CN110153425B - 一种小间隙闭式铝合金叶轮激光选区熔化成形方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种小间隙闭式铝合金叶轮激光选区熔化成形方法，属于金属增材制造技术领域，小间隙是指叶轮中前盖板和后盖板的出口间隙不大于3mm。采用工艺预补偿和添加便于去除的柱状支撑，保证内流道尺寸精度、形状精度和表面粗糙度,精度可达±0.1mm，经表面光整后的内流道表面粗糙度可达Ra1.6μm，使小间隙闭式铝合金叶轮整体增材制造成为可能。

Description

一种小间隙闭式铝合金叶轮激光选区熔化成形方法
技术领域
本发明涉及一种小间隙闭式铝合金叶轮激光选区熔化成形方法，属于金属增材制造技术领域，小间隙是指叶轮中前盖板和后盖板的出口间隙不大于3mm。
背景技术
涡轮泵叶轮是泵压式液体火箭发动机的重要部件，在发动机工作过程中保障着燃料和氧化剂的高效、可靠、持续供应。叶轮大多为闭式结构，具有不同数量复杂型面结构的内置叶片，无法使用机械加工方法直接成形，目前主要采用分体加工+钎焊或精密铸造的方式加工成形。在多种型号常规运载发动机中，铝合金叶轮叶片数量多且形状复杂，出口间隙狭小(最小1.6mm)，无法用精密铸造方法成形。目前采用铝合金分体加工前盖板和叶轮后，再钎焊成叶轮组件，加工流程复杂、周期长；同时，钎焊工艺存在钎着率不稳定、钎料漫流、残留钎料腐蚀和拉开强度低等问题，存在一定的质量隐患。上述问题的存在严重制约了常规运载发动机的短周期、高可靠性快速研制生产。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提出一种小间隙闭式铝合金叶轮激光选区熔化成形方法。
本发明的技术解决方案是：
一种小间隙闭式铝合金叶轮激光选区熔化成形方法，小间隙闭式铝合金叶轮包括前盖板、后盖板和叶片，叶片位于前盖板和后盖板之间，前盖板和后盖板的出口间隙不大于3mm；该方法的步骤包括：
(1)建立小间隙闭式铝合金叶轮的三维模型；
(2)将步骤(1)建立的三维模型按照如下三个要求进行摆放：
第一，三维模型的中轴线与水平方向呈45°角放置；
第二，三维模型中的前盖板开口向下；
第三，沿三维模型的中轴线旋转三维模型，调整三维模型中叶片的位置使叶片无支撑自成形结构最大化；
(3)根据步骤(2)确定的三维模型的摆放方案，对与水平方向小于40°且添加支撑后无法去除的部位添加工艺性补偿，对与水平方向小于40°且添加支撑后能够去除的部位添加支撑，保证成形后尺寸精度和形状精度，其中三维模型中的叶轮内部支撑采用便于去除的空心柱状工艺支撑，三维模型中的前盖板下表面和基板之间添加实体支撑；
(4)在惰性气体保护环境中按照步骤(3)得到的添加有工艺性补偿和支撑的三维模型对叶轮进行激光选区熔化成形，得到带有基板和支撑的叶轮；
(5)将步骤(4)得到的带有基板和支撑的叶轮表面的浮粉进行清理，并去除基板和支撑；
(6)对(5)得到的去除了基板和支撑的叶轮进行热处理，热处理完成后进行表面光整，光整完成后得到小间隙闭式铝合金叶轮。
所述的步骤(1)中，使用建模软件UG或Pro/engineer建立小间隙闭式铝合金叶轮的三维模型，并导出STL格式三维模型，导出精度不小于0.008mm；
所述的步骤(2)中，第三个要求：使叶片无支撑自成形结构最大化的方法为：
第一步，将步骤(1)得到的三维模型导入到magics软件中，并按照步骤(2)中的第一个要求和第二个要求摆放好三维模型；
第二步，沿三维模型的中轴线旋转三维模型，每次旋转角度为5°，由于叶轮为中心轴对称结构，总旋转角度不少于90°，选取其中无支撑自成形结构最大化的角度，标记为A角度，A角度的精度为5°；
第三步，在A角度范围内顺时针/逆时针旋转，每次旋转角度1°，选取其中无支撑自成形结构最大化的角度，标记为B角度；B角度的精度为1°；
所述的步骤(3)中，使用建模软件UG或Pro/engineer添加工艺性补偿；
工艺性补偿是指通过预先设置变形量，保证成形后的尺寸精度和形状精度的一种工艺方法，即为小于40°的悬垂面在不添加支撑的情况下激光选区熔化成形过程中会产生熔池塌陷，进而产生变形，通过提前设置预变形量解决这一问题，预设变形补偿量公式为：
Δd＝1.002e0.056Lcosθ+0.0967
其中Δd为预设变形补偿量，L为连续的＜40°的悬垂面的长度，L一般小于20mm，这是因为L＞20mm时，无支撑添加的悬垂面已较难有效成形，θ为悬垂面的角度；
工艺性补偿与三维模型采用圆滑过渡，保证模型连续性；
所述的步骤(4)中，叶轮材料为AlSi10Mg，激光选区熔化成形的参数为：
叶轮和实体支撑的工艺参数包括：激光功率250～280W，点间距70-90μm，曝光时间40-50μs，光斑直径90-110μm，铺粉层厚0.03-0.06mm，相位角67°；
空心柱状支撑的工艺参数包括：激光功率180-220W，点间距60-80μm，曝光时间40-50μs，光斑直径、铺粉层厚和相位角与叶轮和实体支撑的工艺参数相同；
AlSi10Mg铝合金粉末的粒度分布为D10为20～30μm，D50为30～45μm，D90为55～65μm，粉末的松装密度1.35～1.9g/cm；
惰性气体为氩气，成型过程中气氛氧含量要求小于100PPM；
所述的步骤(5)中，去除表面浮粉方法包括气流、超声和酸洗方法，首先采用0.6Mpa～0.8Mpa的压缩空气配合超声振动平台对成形叶轮表面进行吹除，然后采用盐酸浸泡1-2mim，清除镶嵌浮粉；
去除基板采用线切割，线切割为用高速往复走丝电火花线切割，脉冲宽度设定为28～38μs，脉冲间隔为112～170μs，波形为矩形脉冲；
去除支撑后需对支撑平面进行打磨，保证型面光滑；
所述的步骤(6)中，热处理制度为270℃～290℃保温0.5～1h，炉冷；
表面光整包括喷砂和磨料流，喷砂对叶轮整体进行初步光整，磨料流用于叶片及内部通道的光整；喷砂工艺要求包括：材质为刚玉砂，粒度为40目～60目，吹砂时间为2-3min；24h；磨料流工艺要求包括：采用中等硬度磨料粗磨，磨粒目数100目，磨削压力4.5MPa，加工时间30min；采用软性磨料精磨，磨粒目数400目，磨削压力4MPa，加工时间50min。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)采用工艺预补偿和添加便于去除的柱状支撑，保证内流道尺寸精度、形状精度和表面粗糙度,精度可达±0.1mm，经表面光整后的内流道表面粗糙度可达Ra1.6μm，使小间隙闭式铝合金叶轮整体增材制造成为可能；
(2)采用激光选区熔化整体成形AlSi10Mg铝合金叶轮，使得叶轮整体性能提升，可靠性提升。原工艺铝合金基体强度只打到290MPa，而钎焊缝强度只为基材强度的40％，采用增材制造整体成形后强度达到400MPa。然而由于增材制造特点，直接成形AlSi10Mg延伸率仅为5％-7％，不符合技术指标要求。通过热处理制度研究，延伸率达到10％-12％，强度降为350-370MPa，叶轮整体性能提升。
(3)一种小间隙闭式铝合金叶轮激光选区熔化成形方法。其特点在于建立小间隙闭式铝合金叶轮三维模型，并添加工艺性补偿，提高其尺寸精度和形状精度；针对叶轮出口间隙小、内部支撑难以去除、叶轮内部流道粗糙度难以保证的问题，确定成形方向、设置特制的柱状支撑；借助切片软件获得各切片层激光扫描路径数据，并依据扫描路径数据进行激光选区熔化成形；清理成形叶轮表面浮粉；线切割分离基板和叶轮；对叶轮支撑进行去除；对叶轮进行热处理和表面光整。所述方法将航天发动机小间隙闭式铝合金叶轮采用激光选区熔化成形方法整体制备出，提高了叶轮的力学性能和可靠性。本发明呈现以下特点：(1)与传统机械加工后钎焊的工艺相比，无需复杂设计复杂的刀具或夹具，极大缩短生产周期；(2)叶轮出口间隙窄，内部支撑无法去除，通过成形方向优化和工艺性补偿相结合的方式，保证叶轮内部叶片无支撑成形及流道表面质量一致性，易于后续表面光整；(3)采用特殊的中空柱状支撑，便于叶片支撑去除；(4)激光选区熔化成形过程瞬时温度高、冷却速度快的特点导致铝合金的延伸率不符合设计需求，通过热处理制度调控使延伸率达到10％。
附图说明
图1为本发明的多通道阀体结构示意图；
图2为本发明的成形方向示意图；
图3为本发明的工艺性预补偿示意图；
图4为发明的空心柱状支撑示意图；
图5为本发明的方法流程图。
具体实施方式
以下结合具体实施例，对本发明的具体实施方式进行更加详细的说明，以便能够更好地理解本发明的方案以及其优点。然而，以下描述的具体实施方式和实施例仅是说明的目的，而不是对本发明的限制。
本发明实施例提供了一种小间隙闭式铝合金叶轮激光选区熔化成形方法，如图3所示，具体步骤如下：
(1)建立小间隙闭式铝合金叶轮三维模型；
(2)根据叶轮的结构特点，确定成形方向；
(3)对叶轮中添加支撑后无法去除且与水平方向小于40°的部位添加工艺性补偿，确定叶轮最终模型；
(4)对步骤(3)确定的叶轮最终模型添加支撑；
(5)根据AlSi10Mg铝合金材料特点设定激光选区熔化成形工艺参数，对模型进行切片处理，获得成形文件；
(6)在惰性气体保护环境中进行激光选区熔化成形；
(7)成形后清理叶轮表面浮粉，线切割去除基板；
(8)去除叶轮工艺支撑；
(9)对叶轮进行热处理和表面光整。
所述步骤(1)中使用建模软件UG或Pro/engineer建立铝合金叶轮三维模型，并导出STL格式三维模型，导出精度不小于0.008mm；
所述步骤(2)中将步骤(1)获得的STL模型导入magics软件，将铝合金叶轮三维模型的中轴线与水平方向呈45°角放置，同时保证前盖板开口向下；然后沿中轴线旋转铝合金叶轮，每次旋转角度为5°，由于叶轮中心轴对称结构，总旋转角度不少于90°，选取其中无支撑自成形结构最大化的角度；以之为参考，顺时针/逆时针旋转5°，每次旋转角度1°，最终确定最优的摆放方案；
所述步骤(3)中使用建模软件UG或Pro/engineer对步骤(1)和步骤(2确定的添加支撑后无法去除且与水平方向小于40°的部位添加工艺性补偿。所述工艺性补偿是指通过预先设置变形量，保证成形后的尺寸精度和形状精度的一种工艺方法，即为小于40°的悬垂面在不添加支撑的情况下激光选区熔化成形过程中会产生熔池塌陷，进而产生变形，通过提前设置预变形量解决这一问题。通过对实验结果进行拟合分析，预设变形补偿量公式为：
Δd＝1.002e0.056Lcosθ+0.0967
其中Δd为预设变形补偿量，L为连续的＜40°的悬垂面的长度，L一般小于20mm，这是因为L＞20mm时，无支撑添加的悬垂面已校难有效成形，θ为悬垂面的角度；
工艺性补偿与叶轮原模型采用圆滑过渡，保证模型连续性；
所述步骤(4)中采用软件添加空心柱状支撑，柱状支撑顶部和底部采用锥状结构，便于去除；
所述步骤(5)中，根据AlSi10Mg铝合金材料特点，设置切片软件平台中叶轮和实体支撑的工艺参数包括：激光功率250W～280W，点间距70-90μm，曝光时间40μs-50μs，光斑直径90μm-110μm，铺粉层厚0.03-0.06mm，相位角67°；空心柱状支撑的工艺参数包括：激光功率180-220W，点间距60-80μm，曝光时间40-50μs，光斑直径、铺粉层厚和相位角与叶轮和实体支撑的工艺参数相同；AlSi10Mg铝合金粉末的粒度分布为D10为20～30μm，D50为30～45μm，D90为55～65μm，粉末的松装密度1.35～1.9g/cm；
所述步骤(6)中惰性气体为氩气，成型过程中气氛氧含量要求小于100PPM；
所述步骤(6)中去除表面浮粉方法包括气流、超声和酸洗方法，首先采用0.6Mpa～0.8Mpa的压缩空气配合超声振动平台对成形叶轮表面进行吹除，然后采用盐酸浸泡1-2mim，清除镶嵌浮粉；线切割为用高速往复走丝电火花线切割，脉冲宽度设定为28～38μs，脉冲间隔为112～170μs，波形为矩形脉冲；
所述步骤(7)中去除支撑后需对支撑平面进行打磨，保证型面光滑；
所述步骤(8)中热处理制度为270℃～290℃保温0.5～1h，炉冷。表面光整包括喷砂和磨料流。喷砂对叶轮整体进行初步光整，磨料流用于叶片及内部通道的光整；喷砂工艺要求包括：材质为刚玉砂，粒度为40目～60目，吹砂时间为2-3min；24h；磨料流工艺要求包括：采用中等硬度磨料粗磨，磨粒目数100目，磨削压力4.5MPa，加工时间30min；采用软性磨料精磨，磨粒目数400目，磨削压力4MPa，加工时间50min。
实施例
如图5所示，一种小间隙闭式铝合金叶轮激光选区熔化成形方法，步骤包括：
(1)建立的铝合金叶轮三维模型，如图1所示，直径70mm，高46mm，出口尺寸1.6mm；
(2)选择的叶轮成形方向，如图2所示。
(3)添加工艺性预补偿，工艺性预补偿示意图如图3所示。
(4)最终模型的添加支撑，包括叶轮内部的空心柱状支撑和盖板下部实体支撑，空心柱状支撑如图4所示。
(5)调整添加好支撑的模型在成形基板平台上摆放位置，然后选择AlSi10Mg铝合金的参数包进行剖分处理，其中叶轮和实体支撑的工艺参数包括：激光功率260W，点间距80μm，曝光时间45μs，光斑直径100μm，铺粉层厚0.03mm，相位角67°；空心柱状支撑的工艺参数包括：激光功率180W，点间距60μm，曝光时间40μs，光斑直径、铺粉层厚和相位角与叶轮和实体支撑的工艺参数相同。
(6)将剖分文件导入成形设备工控机，然后向设备中通入氩气，待成形舱中氧含量低于100ppm时，开始激光选区熔化成形，持续通入氩气，保证氧含量始终低于100ppm。
(7)成形完成后，待零件冷却3小时以上后开启舱门取出零件；先用压缩空气配合超声振动清楚叶轮内部粉末，然后酸洗去除表面浮粉；线切割去除基板。
(8)采用钳子等工具夹持空心柱状支撑，加力使其剥离，后采用电磨等工具打磨残影空心柱状支撑，采用车加工去除叶轮外部实体支撑。
(9)根据技术要求，对叶轮分别进行退火热处理、吹砂和磨料流处理，退货热处理温度280℃，保温0.7h，炉冷。
(10)将最终的叶轮产品沿后盖板平面进行剖切，采用三维扫描仪对剖切后的叶轮表面进行轮廓扫描，与步骤1中的三维模型进行对比分析，其尺寸精度达到-0.06～+0.08mm；采用比较测量法对叶片的表面粗糙度进行分析，达到Ra1.6μm，满足设计指标需求；采用万能试验机对力学性能进行测量，抗拉强度达到361MPa，延伸率10.4％。
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 (8)

1.一种闭式铝合金叶轮激光选区熔化成形方法，其特征在于该方法的步骤包括：
(1)建立闭式铝合金叶轮的三维模型；
(2)将步骤(1)建立的三维模型按照要求进行摆放：
(3)根据步骤(2)摆放的三维模型，对与水平方向小于40°且添加支撑后无法去除的部位添加工艺性补偿，对与水平方向小于40°且添加支撑后能够去除的部位添加支撑；
(4)在惰性气体环境中按照步骤(3)得到的三维模型进行激光选区熔化成形，得到带有基板和支撑的叶轮；
(5)将步骤(4)得到的带有基板和支撑的叶轮表面的浮粉进行清理，并去除基板和支撑；
(6)对(5)得到的去除了基板和支撑的叶轮进行热处理，热处理完成后进行表面光整，光整完成后得到闭式铝合金叶轮；
所述的步骤(2)中，要求包括：三维模型的中轴线与水平方向呈45°角放置；三维模型中的前盖板开口向下；沿三维模型的中轴线旋转三维模型，调整三维模型中叶片的位置使叶片无支撑自成形结构最大化，使叶片无支撑自成形结构最大化的方法为：
第一步，将三维模型导入到magics软件中，并将三维模型的中轴线与水平方向呈45°角且三维模型中的前盖板开口向下摆放三维模型；
第二步，沿三维模型的中轴线旋转三维模型，每次旋转角度为5°，选取其中无支撑自成形结构最大化的角度，最大化的角度标记为A角度，A角度的精度为5°；
第三步，在A角度范围内顺时针/逆时针旋转，每次旋转角度1°，选取其中无支撑自成形结构最大化的角度，最大化的角度标记为B角度；B角度的精度为1°。
2.根据权利要求1所述的一种闭式铝合金叶轮激光选区熔化成形方法，其特征在于：所述的闭式铝合金叶轮包括前盖板、后盖板和叶片，叶片位于前盖板和后盖板之间，前盖板和后盖板的出口间隙不大于3mm。
3.根据权利要求1所述的一种闭式铝合金叶轮激光选区熔化成形方法，其特征在于：所述的步骤(1)中，使用建模软件UG或Pro/engineer建立闭式铝合金叶轮的三维模型，并导出STL格式三维模型，导出精度不小于0.008mm。
4.根据权利要求1所述的一种闭式铝合金叶轮激光选区熔化成形方法，其特征在于：所述的步骤(3)中，三维模型中的叶轮内部支撑采用便于去除的空心柱状工艺支撑，三维模型中的前盖板下表面和基板之间添加实体支撑。
5.根据权利要求4所述的一种闭式铝合金叶轮激光选区熔化成形方法，其特征在于：使用建模软件UG或Pro/engineer添加工艺性补偿；
工艺性补偿中预设变形补偿量为：
Δd＝1.002e0.056Lcosθ+0.0967
其中，Δd为预设变形补偿量，L为连续的＜40°的悬垂面的长度，L小于20mm，这是因为L＞20mm时，无支撑添加的悬垂面已较难有效成形，θ为悬垂面的角度；
工艺性补偿与三维模型采用圆滑过渡。
6.根据权利要求1所述的一种闭式铝合金叶轮激光选区熔化成形方法，其特征在于：所述的步骤(4)中，激光选区熔化成形的参数为：
叶轮和实体支撑的工艺参数包括：激光功率250～280W，点间距70-90μm，曝光时间40-50μs，光斑直径90-110μm，铺粉层厚0.03-0.06mm，相位角67°；
空心柱状支撑的工艺参数包括：激光功率180-220W，点间距60-80μm，曝光时间40-50μs，光斑直径90-110μm，铺粉层厚0.03-0.06mm，相位角67°。
7.根据权利要求1所述的一种闭式铝合金叶轮激光选区熔化成形方法，其特征在于：所述的步骤(5)中，去除表面浮粉方法包括气流、超声和酸洗方法，首先采用0.6MPa～0.8MPa的压缩空气配合超声振动平台对成形叶轮表面进行吹除，然后采用盐酸浸泡1-2mim，清除镶嵌浮粉；
去除基板采用线切割，线切割为用高速往复走丝电火花线切割，脉冲宽度设定为28～38μs，脉冲间隔为112～170μs，波形为矩形脉冲；
去除支撑后需对支撑平面进行打磨。
8.根据权利要求1所述的一种闭式铝合金叶轮激光选区熔化成形方法，其特征在于：所述的步骤(6)中，热处理制度为270℃～290℃保温0.5～1h，炉冷；
表面光整包括喷砂和磨料流，喷砂对叶轮整体进行初步光整，磨料流用于叶片及内部通道的光整；喷砂工艺要求包括：材质为刚玉砂，粒度为40目～60目，吹砂时间为2-3min；24h；磨料流工艺要求包括：采用中等硬度磨料粗磨，磨粒目数100目，磨削压力4.5MPa，加工时间30min；采用软性磨料精磨，磨粒目数400目，磨削压力4MPa，加工时间50min。
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