CN110539132A - 一种增材制造与电解加工精确成形的整体叶盘制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种增材制造与电解加工精确成形的整体叶盘制备方法，该方法将电解加工和激光增材制造方法结合起来，首先通过电解加工在盘毂上开设出一个个凹槽，再通过激光增材制造的方法在开设有凹槽的盘毂上制造出叶片坯体，再通过电解加工的方法对叶片坯体进行最终加工，使之达到设计精度；在凹槽处开始叶片增材沉积，可有效避免盘毂与叶片连接处的应力集中，提高了部件整体的使用性能和服役寿命；该方法不仅可以极大地发挥了增材制造材料利用率高、成形自由等有优点，同时又克服了其沉积效率与工件精度之间的矛盾，并且使工件的尺寸精度和表面质量达到了很高的标准，最终减少了加工工序，大大缩短了整体部件的加工周期，降低了生产成本。

Description

一种增材制造与电解加工精确成形的整体叶盘制备方法

【技术领域】

本发明属于增减材组合加工技术领域，具体涉及一种增材制造与电解加工精确成形的整体叶盘制备方法。

【背景技术】

整体叶盘现已逐渐成为新一代航空发动机的核心部件，其生产加工技术标志着整个航空制造业乃至国防科技的发展水平。整体叶盘是将盘毂和叶片设计加工为一个整体，省去了不必要的连接和支撑构件，并避免了后期装配工艺以及由于装配不当所带来的问题，进而使得整个叶盘的重量大幅度减轻，工作效率和安全可靠性得到提高，同时服役寿命也显著增加。

整体叶盘在使用性能上具有众多原有叶盘无可匹及的优势，然而整体叶盘制造工艺和成本控制是阻碍整体叶盘大规模推广使用的主要原因。目前，主要的整体叶盘制造加工工艺有：精密锻造和铸造技术、数控铣削技术、电解加工技术等。但是，这些现有的加工手段都全部或部分面临着材料加工性能差、去除浪费量大、生产周期长、制造成本高等诸多问题。

【发明内容】

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种增材制造与电解加工精确成形的整体叶盘制备方法；该方法提高了工件的尺寸和表面质量，减少了加工工序，缩短了加工周期，降低了生产成本。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

一种增材制造与电解加工精确成形的整体叶盘制备方法，包括以下步骤：

步骤1，将盘毂夹装在数控电解加工机床上，通过电解加工在盘毂的外环面上加工若干个凹槽，制得初步加工后的盘毂；所述凹槽用于承载和固定连接叶片的内端，凹槽的数量和盘毂中叶片的设计数量相同；

步骤2，将初步加工后的盘毂置于激光增材制造设备中，在每一个凹槽内通过激光增材制造沉积出叶片坯体，形成过程叶盘；

步骤3，将过程叶盘夹装在数控电解加工机床上，对每一个叶片坯体进行电解加工，形成每一个叶片的叶盆和叶背；完成整体叶盘的制备。

本发明的进一步改进在于：

优选的，步骤1中，所述凹槽为弧状凹槽，凹槽的长侧壁为弧面；凹槽的形状及尺寸与叶片在盘毂内部分的形状和尺寸相同，相邻凹槽之间的距离相等。

优选的，步骤1中，数控电解加工机床的阴极工具加工每一个凹槽时，从外环面开始沿着盘毂的径向加工；加工完一个凹槽后，盘毂沿其周向转动，使得相邻的待加工凹槽位于阴极工具对应处，同时阴极工具退回至原点，开始加工待加工的凹槽，依次类推，直至盘毂上所有的凹槽加工完成。

优选的，步骤1中，加工过程中，盘毂的轴线为竖直方向；凹槽的任意一个长侧壁两端的连线和盘毂的轴线夹角为α，0°＜α＜90°。

优选的，步骤1中，每一个凹槽的深度为叶片长度的0.5％-5％，每一个凹槽的长和宽与步骤2中叶片坯体的长和宽相等。

优选的，步骤2中，沉积叶片坯体的具体过程为：

步骤2.1，将初步加工后的盘毂竖直安装在激光增材制造设备的加工台上；

步骤2.2，选择任一凹槽作为初始加工位置进行单层增材沉积，将盘毂旋转1/2圈后，在第二加工位置处的凹槽进行单层增材沉积，所述第二加工位置处的凹槽和初始加工位置处凹槽相对于盘毂的圆心对称；将盘毂旋转3/4圈后，进行第三加工位置处凹槽的单层增材沉积，所述第三加工位置为初始加工位置旋转1/4处；再将盘毂旋转1/2圈，转动至第四加工位置进行单层增材沉积，所述第四加工位置为初始加工位置旋转3/4处，依次类推，依次在相对于初始加工位置的1/8、5/8、3/8、7/8、1/16…处的凹槽进行单层增材沉积，直至盘毂上的所有凹槽单层增材沉积结束；

步骤2.3，重复步骤2.2再次进行单层增材沉积，不断重复步骤2.2，直至沉积出盘毂上的所有叶片坯体，形成过程叶盘。

优选的，步骤2中，激光增材制造在氩气保护环境中进行，所述叶片坯体的材质和盘毂的材质相同。

优选的，步骤3的具体过程为：

步骤3.1，将过程叶盘夹装在数控电解加工机床上，选择任一叶片坯体作为初始加工的叶片坯体，所述初始加工的叶片坯体处于竖直方向；

步骤3.2，将两个阴极工具分别定位到各自的加工原点后，通电解液后相向进给对叶盆和叶背进行加工，完成一个叶片加工；

步骤3.3，转动盘毂，同时将两个阴极工具均退回至加工原点，重复步骤3.2对下一加工叶片坯体进行重复操作，直至完成整个整体叶盘的制造。

优选的，步骤2，在凹槽内沉积出叶片坯体前，对凹槽四个壁面及底面进行净化处理，所述净化处理的方法为喷砂。

优选的，步骤1和步骤3中，电解加工过程中，电解液为10～15wt.％的NaNO₃溶液或10～15wt.％的NaCl溶液。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明公开了一种增材制造与电解加工精确成形的整体叶盘制备方法，该方法将电解加工和激光增材制造方法结合起来，首先通过电解加工在盘毂上开设出一个个凹槽，再通过激光增材制造的方法在开设有凹槽的盘毂上制造出叶片坯体，再通过电解加工的方法对叶片坯体进行最终加工，使之达到设计精度；在凹槽处开始叶片增材沉积，可有效避免盘毂与叶片连接处的应力集中，提高了部件整体的使用性能和服役寿命；将上述两种方法相结合，不仅可以极大地发挥了增材制造材料利用率高、成形自由等有优点，同时又通过电解加工克服了其沉积效率与工件精度之间的矛盾，并且使工件的尺寸精度和表面质量达到了很高的标准，最终减少了加工工序，大大缩短了整体部件的加工周期，降低了生产成本。

进一步的，凹槽为弧状凹槽，其形状与叶片内端的形状和尺寸相同，相邻凹槽之间的距离相等，设计的目的为保证下一步能够在凹槽内沉积出合格尺寸的叶片坯体。

进一步的，加工过程中，阴极工具并不围绕盘毂转动，只是沿着每一个待加工凹槽的深度方向运动，通过盘毂的转动，完成盘毂上所有凹槽的加工。

进一步的，限定了凹槽的深度，保证了下一步沉积叶片和凹槽内壁连接的牢固性。

进一步的，采用循环交替的沉积顺序，可使得在叶片沉积过程中对盘毂热和力的作用更加均匀，如果直接沉积完一个叶片坯体再进行下一个叶片坯体的沉积，会导致每一个叶片的沉积过程温度偏高，影响增材制造的效果，通过该沉积顺序，能够提升整个工件的加工质量。

进一步的，该方法的增材制造过程在氩气保护环境中进行，防止增材制造过程中沉积出的金属被氧化，当叶片坯体和盘毂的材质相同时，二者的连接处结合能力更强。

进一步的，通过数控电解加工对叶片坯体进一步进行加工叶盆和叶背，保证加工精度。

进一步的，为保证增材制造过程中，沉积的金属层和盘毂结合处的结合力，通过喷砂处理，提高增材制造连接处的洁净度，防止存在杂质等影响二者的连接力。

进一步的，针对不同的材料，能够选择不同的电解液。

【附图说明】

图1为本发明制造的整体叶盘结构示意图；

图2为本发明中电解加工的凹槽示意图；

图3为本发明中激光增材制造的叶片坯体示意图；

图4为本发明中交替沉积的顺序示意图。

其中：1-盘毂；2-叶片；3-凹槽；4-叶片坯体；1-1-内环面；1-2-外环面；2-1-叶盆；2-2-叶背；4-1-第一侧边；4-2-第二侧边。

【具体实施方式】

下面结合附图和具体过程对本发明做进一步详细描述。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制；术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性；此外，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

参见图1，本发明公开了一种增材制造与电解加工精确成形的整体叶盘制备方法；所述目标成形的整体叶盘包括盘毂1和叶片2，盘毂1为环状结构，盘毂1包括同圆心的内环面1-1和外环面1-2，内环面1-1在外环面1-2内，内环面1-1平行于外环面1-2，内环面1-1的宽度小于外环面1-2的宽度，内环面1-1和外环面1-2在宽度方向的中心面为同一平面；内环面1-1的两个外侧边和外环面1-2的两个外侧边通过分别通过一个斜面1-3连接，外环面1-2上沿其周向固定开设有凹槽3，相邻凹槽3之间的距离相等，每一个凹槽3为弧线状凹槽，即凹槽3在盘毂1内部的两个长侧壁均为弧面壁；每一个凹槽3内固定设置有一个叶片2，叶片2包括相对的叶盆2-1和叶背2-2，设定叶片2的一端为内端，另一端为外端，所述内端和凹槽3连接，外端朝外设置；叶片2设置在凹槽3内的部分和凹槽3的形状和尺寸完全相同，二者界面处为冶金结合，互相连接成一个整体；无论是凹槽3还是叶片2，在盘毂1上都是对称设置，盘毂1上任意过圆心径向截面两侧的叶片2或凹槽3数量和形状都是镜像对称的，通过本发明的方法制备上述叶盘包括以下步骤：

(1)，参见图2，将锻造好的盘毂1装夹在数控电解加工机床的加工台上，阴极工具径向进给，在盘毂1外周加工出凹槽3。

电解数控机床主要包括电源系统、数控系统和电解液供给系统，在加工过程中，电解数控机床的控制中心可对电解液温度、pH值、加工电流等参数进行实时监控；其中电源系统用于为加工过程中提供电能，控制加工过程中的加工电压、脉冲占空比和脉冲频率；数控系统用于控制阴极工具的进给路径和速度；电解液供给系统用于控制电解液的温度，进口压力和出口压力。

将制备好的锻造盘毂1水平装夹在数控电解加工机床的加工台上，盘毂1的轴线为竖直方向，阴极工具用于加工凹槽3，因此阴极工具和凹槽3的长侧壁形状和尺寸相同；加工过程中，阴极工具从盘毂1的外环面1-2开始加工，沿着盘毂1的径向，向盘毂1的圆心方向伸进凹槽3的设定深度，因为叶片2的厚度很薄，对于凹槽3只需要从外向内沿着深度方向加工凹槽3即可，无需再沿着凹槽3的宽度方向进行加工(或者说沿着盘毂1的周向进行加工；加工出凹槽3的两个长侧壁均为弧面壁，且凹槽3中一个弧面壁两端的连线和盘毂1的轴线呈一定夹角α，所述夹角α的范围为0-90°；对于阴极工具，加工路径提前被设置在数控系统中，阴极工具位于外环面1-2后，通电解液，阴极工具开始沿着径向进给加工出第一个凹槽3；加工结束第一个凹槽3后，阴极工具退回至原点处，同时盘毂1转动，根据数控系统设置的相邻凹槽3之间的距离，移动到下一个凹槽3的原点处；重复上述过程，直至最终加工出与该叶盘叶片2设计数目一致的全部凹槽3；凹槽3的深度为叶片2长度的0.5％-5％，优选为1％-3％，凹槽3的长和宽与后期加工的叶片坯体4一致。

凹槽3具体的电解加工参数为：

电解液为10～15wt.％的NaNO₃溶液或10～15wt.％的NaCl溶液，其中NaNO₃溶液针对的是高温合金，NaCl溶液针对的是钛合金；电解液温度为30～40℃，进口压力为0.6～1.2MPa，出口压力为0.05～0.1MPa，加工电压为20～25V，脉冲占空比为50％～70％，脉冲频率为1～5KHz，进给速度为0.5mm/min。

通过该步骤得到初步加工后的盘毂1。

(2)对凹槽3的四个壁面(两个长侧壁和两个短窄侧壁)及底面进行净化处理；净化处理手段为利用喷砂去除表面的氧化层和电解加工产物层等残留物；得到净化处理后的盘毂1。

(3)参见图3，将步骤(2)处理好的净化处理后的盘毂1置于激光增材制造设备上，在各个凹槽3处开始逐层交替循环沉积出叶片坯体4；

将净化处理后的盘毂1竖直安装在激光增材制造设备的加工台上，加工台可实现对其进行任意角度周向旋转和固定。参见图4，叶片坯体4的单层加工沉积顺序，其中数字代表沉积顺序和相对位置；设定盘毂1的外径长度为1，选定任一凹槽3作为初始加工位置进行单层增材沉积，设定该初始加工位置凹槽3所在的位置为0，将盘毂1转动半圈，第二加工位置为初始加工位置凹槽3的相对凹槽3，第二加工位置的位置为1/2，在第二加工位置单层增材沉积后，将盘毂旋转3/4圈，进行第三加工位置的单层增材沉积，第三加工位置为相对于位置0的1/4处，再将盘毂1转动1/2圈，转动至第四加工位置进行单层增材沉积，第四加工位置为相对于位置0的3/4处；将盘毂1转动至第五加工位置进行单层增材沉积，第五加工位置为相对于位置0的1/8处，往后依次为5/8、3/8、7/8，1/16…，直至所有盘毂1内凹槽3的单层增材沉积结束；按照上述顺序开始进行第二层的单层增材沉积，第三层、第四层…..直至沉积出所有的叶片坯体4。所述叶片坯体4弧面板，其两个侧边，第一侧边4-1和第二侧边4-2的厚度相同。

通过上述描述可知，在任一轮内进行凹槽3内的单层增材沉积时，在沉积完第一个加工位置的凹槽3后，沉积的下一个凹槽3一般选择离当前沉积的凹槽3位置最远的凹槽3，以避免盘毂1上的局部热应力过大的情况发生。

激光增材制造设备包括激光器、带有操作箱的数控台和同步送粉系统，增材制造所用的粉末由气体雾化法制备，材料种类与盘毂1所用的一致。粉末在使用之前需放入真空烘箱内进行干燥以去除其吸收的水分。为防止发生氧化，增材制造全过程由氩气进行保护，操作箱内氧气含量小于50ppm。

激光功率2.0～5.0kW，扫描速度10～20mm/s，加工点光斑直径3～5mm，送粉率10～20g/min，搭接率30％～50％，层厚为0.3～0.8mm，载粉气流量200L/min。

通过该步骤制备出过程叶盘。

(4)将经增材制造过程叶盘装夹至数控电解加工机床，对成形的叶片坯体4进行电解加工并使整体叶盘最终加工成形。

将经增材制造的叶盘按一定角度偏转后装夹至数控电解加工机床的加工台上，使待加工叶片坯体4处于竖直方向。两个阴极工具分别定位到各自的加工原点后(假如要加工掉3mm厚度，程序设计进给5mm，那么阴极工具距毛坯件2mm处即为加工原点)；通电解液，两个阴极工具同时相向进给对叶盆2-1和叶背2-2进行加工，完成一个叶片2加工后，转动盘毂1，对下一加工叶片坯体4进行重复操作，直至完成整个整体叶盘的制造，具体的叶片2电解加工工艺为：

电解液为10～15wt.％的NaNO3溶液或10～15wt.％的NaCl溶液，电解液温度为30～40℃，进口压力为0.6～1.2MPa，出口压力为0.05～0.1MPa，加工电压为20～25V，脉冲占空比为50％～70％，脉冲频率为1～5KHz，进给速度为0.1～0.6mm/min。

为了减少加工过程中的杂散腐蚀，在阴极设计过程中，需对工具的非加工面涂覆绝缘树脂以增加绝缘层。另外加工过程中，对于已经加工成型的叶片要套上绝缘保护壳以进行绝缘保护，从而保证叶片的尺寸精度和表面质量不受后续电解加工的影响。

实施例1

按如下步骤制备TC4钛合金整体叶盘：

(1)将制备好的锻造TC4钛合金盘毂1装夹在数控电解加工机床的加工台上，阴极工具与盘毂1轴线在竖直面成一定角度，定位到加工原点后，通电解液，阴极工具开始径向进给加工出凹槽3，凹槽3的深度为3mm，凹槽3的深度为最终叶片2长度的2％，长和宽与后期加工的叶片坯体4一致。完成一个单位操作后，沿圆周方向依次重复进行，直至最终加工出与该叶盘叶片2设计数目一致的全部凹槽3，得到初步加工后的盘毂1。

凹槽3的电解加工参数为：电解液为15wt.％的NaCl溶液，电解液温度为35℃，进口压力为0.8MPa，出口压力为0MPa，加工电压为24V，脉冲占空比为60％，脉冲频率为3KHz，进给速度为0.5mm/min。

(2)将初步加工后的盘毂1利用喷砂去除表面的氧化层和电解加工产物层等残留物，对凹槽3的四个侧壁面和底面进行净化处理；得到净化处理后的盘毂1。

(3)将净化处理后的盘毂1竖直安装在激光增材制造设备的加工台上，选定任一凹槽3作为初始加工位置进行单层增材沉积，完成后对下一加工位置重复操作，如此循环进行，直至沉积出所有的叶片坯体4。

叶片坯体4的增材沉积工艺为：

激光功率3.0kW，扫描速度15mm/s，加工点光斑直径4mm，送粉率18g/min，搭接率40％，层厚为0.7mm，载粉气流量200L/min。

循环进行的规律为：设盘毂1圆周方向路径为1，初始加工位置为0，第二加工位置为1/2，第三加工位置为1/4，往后依次为3/4、1/8、5/8、3/8、7/8……

(4)将经增材制造的叶盘按一定角度偏转后装夹至数控电解加工机床的加工台上，使待加工叶片坯体4处于竖直方向。阴极工具定位到加工原点后，通电解液，同时相向进给对叶盆2-1和叶背2-2进行加工，完成一个叶片坯体4加工后，对下一加工叶片坯体4进行重复操作，直至完成整个整体叶盘的制造。

叶片坯体4电解加工工艺为：

电解液为15wt.％的NaCl溶液，电解液温度为35℃，进口压力为0.8MPa，出口压力为0.05MPa，加工电压为24V，脉冲占空比为60％，脉冲频率为2KHz，进给速度为0.3mm/min。

本发明制备的钛合金整体叶盘，加工性能和质量良好，工件精度和表面光洁度高，达到设计要求。其中，激光增材制造和电解加工组合制造的叶片2，室温下抗拉强度为1070MPa，屈服强度为990MPa，均优于锻件性能(抗拉强度≥895MPa，屈服强度≥825MPa)。高效率激光增材制造叶片坯体4的表面非常粗糙，经电解加工后，叶盆2-1最大粗糙度Ra为0.95μm，叶背2-2最大粗糙度Ra为0.91μm。

实施例2

按如下步骤制备Ti60钛合金整体叶盘：

(1)将制备好的锻造Ti60钛合金盘毂1装夹在数控电解加工机床的加工台上，阴极工具与盘毂1轴线在竖直面成一定角度，定位到加工原点后，通电解液，阴极工具开始径向进给加工出凹槽3，凹槽3的深度为3mm，凹槽3的深度为最终叶片2长度的3％，长和宽与后期加工的叶片坯体4一致。完成一个单位操作后，沿圆周方向依次重复进行，直至最终加工出与该叶盘叶片2设计数目一致的全部凹槽3，得到初步加工后的盘毂1。

凹槽3的电解加工参数为：

电解液为10wt.％的NaCl溶液，电解液温度为40℃，进口压力为1.2MPa，出口压力为0MPa，加工电压为25V，脉冲占空比为70％，脉冲频率为5KHz，进给速度为0.5mm/min。

(2)将初步加工后的盘毂1利用喷砂去除表面的氧化层和电解加工产物层等残留物，对凹槽3的四个侧壁面和底面进行净化处理，得到净化处理后的盘毂1。

(3)将净化处理后的盘毂1竖直安装在激光增材制造设备的加工台上，加工台可实现对其进行任意角度周向旋转和固定。选定任一凹槽3作为初始加工位置进行单层增材沉积，完成后对下一加工位置重复操作，如此循环进行，直至沉积出所有的叶片坯体4。

叶片坯体4的增材沉积工艺为：

激光功率5.0kW，扫描速度20mm/s，加工点光斑直径5mm，送粉率20g/min，搭接率30％，层厚为0.8mm，载粉气流量200L/min。

循环进行的规律为：设盘毂1圆周方向路径为1，初始加工位置为0，第二加工位置为1/2，第三加工位置为1/4，往后依次为3/4、1/8、5/8、3/8、7/8……

(4)将经增材沉积加工的叶盘按一定角度偏转后装夹至数控电解加工机床的加工台上，使待加工叶片坯体4处于竖直方向。阴极工具定位到加工原点后，通电解液，同时相向进给对叶盆2-1和叶背2-2进行加工，完成一个叶片2加工后，对下一加工叶片坯体4进行重复操作，直至完成整个整体叶盘的制造。

叶片坯体4电解加工工艺为：

电解液为10wt.％的NaCl溶液，电解液温度为40℃，进口压力为1.2MPa，出口压力为0.05MPa，加工电压为25V，脉冲占空比为70％，脉冲频率为5KHz，进给速度为0.6mm/min。

本发明制备的钛合金整体叶盘，加工性能和质量良好，工件精度和表面光洁度高，达到设计要求。其中，激光增材制造和电解加工组合制造的叶片2，室温下抗拉强度为1165MPa，屈服强度为1115MPa，均优于锻件实测力学性能(抗拉强度为1110MPa，屈服强度为1030MPa)。高效率激光增材制造叶片坯体4的表面非常粗糙，经电解加工后，叶盆2-1最大粗糙度Ra为0.94μm，叶背2-2最大粗糙度Ra为0.90μm。

实施例3

按如下步骤制备Ti60钛合金整体叶盘：

(1)将制备好的锻造Ti60钛合金盘毂1装夹在数控电解加工机床的加工台上，阴极工具与盘毂1轴线在竖直面成一定角度，定位到加工原点后，通电解液，阴极工具开始径向进给加工出凹槽3，凹槽3的深度为3mm，凹槽3的深度为最终叶片2长度的1％，长和宽与后期加工的叶片坯体4一致。完成一个单位操作后，沿圆周方向依次重复进行，直至最终加工出与该叶盘叶片2设计数目一致的全部凹槽3，得到初步加工后的盘毂1。

凹槽3的电解加工参数为：

电解液为12wt.％的NaCl溶液，电解液温度为40℃，进口压力为1.2MPa，出口压力为0MPa，加工电压为25V，脉冲占空比为70％，脉冲频率为5KHz，进给速度为0.5mm/min。

(2)将初步加工后的盘毂1利用喷砂去除表面的氧化层和电解加工产物层等残留物，对凹槽3的四个侧壁面和底面进行净化处理，得到净化处理后的盘毂1。

(3)将净化处理后的盘毂1竖直安装在激光增材制造设备的加工台上，加工台可实现对其进行任意角度周向旋转和固定。选定任一凹槽3作为初始加工位置进行单层增材沉积，完成后对下一加工位置重复操作，如此循环进行，直至沉积出所有的叶片坯体4。

叶片坯体4的增材沉积工艺为：

激光功率5.0kW，扫描速度20mm/s，加工点光斑直径5mm，送粉率20g/min，搭接率30％，层厚为0.8mm，载粉气流量200L/min。

循环进行的规律为：设盘毂1圆周方向路径为1，初始加工位置为0，第二加工位置为1/2，第三加工位置为1/4，往后依次为3/4、1/8、5/8、3/8、7/8……

(4)将经增材沉积加工的叶盘按一定角度偏转后装夹至数控电解加工机床的加工台上，使待加工叶片坯体4处于竖直方向。阴极工具定位到加工原点后，通电解液，同时相向进给对叶盆2-1和叶背2-2进行加工，完成一个叶片坯体4加工后，对下一加工叶片坯体4进行重复操作，直至完成整个整体叶盘的制造。

叶片坯体4电解加工工艺为：

电解液为12wt.％的NaCl溶液，电解液温度为40℃，进口压力为1.2MPa，出口压力为0.05MPa，加工电压为25V，脉冲占空比为70％，脉冲频率为5KHz，进给速度为0.6mm/min。

实施例4

按如下步骤制备GH4169高温合金整体叶盘：

(1)将制备好的锻造GH4169高温合金盘毂1装夹在数控电解加工机床的加工台上，阴极工具与盘毂1轴线在竖直面成一定角度，定位到加工原点后，通电解液，阴极工具开始径向进给加工出凹槽3，凹槽3的深度为3mm，凹槽3的深度为最终叶片2长度的0.5％，长和宽与后期加工的叶片坯体4一致。完成一个单位操作后，沿圆周方向依次重复进行，直至最终加工出与该叶盘叶片2设计数目一致的全部凹槽3，得到初步加工后的盘毂1。

凹槽3的电解加工参数为：

电解液为15wt.％的NaNO₃溶液，电解液温度为30℃，进口压力为0.6MPa，出口压力为0MPa，加工电压为20V，脉冲占空比为50％，脉冲频率为1KHz，进给速度为0.5mm/min。

(2)将初步加工后的盘毂1利用喷砂去除表面的氧化层和电解加工产物层等残留物，对凹槽3的四个侧壁面和底面进行净化处理，得到净化处理后的盘毂1。。

(3)将净化处理后的盘毂1初加工后的盘毂1竖直安装在激光增材制造设备的加工台上，加工台可实现对其进行任意角度周向旋转和固定。选定任一凹槽3作为初始加工位置进行单层增材沉积，完成后对下一加工位置重复操作，如此循环进行，直至沉积出所有的叶片坯体4。

叶片坯体4的增材沉积工艺为：

激光功率2.0kW，扫描速度10mm/s，加工点光斑直径3mm，送粉率10g/min，搭接率50％，层厚为0.3mm，载粉气流量200L/min。

循环进行的规律为：设盘毂1圆周方向路径为1，初始加工位置为0，第二加工位置为1/2，第三加工位置为1/4，往后依次为3/4、1/8、5/8、3/8、7/8……

(4)将经增材制造的叶盘按一定角度偏转后装夹至数控电解加工机床的加工台上，使待加工叶片坯体4处于竖直方向。阴极工具定位到加工原点后，通电解液，同时相向进给对叶盆2-1和叶背2-2进行加工，完成一个叶片坯体4加工后，对下一加工叶片坯体4进行重复操作，直至完成整个整体叶盘的制造。

叶片坯体4电解加工工艺为：

电解液为15wt.％的NaNO₃溶液，电解液温度为30℃，进口压力为0.6MPa，出口压力为0.1MPa，加工电压为20V，脉冲占空比为50％，脉冲频率为1KHz，进给速度为0.1mm/min。

本发明制备的钛合金整体叶盘，加工性能和质量良好，工件精度和表面光洁度高，达到设计要求。其中，激光增材制造和电解加工组合制造的叶片2，室温下抗拉强度为1350MPa，屈服强度为1150MPa，均达到锻件标准(抗拉强度≥1340MPa，屈服强度≥1100MPa)。高效率激光增材制造叶片坯体4的表面非常粗糙，经电解加工，叶盆2-1最大粗糙度Ra为0.42μm，叶背2-2最大粗糙度Ra为0.50μm。

实施例5

按如下步骤制备GH4169高温合金整体叶盘：

(1)将制备好的锻造GH4169高温合金盘毂1装夹在数控电解加工机床的加工台上，阴极工具与盘毂1轴线在竖直面成一定角度，定位到加工原点后，通电解液，阴极工具开始径向进给加工出凹槽3，凹槽3的深度为3mm，凹槽3的深度为最终叶片2长度的5％，长和宽与后期加工的叶片坯体4一致。完成一个单位操作后，沿圆周方向依次重复进行，直至最终加工出与该叶盘叶片2设计数目一致的全部凹槽3，得到初步加工后的盘毂1。

凹槽3的电解加工参数为：

电解液为10wt.％的NaNO₃溶液，电解液温度为30℃，进口压力为0.6MPa，出口压力为0MPa，加工电压为20V，脉冲占空比为50％，脉冲频率为1KHz，进给速度为0.5mm/min。

(2)将初步加工后的盘毂1利用喷砂去除表面的氧化层和电解加工产物层等残留物，对凹槽3的四个侧壁面和底面进行净化处理，得到净化处理后的盘毂1。。

(3)将净化处理后的盘毂1初加工后的盘毂1竖直安装在激光增材制造设备的加工台上，加工台可实现对其进行任意角度周向旋转和固定。选定任一凹槽3作为初始加工位置进行单层增材沉积，完成后对下一加工位置重复操作，如此循环进行，直至沉积出所有的叶片坯体4。

叶片坯体4的增材沉积工艺为：

激光功率2.0kW，扫描速度10mm/s，加工点光斑直径3mm，送粉率10g/min，搭接率50％，层厚为0.3mm，载粉气流量200L/min。

循环进行的规律为：设盘毂1圆周方向路径为1，初始加工位置为0，第二加工位置为1/2，第三加工位置为1/4，往后依次为3/4、1/8、5/8、3/8、7/8……

(4)将经增材制造的叶盘按一定角度偏转后装夹至数控电解加工机床的加工台上，使待加工叶片坯体4处于竖直方向。阴极工具定位到加工原点后，通电解液，同时相向进给对叶盆2-1和叶背2-2进行加工，完成一个叶片2加工后，对下一加工叶片坯体4进行重复操作，直至完成整个整体叶盘的制造。

叶片2电解加工工艺为：

电解液为10wt.％的NaNO₃溶液，电解液温度为30℃，进口压力为0.6MPa，出口压力为0.1MPa，加工电压为20V，脉冲占空比为50％，脉冲频率为1KHz，进给速度为0.1mm/min。

实施例6

按如下步骤制备GH4169高温合金整体叶盘：

(1)将制备好的锻造GH4169高温合金盘毂1装夹在数控电解加工机床的加工台上，阴极工具与盘毂1轴线在竖直面成一定角度，定位到加工原点后，通电解液，阴极工具开始径向进给加工出凹槽3，凹槽3的深度为3mm，长和宽与后期加工的叶片坯体4一致。完成一个单位操作后，沿圆周方向依次重复进行，直至最终加工出与该叶盘叶片2设计数目一致的全部凹槽3，得到初步加工后的盘毂1。

凹槽3的电解加工参数为：

电解液为13wt.％的NaNO₃溶液，电解液温度为30℃，进口压力为0.6MPa，出口压力为0MPa，加工电压为20V，脉冲占空比为50％，脉冲频率为1KHz，进给速度为0.5mm/min。

(2)将初步加工后的盘毂1利用喷砂去除表面的氧化层和电解加工产物层等残留物，对凹槽3的四个侧壁面和底面进行净化处理，得到净化处理后的盘毂1。。

(3)将净化处理后的盘毂1初加工后的盘毂1竖直安装在激光增材制造设备的加工台上，加工台可实现对其进行任意角度周向旋转和固定。选定任一凹槽3作为初始加工位置进行单层增材沉积，完成后对下一加工位置重复操作，如此循环进行，直至沉积出所有的叶片坯体4。

叶片坯体4的增材沉积工艺为：

激光功率2.0kW，扫描速度10mm/s，加工点光斑直径3mm，送粉率10g/min，搭接率50％，层厚为0.3mm，载粉气流量200L/min。

循环进行的规律为：设盘毂1圆周方向路径为1，初始加工位置为0，第二加工位置为1/2，第三加工位置为1/4，往后依次为3/4、1/8、5/8、3/8、7/8……

(4)将经增材制造的叶盘按一定角度偏转后装夹至数控电解加工机床的加工台上，使待加工叶片坯体4处于竖直方向。阴极工具定位到加工原点后，通电解液，同时相向进给对叶盆2-1和叶背2-2进行加工，完成一个叶片坯体4加工后，对下一加工叶片坯体4进行重复操作，直至完成整个整体叶盘的制造。

叶片坯体4电解加工工艺为：

电解液为13wt.％的NaNO₃溶液，电解液温度为30℃，进口压力为0.6MPa，出口压力为0.1MPa，加工电压为20V，脉冲占空比为50％，脉冲频率为1KHz，进给速度为0.1mm/min。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种增材制造与电解加工精确成形的整体叶盘制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，将盘毂(1)夹装在数控电解加工机床上，通过电解加工在盘毂(1)的外环面(1-2)上加工若干个凹槽(3)，制得初步加工后的盘毂(1)；所述凹槽(3)用于承载和固定连接叶片(2)的内端，凹槽(3)的数量和盘毂(1)中叶片(2)的设计数量相同；

步骤2，将初步加工后的盘毂(1)置于激光增材制造设备中，在每一个凹槽(3)内通过激光增材制造沉积出叶片坯体(4)，形成过程叶盘；

步骤3，将过程叶盘夹装在数控电解加工机床上，对每一个叶片坯体(4)进行电解加工，形成每一个叶片(2)的叶盆(2-1)和叶背(2-2)；完成整体叶盘的制备。

2.根据权利要求1所述的一种增材制造与电解加工精确成形的整体叶盘制备方法，其特征在于，步骤1中，所述凹槽(3)为弧状凹槽，凹槽(3)的长侧壁为弧面；凹槽(3)的形状及尺寸与叶片(2)在盘毂(1)内部分的形状和尺寸相同，相邻凹槽(3)之间的距离相等。

3.根据权利要求2所述的一种增材制造与电解加工精确成形的整体叶盘制备方法，其特征在于，步骤1中，数控电解加工机床的阴极工具加工每一个凹槽(3)时，从外环面(1-2)开始沿着盘毂(1)的径向加工；加工完一个凹槽(3)后，盘毂(1)沿其周向转动，使得相邻的待加工凹槽(3)位于阴极工具对应处，同时阴极工具退回至原点，开始加工待加工的凹槽(3)，依次类推，直至盘毂(1)上所有的凹槽(3)加工完成。

4.根据权利要求2所述的一种增材制造与电解加工精确成形的整体叶盘制备方法，其特征在于，步骤1中，加工过程中，盘毂(1)的轴线为竖直方向；凹槽(3)的任意一个长侧壁两端的连线和盘毂(1)的轴线夹角为α，0°＜α＜90°。

5.根据权利要求2所述的一种增材制造与电解加工精确成形的整体叶盘制备方法，其特征在于，步骤1中，每一个凹槽(3)的深度为叶片(2)长度的0.5％-5％，每一个凹槽(3)的长和宽与步骤2中叶片坯体(4)的长和宽相等。

6.根据权利要求1所述的一种增材制造与电解加工精确成形的整体叶盘制备方法，其特征在于，步骤2中，沉积叶片坯体(4)的具体过程为：

步骤2.1，将初步加工后的盘毂(1)竖直安装在激光增材制造设备的加工台上；

步骤2.2，选择任一凹槽(3)作为初始加工位置进行单层增材沉积，将盘毂(1)旋转1/2圈后，在第二加工位置处的凹槽(3)进行单层增材沉积，所述第二加工位置处的凹槽(3)和初始加工位置处凹槽(3)相对于盘毂(1)的圆心对称；将盘毂(1)旋转3/4圈后，进行第三加工位置处凹槽(3)的单层增材沉积，所述第三加工位置为初始加工位置旋转1/4处；再将盘毂(1)旋转1/2圈，转动至第四加工位置进行单层增材沉积，所述第四加工位置为初始加工位置旋转3/4处，依次类推，依次在相对于初始加工位置的1/8、5/8、3/8、7/8、1/16…处的凹槽(3)进行单层增材沉积，直至盘毂(1)上的所有凹槽(3)单层增材沉积结束；

步骤2.3，重复步骤2.2再次进行单层增材沉积，不断重复步骤2.2，直至沉积出盘毂(1)上的所有叶片坯体(4)，形成过程叶盘。

7.根据权利要求1所述的一种增材制造与电解加工精确成形的整体叶盘制备方法，其特征在于，步骤2中，激光增材制造在氩气保护环境中进行，所述叶片坯体(4)的材质和盘毂(1)的材质相同。

8.根据权利要求1所述的一种增材制造与电解加工精确成形的整体叶盘制备方法，其特征在于，步骤3的具体过程为：

步骤3.1，将过程叶盘夹装在数控电解加工机床上，选择任一叶片坯体(4)作为初始加工的叶片坯体(4)，所述初始加工的叶片坯体(4)处于竖直方向；

步骤3.2，将两个阴极工具分别定位到各自的加工原点后，通电解液后相向进给对叶盆(2-1)和叶背(2-2)进行加工，完成一个叶片(2)加工；

步骤3.3，转动盘毂(1)，同时将两个阴极工具均退回至加工原点，重复步骤3.2对下一加工叶片坯体(4)进行重复操作，直至完成整个整体叶盘的制造。

9.根据权利要求1所述的一种增材制造与电解加工精确成形的整体叶盘制备方法，其特征在于，步骤2，在凹槽(3)内沉积出叶片坯体(4)前，对凹槽(3)四个壁面及底面进行净化处理，所述净化处理的方法为喷砂。

10.根据权利要求1-9任意一项所述的一种增材制造与电解加工精确成形的整体叶盘制备方法，其特征在于，步骤1和步骤3中，电解加工过程中，电解液为10～15wt.％的NaNO₃溶液或10～15wt.％的NaCl溶液。