CN110202142B - 一种环形阵列叶片导向器的激光选区熔化制造工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明一种环形阵列叶片导向器的激光选区熔化制造工艺，包括以下步骤：S1、模型分段处理：将环形阵列叶片导向器三维模型等分为多段；S2、选用材料及设定工艺参数；S3、确定摆放方式及设计支撑结构；S4、尺寸精度校正；S5、激光选区熔化成形；S6、后处理：将零件连同基板放入真空热处理炉，800C°下保温一小时消除残余应力；随后将零件割下，并去除支撑结构。S7、焊接：将所有分段的零件固定在焊接夹具上，焊接得到整体环形阵列叶片导向器零件，焊接的方式可以采用氩弧焊或激光焊。本发明良好地控制了零件尺寸精度、应力变形、表面粗糙度，并且零件的力学性能优于传统铸件，制造周期短，效率高。

Description

一种环形阵列叶片导向器的激光选区熔化制造工艺
技术领域
本发明涉及激光选区熔化技术领域，特别是涉及一种环形阵列叶片导向器的激光选区熔化制造工艺。
背景技术
环形阵列叶片导向器是航空发动机零件，其结构复杂具有环形阵列的多叶片结构，其工作环境高温高压，需要良好的高温力学性能。虽然传统的铸造工艺能够完成其复杂结构的成形，然而缺陷多、力学性能较差、制造难度大、周期长、良品率低等缺点十分显著。相比铸造，激光选区熔化工艺既能成形复杂结构，又具有优于铸件的力学性能，且快速高效，适合用于制造环形阵列叶片导向器。然而应用激光选区熔化工艺制造环形阵列叶片导向器还存在难点：只有少数大型激光选区熔化设备可以整体制造出环形阵列叶片导向器，常规设备只能成形分段的环形阵列叶片导向器再焊接为整体，其他难点还包括获得质量最佳的工艺参数、控制零件尺寸精度、控制零件的应力变形、控制零件的表面粗糙度、设计方便去除的支撑结构等。
发明内容
本发明的目的是提供一种环形阵列叶片导向器的激光选区熔化制造工艺，克服诸多工艺难点，良好地控制了零件尺寸精度、应力变形、表面粗糙度，并且零件的力学性能优于传统铸件，制造周期短，效率高。
本发明通过如下技术方案实现上述目的：一种环形阵列叶片导向器的激光选区熔化制造工艺，包括以下步骤：
S1、模型分段处理：将环形阵列叶片导向器三维模型根据激光选区熔化设备最大成形尺寸等分为三段或其他数量的多段；
S2、选用材料及设定工艺参数：
材料：粒度范围15-53μm的GH4169牌号镍基高温合金粉末；
工艺参数：铺粉层厚30-60μm,环形阵列叶片导向器主体部分采用的激光功率为260-285W，激光扫描速度为800-1000mm/s，扫描线间距为0.11mm，单个扫描单元为5-10mm宽条带；
S3、确定摆放方式及设计支撑结构：
采用水平摆放方式，在分段零件容易变形的端部设计圆锥状支撑和块状支撑，加强支撑强度，控制零件变形；在分段零件叶片下表面不添加支撑；分段零件内外侧壁旁的支撑设计为块状支撑并将其倾斜；
S4、尺寸精度校正：通过测量零件的收缩率和激光光斑补偿值校正零件的尺寸精度；
S5、激光选区熔化成形：将包含零件模型、支撑结构、摆放方式、工艺参数、尺寸精度校正信息的文件导入激光选区熔化设备内，准备好金属粉末材料以及基板，进行逐层铺粉及激光扫描成形；
S6、后处理：将零件连同基板放入真空热处理炉，800C°下保温一小时消除残余应力；随后将零件割下，并去除支撑结构；
S7、焊接：将所有分段的零件固定在焊接夹具上，焊接得到整体环形阵列叶片导向器零件，焊接的方式可以采用氩弧焊或激光焊。
进一步的，所述S1分段接头处的形状可以是斜线状或折线状。
进一步的，所述S3端部块状支撑网格为0.6mm，内外侧壁块状支撑网格为 1mm，倾斜角度为10°。
进一步的，所述S5使用厚度达60mm的基板。
进一步的，所述S7焊接夹具主要部分为夹具主体，分段零件放置在夹具主体上，先用下压板紧固螺栓将三块下压板组装到夹具主体上，然后通过上压板紧固螺栓和螺母将九块上压板组装到夹具主体上，此时，拧紧上压板紧固螺栓和螺母，将分段零件压紧在夹具主体和下压板上，矫正分段零件的纵向翘曲变形，同时初步固定分段零件，然后拧紧侧向压紧螺栓，将分段零件从侧向压紧在夹具主体上，矫正分段零件的侧向张开变形，同时使其与夹具主体完全贴合并完全固定，在三处下压板的位置对应着分段零件的焊接位置，采用钨极氩弧焊将三处焊接位置进行点焊固定，点焊固定后，取下三处下压板，进行分段零件的焊接，得到零件整体，焊接完成后松掉侧向压紧螺栓，松掉上压板紧固螺栓和螺母并取下上压板，最后通过顶出螺栓均匀地将零件整体顶出。
与现有技术相比，本发明环形阵列叶片导向器的激光选区熔化制造工艺的有益效果是：良好地控制了零件尺寸精度、应力变形、表面粗糙度，并且零件的力学性能优于传统铸件，制造周期短，效率高。
附图说明
图1是分段后的零件的结构示意图。
图2是分段接头处为斜线状的结构示意图。
图3是分段接头处为折线状的结构示意图。
图4是分段后的零件的支撑结构的结构示意图。
图5是内外侧壁旁的支撑结构的结构示意图。
图6是圆锥状支撑结构的结构示意图。
图7是焊接夹具的正面结构示意图。
图8是焊接夹具的反面结构示意图。
具体实施方式
请参阅图1至图8，一种环形阵列叶片导向器的激光选区熔化制造工艺，包括以下步骤：
S1、模型分段处理：将环形阵列叶片导向器三维模型根据激光选区熔化设备最大成形尺寸等分为三段或其他数量的多段，设备成形尺寸越小则分段越多。将模型做分段处理可以使不同成形尺寸规格的激光选区融化设备都能制造环形阵列叶片导向器分段，最后焊接为整体的环形阵列叶片导向器。分段接头处的形状可以是斜线状或折线状，便于焊接时的组合拼接。
S2、选用材料及设定工艺参数：
材料：粒度范围15-53μm的GH4169牌号镍基高温合金粉末。
工艺参数：铺粉层厚30-60μm,环形阵列叶片导向器主体部分采用的激光功率为260-285W，激光扫描速度为800-1000mm/s，扫描线间距为0.11mm，单个扫描单元为5-10mm宽条带；这些工艺参数可以使零件获得最佳力学性能且缺陷最少。
S3、确定摆放方式及设计支撑结构：
采用水平摆放方式，使零件高度最小，制造工时最短，提升效率，节约成本。
通过在不同的区域设计不同类型的支撑结构，可以辅助零件成形，控制零件变形，控制零件表面粗糙度。
在分段零件容易变形的端部设计圆锥状支撑A2和网格为0.6mm的块状支撑 A2，加强支撑强度，控制零件变形；在分段零件叶片下表面不添加支撑，减小了此处的表面粗糙度；分段零件内外侧壁旁的支撑A1设计为1mm网格的块状支撑并将其倾斜10°，使支撑与零件侧壁有较大缝隙，方便后续支撑的去除。
S4、尺寸精度校正：通过测量零件的收缩率和激光光斑补偿值可以校正零件的尺寸精度。零件本身结构复杂且不规则，难以在零件上准确测量其收缩率和激光光斑补偿值，根据零件自身形状和大小，特别设计一个规则可测的拟形测量专用件，从而测得零件的收缩率和激光光斑补偿值完成对零件尺寸精度的校正。
S5、激光选区熔化成形：将包含零件模型、支撑结构、摆放方式、工艺参数、尺寸精度校正等信息的文件导入激光选区熔化设备内，准备好金属粉末材料以及基板，进行逐层铺粉及激光扫描成形。这里特别使用厚度达60mm的基板，用来抵抗零件成形过程中的累积应力，控制零件的变形。
S6、后处理：将零件连同基板放入真空热处理炉，800C°下保温一小时消除残余应力。随后将零件割下，并去除支撑结构。
S7、焊接：将所有分段的零件6固定在焊接夹具上，焊接得到整体环形阵列叶片导向器零件，焊接的方式可以采用氩弧焊或激光焊。本次焊接采用了专门设计的焊接夹具，主要部分为夹具主体1，分段零件放置在夹具主体上。先用下压板紧固螺栓8将三块下压板2组装到夹具主体上，然后通过上压板紧固螺栓和螺母4将九块上压板3组装到夹具主体上。此时，拧紧上压板紧固螺栓和螺母，将分段零件压紧在夹具主体和下压板上，矫正分段零件的纵向翘曲变形，同时初步固定分段零件。然后拧紧侧向压紧螺栓5，将分段零件从侧向压紧在夹具主体上，矫正分段零件的侧向张开变形，同时使其与夹具主体完全贴合并完全固定。在三处下压板的位置对应着分段零件的焊接位置，采用钨极氩弧焊将三处焊接位置进行点焊固定。点焊固定后，取下三处下压板，进行分段零件的焊接，得到零件整体。焊接完成后松掉侧向压紧螺栓，松掉上压板紧固螺栓和螺母并取下上压板，最后通过顶出螺栓7均匀地将零件整体顶出。
当使用的激光选区熔化设备最大成形尺寸大于整体环形阵列叶片导向器零件的最大尺寸时，本发明的工艺流程的除去步骤S1与步骤S7之后，剩下的步骤S2到S6可被用于进行激光选区熔化成形制造整体环形阵列叶片导向器零件。
仅在首次使用本发明所述制造工艺制造环形阵列叶片导向器时，需要进行步骤S1、S2、S3、S4，后续重复制造时只需进行步骤S5、S6、S7。
本发明克服诸多工艺难点，良好地控制了零件尺寸精度、应力变形、表面粗糙度，并且零件的力学性能优于传统铸件，制造周期短，效率高。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点,对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (5)

1.一种环形阵列叶片导向器的激光选区熔化制造工艺，其特征在于，包括以下步骤：
S1、模型分段处理：将环形阵列叶片导向器三维模型根据激光选区熔化设备最大成形尺寸等分为三段或其他数量的多段；
S2、选用材料及设定工艺参数：
材料：粒度范围15-53μm的GH4169牌号镍基高温合金粉末；
工艺参数：铺粉层厚30-60μm,环形阵列叶片导向器主体部分采用的激光功率为260-285W，激光扫描速度为800-1000mm/s，扫描线间距为0.11mm，单个扫描单元为5-10mm宽条带；
S3、确定摆放方式及设计支撑结构：
采用水平摆放方式，在分段零件容易变形的端部设计圆锥状支撑和块状支撑，加强支撑强度，控制零件变形；在分段零件叶片下表面不添加支撑；分段零件内外侧壁旁的支撑设计为块状支撑并将其倾斜；
S4、尺寸精度校正：通过测量零件的收缩率和激光光斑补偿值校正零件的尺寸精度；
S5、激光选区熔化成形：将包含零件模型、支撑结构、摆放方式、工艺参数、尺寸精度校正信息的文件导入激光选区熔化设备内，准备好金属粉末材料以及基板，进行逐层铺粉及激光扫描成形；
S6、后处理：将零件连同基板放入真空热处理炉，800C°下保温一小时消除残余应力；随后将零件割下，并去除支撑结构；
S7、焊接：将所有分段的零件固定在焊接夹具上，焊接得到整体环形阵列叶片导向器零件，焊接的方式采用氩弧焊或激光焊。
2.根据权利要求1所述的环形阵列叶片导向器的激光选区熔化制造工艺，其特征在于：所述S1分段接头处的形状是斜线状或折线状。
3.根据权利要求1所述的环形阵列叶片导向器的激光选区熔化制造工艺，其特征在于：所述S3端部块状支撑网格为0.6mm，内外侧壁块状支撑网格为1mm，倾斜角度为10°。
4.根据权利要求1所述的环形阵列叶片导向器的激光选区熔化制造工艺，其特征在于：所述S5使用厚度达60mm的基板。
5.根据权利要求1所述的环形阵列叶片导向器的激光选区熔化制造工艺，其特征在于：所述S7焊接夹具主要部分为夹具主体，分段零件放置在夹具主体上，先用下压板紧固螺栓将三块下压板组装到夹具主体上，然后通过上压板紧固螺栓和螺母将九块上压板组装到夹具主体上，此时，拧紧上压板紧固螺栓和螺母，将分段零件压紧在夹具主体和下压板上，矫正分段零件的纵向翘曲变形，同时初步固定分段零件，然后拧紧侧向压紧螺栓，将分段零件从侧向压紧在夹具主体上，矫正分段零件的侧向张开变形，同时使其与夹具主体完全贴合并完全固定，在三处下压板的位置对应着分段零件的焊接位置，采用钨极氩弧焊将三处焊接位置进行点焊固定，点焊固定后，取下三处下压板，进行分段零件的焊接，得到零件整体，焊接完成后松掉侧向压紧螺栓，松掉上压板紧固螺栓和螺母并取下上压板，最后通过顶出螺栓均匀地将零件整体顶出。
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