CN110421165A - 一种用GRCop-84球形粉打印燃烧室内衬结构的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用GRCop‑84球形粉打印燃烧室内衬结构的方法，属于金属增材制造领域。主要包括以下步骤：(1)建立模型；(2)设置打印参数；(3)激光打印；(4)退火处理；(5)表面喷砂；本发明采用GRCop‑84球形粉末作为燃烧室内衬模型的原材料，该材料具有优异的导电、热膨胀、强度、抗蠕变、延展性和疲劳等性能,其综合性能优异，显著提高了火箭引擎的性能；本发明GRCop‑84球形粉末材料中Cr和Nb形成Cr2Nb相，第二相体积分数在14％左右，均匀分布在铜基体里，而且在超过1600℃时该第二相仍是稳定的，促使材料在高温下能够保持良好的服役性能。

Description

一种用GRCop-84球形粉打印燃烧室内衬结构的方法
技术领域
本发明属于金属增材制造领域，具体涉及一种用GRCop-84球形粉打印燃烧室内衬结构的方法。
背景技术
GRCop-84合金是美国国家航空、航天局格伦研究中心研究出的最新一代氢氧发动机内壁材料。GRCop-84合金中的Cr和Nb形成Cr2Nb相，第二相体积分数在14％左右，均匀分布在铜基体里，而且在超过1600℃时该第二相仍是稳定的。与此同时，大量Cr2Nb硬化相能很大程度上细化并控制铜的晶粒度，可进一步提升铜合金的强度。NASA材料工程师建造了几个其他试验件，对材料进行了测试表征，结果显示：经过GRCop-84材料的热膨胀至少比上一代合金低7％，热膨胀低使得GRCop-84材料内部的热应力小，可延长引擎的使用寿命。GRCop-84材料的导热性约为纯铜的70％～83％，而略差于上一代合金，但远优于多数同样强度的材料。在试验温度范围内,GRCop-84材料的屈服强度约为上一代合金的2倍。在经过模拟铜焊处理后,GRCop-84材料的剩余强度高于上一代合金,在经过更高的温度处理(例如热等静压处理)后，GRCop-84材料的一些性能有所下降，但仍明显优于上一代合金。GRCop-84材料的杨氏模量低于纯铜，因此材料内部的热应力较小,有利于延长材料的使用寿命。GRCop-84材料的蠕变和疲劳性能也远优于上一代合金。
该材料具有优异的导电、热膨胀、强度、抗蠕变、延展性和疲劳等性能,其综合性能优异，显著提高了火箭引擎的性能。基于GRCop-84材料优异的性能，国外已经用增材制造将该材料试制出发动机尾喷嘴、发动机燃烧室内衬等氢氧发动机的核心部件
发明内容
针对上述存在的问题，本发明提供了一种用GRCop-84球形粉打印燃烧室内衬结构的方法。
本发明的方案是：一种用GRCop-84球形粉打印燃烧室内衬结构的方法，主要包括以下步骤：
(1)建立模型
根据燃烧室内衬结构建立工艺模型，该模型大头在下，小头在上竖直放置即可，同时用切分软件将模型分层，形成各层的激光加工扫描路径；
(2)设置打印参数
放置后底板基材，将GRCop-84球形粉末铺满粉缸，然后设置打印参数，其中，激光功率：250-450W，激光光斑直径：0.08-0.25mm，激光加工扫描速度：1000-1500mm/s，单层层高：0.02-0.15mm，成形室内氩气循环风速控制电压：2.5-4V；
(3)激光打印
启动设备，开始抽真空，然后充入浓度为99.99％-99.999％的氩气后开始打印，具体打印过程为：利用激光逐层扫描上述经切分软件分层的燃烧室内衬模型，每扫描完一层，成型缸下降一层，粉缸随后上升一层，刮刀把粉缸中粉末向已加工的层面上铺设一层铜粉，然后粉缸下降，每层循环往复，直至燃烧室内衬结构打印完成，成型舱内氧气浓度不大于10ppm；
(4)退火处理
将上述打印成型后的燃烧室内衬结构放入真空炉中真空退火处理，具体退火过程为：首先，将燃烧室内衬结构加热至500-550℃后，均温处理8-10min，其次，以45-55℃/h的升温速率将上述结构加热至600-800℃，并在此温度下保温25-45min，最后，以15-20℃/h的降温速率将保温处理后的燃烧室内衬结构降至室温即可，其中，真空炉真空度为1×10-3-10×10-3T；
(5)表面喷砂
打印的燃烧室内衬结构经上述退火处理后，用线切割将打印后的燃烧室内衬结构与基材切割分离，然后在燃烧室内衬结构表面喷砂即可。
进一步地，所述步骤(1)中所建立的工艺模型的内部流道悬空与竖直方向夹角为0-10°，内部流道悬空与竖直方向的夹角范围在0-15°外，就需要添加支撑结构，而工艺模型的内部流道悬空与竖直方向夹角在该范围内，就不需要添加支撑，可直接打印，减少打印辅助支撑的使用。
进一步地，所述步骤(2)中GRCop-84球形粉末化学组成与质量分数为：Cu 5-7wt.％、Cr 4.5-6.5wt.％，余量为Nb，GRCop-84球形粉末中气体元素O≦500ppm，N≦100ppm，粉末粒径范围15-65μm，该成分材料中Cr和Nb形成Cr2Nb相，第二相体积分数在14％左右，均匀分布在铜基体里，而且在超过1600℃时该第二相仍是稳定的，促使材料在高温下能够保持良好的服役性能。
进一步地，对GRCop-84球形粉进行步骤(3)的打印前，先进行等离子球化预处理，具体处理过程为：将GRCop-84球形粉和保护气体放入等离子体炬中，利用等离子炬中心的高温对GRCop-84球形粉进行加热处理，将上述GRCop-84球形粉迅速熔化形成金属熔滴，然后金属熔滴进入粉体球化室，迅速冷凝，最后将保护气和球化粉末相互分离，得到纯净的GRCop-84球形粉，其中，等离子体炬的射频功率为45-80kw，输入流速为30-50L/min，保护气体的压力为90-150KPa，通过对GRCop-84球形粉进行上述预处理，能够减小GRCop-84球形粉的孔隙率、提高GRCop-84球形粉密度、提高GRCop-84球形粉纯度、精准控制含氧量，提高GRCop-84球形粉的可打印性。
进一步地，所述保护气体为氩气和氮气的混合气体，排出GRCop-84球形粉加热时的氧气，避免GRCop-84球形粉发生氧化反应，影响球化粉末的纯度。
进一步地，所述步骤(3)中利用激光束进行逐层扫描时，将扫描路径采用二分法分开，然后利用激光束对每层进行双向扫描，具体为：将燃烧室内衬结构的工艺模型的底面直径作为分界线，将扫描区域均分为两个区域，对第一个区域进行扫描时，第一条激光束扫描方向先是从左向右，第二条扫描线方向从右向左，后续相邻激光束之间的扫描方向相反，底层扫描结束后，然后由下至上按照上述扫描方式逐层扫描直至第一区域模型打印结束，第二区域采取上述相同的打印方式打印完毕后与第一区域结合即可，通过分区域、双向扫描的方式，使相邻激光扫描束之间的跳转距离仅为该两条激光束之间的垂直距离，减少激光束的跳转时间，从而提高激光打印的加工效率。
进一步地，所述步骤(6)中对打印后的燃烧室内衬结构表面进行喷砂处理时，首先，将打印后的结构固定在压入式干喷砂机上，在2.0-6.5kgf/cm2空气压力下，选用60-80目的石英砂对燃烧室内衬结构表面喷砂处理25-65s即可，通过对燃烧室内衬结构表面进行上述喷砂处理，以增加表面粗糙度，从而提高涂层与结构表面的界面结合强度。
更进一步地，利用激光束对GRCop-84球形粉末进行扫描时，利用超声波冲击装置沿激光扫描轨迹对扫描后的形成点状的细小熔池以及每一层成型结构分别进行冲击处理，其中，冲击功率为800-1100W，冲击频率15-25kHz，冲击速度为0.1m-0.3m/min，通过超声冲击对细小熔池以及每一层成型结构的处理，使扫描后的成型结构中存在粗大的柱状晶组织被拉长和破碎，使制得的燃烧室内衬结构组织得到细化。
本发明的有益效果是：
(1)本发明采用GRCop-84球形粉末作为燃烧室内衬模型的原材料，该材料具有优异的导电、热膨胀、强度、抗蠕变、延展性和疲劳等性能,其综合性能优异，显著提高了火箭引擎的性能。
(2)本发明通过激光束对经切分软件分层的燃烧室内衬模型进行逐层打印，每一层截面形状都会形成一个激光扫描轨迹，激光扫描后每一层截面轮廓轨迹上的粉末形成点状的细小熔池，通过非平衡凝固的细小熔池，形成晶粒枝晶细小、成分均匀、偏析程度小的过固溶状态，且通过分区域、双向扫描的方式，使相邻激光扫描束之间的跳转距离仅为该两条激光束之间的垂直距离，减少激光束的跳转时间，从而提高激光打印的加工效率。
(3)本发明的内部流道悬空与竖直方向的夹角范围在0-15°内，不需要添加支撑结构，可直接打印，减少使用打印辅助支撑的使用。
(4)本发明GRCop-84球形粉末材料中Cr和Nb形成Cr2Nb相，第二相体积分数在14％左右，均匀分布在铜基体里，而且在超过1600℃时该第二相仍是稳定的，促使材料在高温下能够保持良好的服役性能。
(5)本发明对成型后的燃烧室内衬结构进行退火处理时，先进行均温处理，保证燃烧室内衬结构表面均温，防止应力过大和产生表面裂纹，然后通过升温并保温，最后在降温，消除组织应力，解决了退火后产生裂纹问题。
(6)本发明对GRCop-84球形粉末进行等离子球化预处理，减小了GRCop-84球形粉的孔隙率、提高密度、提高纯度、精准控制含氧量，提高GRCop-84球形粉的可打印性。
(7)本发明通过超声冲击对细小熔池以及每一层成型结构的处理，使扫描后的成型结构中存在粗大的柱状晶组织被拉长和破碎，使制得的燃烧室内衬结构组织得到细化。
附图说明
图1为本发明的工作流程图；
图2为本发明的燃烧室内衬结构的工艺模型图；
图3为本发明的燃烧室内衬结构的工艺模型图仰视图；
图4为本发明的激光束扫描路径图。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明的方案作进一步地详细介绍，但本发明的保护范围并不局限于此。
实施例1
一种用GRCop-84球形粉打印燃烧室内衬结构的方法，主要包括以下步骤：
(1)建立模型
根据燃烧室内衬结构建立工艺模型，内部流道悬空与竖直方向夹角为0°，就不需要添加支撑，可直接打印，减少打印辅助支撑的使用，该模型大头在下，小头在上竖直放置即可，同时用切分软件将模型分层，形成各层的激光加工扫描路径；
(2)设置打印参数
放置后底板基材，将GRCop-84球形粉末铺满粉缸，然后设置打印参数，其中，激光功率：250W，激光光斑直径：0.08mm，激光加工扫描速度：1000mm/s，单层层高：0.02mm，成形室内氩气循环风速控制电压：2.5V，GRCop-84球形粉末化学组成与质量分数为：Cu 5wt.％、Cr 4.5wt.％，余量为Nb，GRCop-84球形粉末中气体元素O为500ppm，N为100ppm，粉末粒径15μm，该成分材料中Cr和Nb形成Cr2Nb相，第二相体积分数为13％，均匀分布在铜基体里，而且在超过1600℃时该第二相仍是稳定的，促使材料在高温下能够保持良好的服役性能；
(3)激光打印
启动设备，开始抽真空，然后充入浓度为99.99％的氩气后开始打印，具体打印过程为：利用激光逐层扫描上述经切分软件分层的燃烧室内衬模型，每扫描完一层，成型缸下降一层，粉缸随后上升一层，刮刀把粉缸中粉末向已加工的层面上铺设一层铜粉，然后粉缸下降，每层循环往复，直至燃烧室内衬结构打印完成，成型舱内氧气浓度9ppm；
(4)退火处理
将上述打印成型后的燃烧室内衬结构放入真空炉中真空退火处理，具体退火过程为：首先，将燃烧室内衬结构加热至500℃后，均温处理8min，其次，以45℃/h的升温速率将上述结构加热至600℃，并在此温度下保温25min，最后，以15℃/h的降温速率将保温处理后的燃烧室内衬结构降至室温即可，其中，真空炉真空度为1×10-3T；
(5)表面喷砂
打印的燃烧室内衬结构经上述退火处理后，用线切割将打印后的燃烧室内衬结构与基材切割分离，然后在燃烧室内衬结构表面喷砂即可。
实施例2
一种用GRCop-84球形粉打印燃烧室内衬结构的方法，主要包括以下步骤：
(1)建立模型
根据燃烧室内衬结构建立工艺模型，内部流道悬空与竖直方向夹角为5°，就不需要添加支撑，可直接打印，减少打印辅助支撑的使用，该模型大头在下，小头在上竖直放置即可，同时用切分软件将模型分层，形成各层的激光加工扫描路径；
(2)设置打印参数
放置后底板基材，将GRCop-84球形粉末铺满粉缸，然后设置打印参数，其中，激光功率：350W，激光光斑直径：0.15mm，激光加工扫描速度：1300mm/s，单层层高：0.1mm，成形室内氩气循环风速控制电压：3.2V，GRCop-84球形粉末化学组成与质量分数为：Cu 6wt.％、Cr5.5wt.％，余量为Nb，GRCop-84球形粉末中气体元素O为400ppm，N为90ppm，粉末粒径35μm，该成分材料中Cr和Nb形成Cr2Nb相，第二相体积分数为14％，均匀分布在铜基体里，而且在超过1600℃时该第二相仍是稳定的，促使材料在高温下能够保持良好的服役性能；
(3)激光打印
启动设备，开始抽真空，然后充入浓度为99.998％的氩气后开始打印，具体打印过程为：利用激光逐层扫描上述经切分软件分层的燃烧室内衬模型，每扫描完一层，成型缸下降一层，粉缸随后上升一层，刮刀把粉缸中粉末向已加工的层面上铺设一层铜粉，然后粉缸下降，每层循环往复，直至燃烧室内衬结构打印完成，成型舱内氧气浓度8ppm；
(4)退火处理
将上述打印成型后的燃烧室内衬结构放入真空炉中真空退火处理，具体退火过程为：首先，将燃烧室内衬结构加热至530℃后，均温处理9min，其次，以50℃/h的升温速率将上述结构加热至700℃，并在此温度下保温35min，最后，以18℃/h的降温速率将保温处理后的燃烧室内衬结构降至室温即可，其中，真空炉真空度为5×10-3T；
(5)表面喷砂
打印的燃烧室内衬结构经上述退火处理后，用线切割将打印后的燃烧室内衬结构与基材切割分离，然后在燃烧室内衬结构表面喷砂即可。
实施例3
一种用GRCop-84球形粉打印燃烧室内衬结构的方法，主要包括以下步骤：
(1)建立模型
根据燃烧室内衬结构建立工艺模型，内部流道悬空与竖直方向夹角为10°，就不需要添加支撑，可直接打印，减少打印辅助支撑的使用，该模型大头在下，小头在上竖直放置即可，同时用切分软件将模型分层，形成各层的激光加工扫描路径；
(2)设置打印参数
放置后底板基材，将GRCop-84球形粉末铺满粉缸，然后设置打印参数，其中，激光功率：450W，激光光斑直径0.25mm，激光加工扫描速度：1500mm/s，单层层高：0.15mm，成形室内氩气循环风速控制电压：4V，GRCop-84球形粉末化学组成与质量分数为：Cu 7wt.％、Cr6.5wt.％，余量为Nb，GRCop-84球形粉末中气体元素O为300ppm，N为80ppm，粉末粒径65μm，该成分材料中Cr和Nb形成Cr2Nb相，第二相体积分数为15％，均匀分布在铜基体里，而且在超过1600℃时该第二相仍是稳定的，促使材料在高温下能够保持良好的服役性能；
(3)激光打印
启动设备，开始抽真空，然后充入浓度为99.999％的氩气后开始打印，具体打印过程为：利用激光逐层扫描上述经切分软件分层的燃烧室内衬模型，每扫描完一层，成型缸下降一层，粉缸随后上升一层，刮刀把粉缸中粉末向已加工的层面上铺设一层铜粉，然后粉缸下降，每层循环往复，直至燃烧室内衬结构打印完成，成型舱内氧气浓度7ppm；
(4)退火处理
将上述打印成型后的燃烧室内衬结构放入真空炉中真空退火处理，具体退火过程为：首先，将燃烧室内衬结构加热至550℃后，均温处理10min，其次，以55℃/h的升温速率将上述结构加热至800℃，并在此温度下保温45min，最后，以20℃/h的降温速率将保温处理后的燃烧室内衬结构降至室温即可，其中，真空炉真空度为10×10-3T；
(5)表面喷砂
打印的燃烧室内衬结构经上述退火处理后，用线切割将打印后的燃烧室内衬结构与基材切割分离，然后在燃烧室内衬结构表面喷砂即可。
实施例4
本实施例与实施例2基本一致，不同之处在于，对GRCop-84球形粉进行步骤(3)的打印前，先进行等离子球化预处理，具体处理过程为：将GRCop-84球形粉和体积比为6:7的氩气与氮气的混合气体放入等离子体炬中，利用等离子炬中心的高温对GRCop-84球形粉进行加热处理，将上述GRCop-84球形粉迅速熔化形成金属熔滴，然后金属熔滴进入粉体球化室，迅速冷凝，最后将保护气和球化粉末相互分离，得到纯净的GRCop-84球形粉，其中，等离子体炬的射频功率为60kw，输入流速为40L/min，保护气体的压力为110KPa，通过对GRCop-84球形粉进行上述预处理，能够减小GRCop-84球形粉的孔隙率、提高GRCop-84球形粉密度、提高GRCop-84球形粉纯度、精准控制含氧量，提高GRCop-84球形粉的可打印性。
实施例5
本实施例与实施例4基本一致，不同之处在于，如图4所示，步骤(3)中利用激光束进行逐层扫描时，将扫描路径采用二分法分开，然后利用激光束对每层进行双向扫描，具体为：将燃烧室内衬结构的工艺模型的底面直径作为分界线，将扫描区域均分为两个区域，对第一个区域进行扫描时，第一条激光束扫描方向先是从左向右，第二条扫描线方向从右向左，后续相邻激光束之间的扫描方向相反，底层扫描结束后，然后由下至上按照上述扫描方式逐层扫描直至第一区域模型打印结束，第二区域采取上述相同的打印方式打印完毕后与第一区域结合即可，通过分区域、双向扫描的方式，使相邻激光扫描束之间的跳转距离仅为该两条激光束之间的垂直距离，减少激光束的跳转时间，从而提高激光打印的加工效率。
实施例6
本实施例与实施例5基本一致，不同之处在于，如图3所示，步骤(6)中对打印后的燃烧室内衬结构表面进行喷砂处理时，首先，将打印后的结构固定在压入式干喷砂机上，在4.5kgf/cm2空气压力下，选用70目的石英砂对燃烧室内衬结构表面喷砂处理45s即可，通过对燃烧室内衬结构表面进行上述喷砂处理，以增加表面粗糙度，从而提高涂层与结构表面的界面结合强度。
实施例7
本实施例与实施例6基本一致，不同之处在于，利用激光束对GRCop-84球形粉末进行扫描时，利用超声波冲击装置沿激光扫描轨迹对扫描后的形成点状的细小熔池以及每一层成型结构分别进行冲击处理，其中，冲击功率为1100W，冲击频率25kHz，冲击速度为0.3m/min，通过超声冲击对细小熔池以及每一层成型结构的处理，使扫描后的成型结构中存在粗大的柱状晶组织被拉长和破碎，使制得的燃烧室内衬结构组织得到细化。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的方案进行修改，或者对其中部分特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应方案的本质脱离本发明实施例方案的精神和范围。

Claims (7)

1.一种用GRCop-84球形粉打印燃烧室内衬结构的方法，其特征在于，主要包括以下步骤：
(1)建立模型
根据燃烧室内衬结构建立工艺模型，该模型大头在下，小头在上竖直放置即可，同时用切分软件将模型分层，形成各层的激光加工扫描路径；
(2)设置打印参数
放置后底板基材，将GRCop-84球形粉末铺满粉缸，然后设置打印参数，其中，激光功率：250-450W，激光光斑直径：0.08-0.25mm，激光加工扫描速度：1000-1500mm/s，单层层高：0.02-0.15mm，成形室内氩气循环风速控制电压：2.5-4V；
(3)激光打印
启动设备，开始抽真空，然后充入浓度为99.99％-99.999％的氩气后开始打印，具体打印过程为：利用激光逐层扫描上述经切分软件分层的燃烧室内衬模型，每扫描完一层，成型缸下降一层，粉缸随后上升一层，刮刀把粉缸中粉末向已加工的层面上铺设一层铜粉，然后粉缸下降，每层循环往复，直至燃烧室内衬结构打印完成，成型舱内氧气浓度不大于10ppm；
(4)退火处理
将上述打印成型后的燃烧室内衬结构放入真空炉中真空退火处理，具体退火过程为：首先，将燃烧室内衬结构加热至500-550℃后，均温处理8-10min，其次，以45-55℃/h的升温速率将上述结构加热至600-800℃，并在此温度下保温25-45min，最后，以15-20℃/h的降温速率将保温处理后的燃烧室内衬结构降至室温即可，其中，真空炉真空度为1×10-3-10×10-3T；
(5)表面喷砂
打印的燃烧室内衬结构经上述退火处理后，用线切割将打印后的燃烧室内衬结构与基材切割分离，然后在燃烧室内衬结构表面喷砂即可。
2.根据权利要求1所述的一种用GRCop-84球形粉打印燃烧室内衬结构的方法，其特征在于，所述步骤(1)中所建立的工艺模型的内部流道悬空与竖直方向夹角为0-10°。
3.根据权利要求1所述的一种用GRCop-84球形粉打印燃烧室内衬结构的方法，其特征在于，所述步骤(2)中GRCop-84球形粉末化学组成与质量分数为：Cu 5-7wt.％、Cr 4.5-6.5wt.％，余量为Nb，GRCop-84球形粉末中气体元素O≦500ppm，N≦100ppm，粉末粒径范围15-65μm。
4.根据权利要求1所述的一种用GRCop-84球形粉打印燃烧室内衬结构的方法，其特征在于，对GRCop-84球形粉进行步骤(3)的打印前，先进行等离子球化预处理，具体处理过程为：将GRCop-84球形粉和保护气体放入等离子体炬中，利用等离子炬中心的高温对GRCop-84球形粉进行加热处理，将上述GRCop-84球形粉迅速熔化形成金属熔滴，然后金属熔滴进入粉体球化室，迅速冷凝，最后将保护气和球化粉末相互分离，得到纯净的GRCop-84球形粉，其中，等离子体炬的射频功率为45-80kw，输入流速为30-50L/min，保护气体的压力为90-150KPa。
5.根据权利要求4所述的一种用GRCop-84球形粉打印燃烧室内衬结构的方法，其特征在于，所述保护气体为氩气和氮气的混合气体。
6.根据权利要求1所述的一种用GRCop-84球形粉打印燃烧室内衬结构的方法，其特征在于，所述步骤(3)中利用激光束进行逐层扫描时，将扫描路径采用二分法分开，然后利用激光束对每层进行双向扫描，具体为：将燃烧室内衬结构的工艺模型的底面直径作为分界线，将扫描区域均分为两个区域，对第一个区域进行扫描时，第一条激光束扫描方向先是从左向右，第二条扫描线方向从右向左，后续相邻激光束之间的扫描方向相反，底层扫描结束后，然后由下至上按照上述扫描方式逐层扫描直至第一区域模型打印结束，第二区域采取上述相同的打印方式打印完毕后与第一区域结合即可。
7.根据权利要求1所述的一种用GRCop-84球形粉打印燃烧室内衬结构的方法，其特征在于，所述步骤(6)中对打印后的燃烧室内衬结构表面进行喷砂处理时，首先，将打印后的结构固定在压入式干喷砂机上，在2.0-6.5kgf/cm2空气压力下，选用60-80目的石英砂对燃烧室内衬结构表面喷砂处理25-65s即可。
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