制坯的三维模型，以电子束熔丝增材制造方法，采用的丝材2在沉积基板4上，用电子束枪1制备毛坯3，沉积基板4材料与丝材2为同种合金；
步骤二、成形结束后，将毛坯3与沉积基板4切割分离；
步骤三、采用旋压工艺利用旋轮6对毛坯3进行旋压强化成形，旋压设备的芯轴5绕自身轴线旋转，旋轮6绕自身轴线旋转的同时作直线进给运动，旋轮6直线进给运动方向与毛坯3变形方向相反，毛坯3的变形量为10％～100％。
所述薄壁金属回转体的壁厚≤20mm。
图3为本实施例获得的GH4169合金旋压工件的照片，图4为本实施例获得的GH4169合金薄壁回转体零件微观组织形貌
从图中可以看出，由于旋压过程中材料经历剧烈变形，且变形较为均匀，可以消除电子束熔丝后的零件组织粗大、气孔及未熔合等缺陷，获得的零件组织致密，流线清晰。同时，零件经剧烈变形后可获得均匀细小的变形组织，实现锻件几何形状、组织与综合性能的同步优化，能够大幅提高零件性能的稳定性和可靠性。
本发明方法可以在现有设备条件下就可以完成，而且还能够有效改善电子束增材制造零件的尺寸精度、表面粗糙度及组织性能，最终实现对产品的形性一体化控制。

Claims (2)

1.一种薄壁金属回转体电子束熔丝增材制坯+旋压强化成形方法，其特征在于：该成形方法的步骤如下：
步骤一、根据薄壁金属回转体形状设计并生成预制坯的三维模型，采用的丝材在沉积基板(4)上进行电子束熔丝增材制备毛坯(3)，沉积基板(4)材料与丝材(2)为同种合金；
步骤二、成形结束后，将毛坯(3)与沉积基板(4)切割分离；
步骤三、采用旋压工艺利用旋轮(6)对毛坯(3)进行旋压强化成形，旋压设备的芯轴(5)绕自身轴线旋转，旋轮(6)绕自身轴线旋转的同时作直线进给运动，旋轮(6)直线进给运动方向与毛坯(3)变形方向相反，毛坯(3)的变形量为10％～100％。
2.根据权利要求1所述的薄壁金属回转体电子束熔丝增材制坯+旋压强化成形方法，其特征在于：所述薄壁金属回转体的壁厚≤20mm。
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