CN111112616A - 一种换热器芯体及其slm增材制造方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种换热器芯体及其SLM增材制造方法，该方法包括如下步骤：构建换热器芯体的三维模型，调整三维模型与所述基板的位置关系；将所述三维模型分层处理，并设计加工参数和激光扫描路径，加工参数的设定包括对轮廓工艺参数及轮廓偏置和实体参数的设置，生成最终打印文件；将增材成型所需粉末经预处理后装入粉仓；将增材成型所需基板预处理后达到使用条件，然后将成型室内抽真空并充入保护气；然后根据打印文件中设置的参数，逐层进行铺粉、通道轮廓和实体部分扫描，最终形成换热器芯体零件。本申请提供的制造方法使得换热器芯体的成形质量优异，保证了实体部分致密度达99％以上，并使得微通道部分挂渣较少。

Description

一种换热器芯体及其SLM增材制造方法

技术领域

本申请属于增材制造技术领域，尤其涉及一种换热器芯体及其SLM增材制造方法。

背景技术

随着天然气的应用越来越广泛，天然气高效和安全的储存及运输需求也日渐高涨，这其中需对天然气进行液-气态转换，而紧凑高效的微细通道换热器是实现这个过程的关键部件。

具有微通道结构的换热器一般选用低温力学性能较好且耐腐蚀的316L不锈钢。换热器芯体为横纵交错的微通道结构，通道形状为半圆形、圆形、椭圆形、矩形等，通道尺寸一般在0.5mm～1.5mm之间。其中横向和纵向通道分别通两种流质来实现不同流质之间的热量交换，以使天然气实现液-气转换。因此，换热器微通道结构的连通性显得尤为重要。

目前，微通道换热器主要采用化学刻蚀加扩散焊的方式进行制造。但是这种工艺工序复杂、耗时长，因此可以采用增材制造成形具有微细通道结构的换热器，但是在通道孔径较为微细的情况下，悬垂结构的存在造成的塌陷、挂渣等缺陷使得通道堵塞，影响到通道的连通性。

发明内容

为了解决目前增材制造换热器芯体中存在的悬垂挂渣导致的通道成形质量差等问题，本申请第一方面提供了一种换热器芯体，包括横纵交错的多排微通道结构。

本申请第二方面提供了一种换热器芯体的SLM增材制造方法，包括如下步骤：

步骤1、构建换热器芯体的三维模型，调整三维模型与所述基板的位置关系；将所述三维模型分层处理，并设计加工参数和激光扫描路径，加工参数的设定包括对轮廓工艺参数及轮廓偏置和实体参数的设置，生成最终打印文件；

步骤2、将增材成型所需粉末经预处理后装入粉仓；

步骤3、将增材成型所需基板预处理后达到使用条件，然后将成型室内抽真空并充入保护气；

步骤4、根据步骤3打印文件中设置的参数，逐层进行铺粉、通道轮廓和实体部分扫描，最终形成换热器芯体零件。

可选的，步骤3中横向通道轮廓参数设置如下：

设置下表皮偏置，偏置设置范围为其孔径的10％～20％；且设置下表皮扫描功率为100W，扫描速度为900～1000m/s。

可选的，步骤3中纵向通道轮廓参数设置如下：

设置轮廓偏置，偏置设置范围为其孔径的5％～10％；且设置轮廓扫描功率为100W，扫描速度为300～500mm/s。

可选的，步骤3中实体部分的参数设置如下：

激光光斑直径为70～80μm，扫描功率为200～285W，扫描速度为700～900mm/s，扫描间距110～130μm，层厚20～30μm。

可选的，步骤3中进行参数设置时，还包括如下对扫描顺序的设定：

铺粉结束后先进行轮廓扫描，再进行实体部分填充，且填充扫描策略为条带方式，条带宽度为10mm。

可选的，步骤4中所述逐层进行铺粉、通道轮廓和实体部分扫描具体包括：

根据预设的切片形状和激光扫描策略，按照设置的加工参数，先扫描通道轮廓部分粉末，再扫描实体部分粉末，随后基板下降设定厚度的距离，再在熔化层上重新预置与基板下降厚度相同厚度的粉末，再次激光扫描铺设的粉末，每层只需要进行一次激光扫描，得到平整熔化层，如此逐层重复操作，最终形成换热器芯体零件。

可选的，步骤1中所述粉末在装入粉仓前预处理过程如下：

采用气雾化方法制备316L球形粉末，并将粉末放置在真空烘干箱中，升温至120℃保温1～2个小时，后冷却至室温，并将干燥后粉末过筛。

可选的，步骤2中所述基板预处理过程如下：

所述基板采用不锈钢基板，用酒精清洗干净后，将其调整至与成型室内的基板同一水平面，并将基板预热至100～150℃。

可选的，步骤2中所述成型室内抽真空并充入保护气具体包括：

用真空泵将成型室内真空度抽至-60KPa，再向成型室内充入保护气体，所述保护气体为氩气，并保证激光成型过程中密封成型室内氧含量始终低于200ppm。

与现有技术相比，本申请具有以下有益的技术效果：

本申请提供的制造方法使得换热器芯体的成形质量优异，保证了实体部分零件致密度达99％以上，并使得微通道部分挂渣较少，通道均可连通，且不同流质之间的通道互不连通。

附图说明

图1是具有微通道的换热器芯体结构示意图；

图2是换热器芯体进行增材制造时与基板的摆放位置示意图；

图3是横向通道直径与设计值的比值，随下表皮偏置及下表皮轮廓扫描速度的变化规律图；

图4是纵向通道直径与设计值的比值，随轮廓偏置及轮廓扫描速度的变化规律图。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本申请的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施例对本申请进行详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本申请。

一种换热器芯体，包括横纵交错的多排微通道结构；其中通道结构可以为截面为半圆形的微通道结构，且通道直径优选分布在0.5mm～1.5mm之间。

对于上述通道细长且横纵交错的结构，采用增材制造进行制备容易因为悬垂结构的存在引起塌陷及挂渣等缺陷使得通道堵塞不连通。此外，传统偏置及参数设置是针对实体块的形状精度和上表面粗糙度，没有针对悬垂结构尤其是微细通道结构的偏置及下表皮或轮廓的扫描参数，若采用惯用方法直接制造成形，微细通道塌陷及挂渣现象严重，通道堵塞无法连通。

因此本申请提出可以通过设置轮廓偏置及改良工艺参数，来保证孔的的形状精度的一种换热器芯体的SLM增材制造方法，包括如下步骤：

步骤1、构建换热器芯体的三维模型，调整三维模型与所述基板的位置关系；将所述三维模型分层处理，并设计加工参数和激光扫描路径，加工参数的设定包括对轮廓工艺参数及轮廓偏置和实体参数的设置，生成最终打印文件；

步骤2、将增材成型所需粉末经预处理后装入粉仓；

步骤3、将增材成型所需基板预处理后达到使用条件，然后将成型室内抽真空并充入保护气；

步骤4、根据步骤3打印文件中设置的参数，逐层进行铺粉、通道轮廓和实体部分扫描，最终形成换热器芯体零件。

具体的，本发明人还发现，对于横向通道，形状精度可以通过设置下表皮偏置来保证，还可以通过调整下表皮的激光功率及扫描速度来降低表面粗糙度，进而零件的形状精度也会得到提高。随着正向偏置的增加，实际成形的通道孔径会增加。将通道轮廓激光功率和扫描速度与实体部分的功率和速度分开设置，并在实体扫描之前先采用较小的功率和较大的速度扫描轮廓，可以给后续实体部分的扫描提供支撑力，有效的减少悬垂区域的塌陷及挂渣等缺陷，且较小的激光功率和较大的扫描速度也有利于表面粗糙度的改善。

因此，步骤3中横向通道轮廓优选的参数设置如下：

设置下表皮偏置，偏置设置范围为其孔径的10％～20％；且设置下表皮扫描功率为100W，扫描速度为900～1000m/s。

更进一步的，本发明人还发现，对于纵向通道，形状精度可以通过设置轮廓偏置来保证，表面粗糙度可以通过调整轮廓扫描的激光功率和扫描速度来降低。对于纵向通道，其形状精度主要受到光斑直径的影响，为了降低其对通道孔径的影响，在实际制造时添加正偏置来抵消光斑直径对于通道半圆孔孔径的影响。在通道处采用较小的激光功率和较小的扫描速度可以改善通道内表面粗糙度，进一步提高通道的形状精度。

因此，步骤3中纵向通道轮廓优选的参数设置如下：

设置轮廓偏置，偏置设置范围为其孔径的5％～10％；且设置轮廓扫描功率为100W，扫描速度为300～500mm/s。

此外，本发明人还将通道直径与设计值的比值、轮廓偏置及轮廓扫描速度两部分进行了对比分析，如图3和4所示，其中，图3是横向通道直径与设计值的比值，随下表皮偏置及下表皮轮廓扫描速度的变化规律图；图4是纵向通道直径与设计值的比值，随轮廓偏置及轮廓扫描速度的变化规律图。从图中可以看出，通道的孔径随着偏置的增加而逐渐增加，且均在设计值上下变动，因此可以采用调整偏置的方式使得孔径的形状精度得到改善。

为了保证实体部分的致密度，步骤3中实体部分优选的参数设置如下：

激光光斑直径为70～80μm，扫描功率为200～285W，扫描速度为700～900mm/s，扫描间距110～130μm，层厚20～30μm。

在一种可实现的方式中，步骤3中进行参数设置时，还可以包括如下对扫描顺序的设定：

铺粉结束后先进行轮廓扫描，再进行实体部分填充，且填充扫描策略为条带方式，条带宽度为10mm。

在一种可实现的方式中，步骤4中所述逐层进行铺粉、通道轮廓和实体部分扫描可以包括：

根据预设的切片形状和激光扫描策略，按照设置的加工参数，先扫描通道轮廓部分粉末，再扫描实体部分粉末，随后基板下降设定厚度的距离，再在熔化层上重新预置与基板下降厚度相同厚度的粉末，再次激光扫描铺设的粉末，每层只需要进行一次激光扫描，得到平整熔化层，如此逐层重复操作，最终形成换热器芯体零件。

在一种可实现的方式中，步骤1中所述粉末在装入粉仓前预处理过程如下：

采用气雾化方法制备316L球形粉末，并将粉末放置在真空烘干箱中，升温至120℃保温1～2个小时，后冷却至室温，并将干燥后粉末过筛。

在一种可实现的方式中，步骤2中所述基板预处理过程如下：

所述基板采用不锈钢基板，用酒精清洗干净后，将其调整至与成型室内的基板同一水平面，并将基板预热至100～150℃。

在一种可实现的方式中，步骤2中所述成型室内抽真空并充入保护气具体包括：

用真空泵将成型室内真空度抽至-60KPa，再向成型室内充入保护气体，所述保护气体为氩气，并保证激光成型过程中密封成型室内氧含量始终低于200ppm。

实施例1

制备微通道孔径为1.5mm的换热器芯体结构。

步骤a)模型构建：构建所需制备结构零件的三维模型，调整模型与基板的相对位置关系。将构建成的三维模型输入Magics软件进行分层处理，将处理后的数据输入激光扫描路径生成软件进而生成打印文件。分别对轮廓参数和实体参数进行设置，并对轮廓参数设置偏置。设置扫描顺序为：铺粉结束后先进行轮廓扫描，再进行实体部分填充，且填充扫描策略为条带方式，条带宽度为10mm。

关于偏置的设置如下：对于横向通道，设置下表皮偏置，偏置设置范围为其孔径的10％；对于纵向通道，设置轮廓偏置，偏置设置范围为其孔径的5％。

对于横向通道下表皮轮廓扫描功率为100W，扫描速度为900m/s；对于横向通道轮廓扫描功率为100W，扫描速度为300mm/s。

实体部分的参数设置为：激光光斑直径为70μm，扫描功率为200W，扫描速度为700mm/s，扫描间距110μm，层厚20μm。

步骤b)准备粉末：采用气雾化方法制备316L球形粉末，粉末粒径为15～53μm。将成形后的粉末放置在真空烘干箱中，升温至120℃保温1个小时，后冷却至室温，并将粉末过筛装入粉仓中。

步骤c)成型室准备：基板采用不锈钢基板，用酒精清洗干净后，将其调整至与成型室内的基板同一水平面，并将基板预热至100℃。用真空泵将成型室内真空度抽至-60KPa，再向成型室内充入保护气体，所述保护气体为氩气，并保证激光成型过程中密封成型室内氧含量始终低于200ppm。

步骤d)选区激光熔化：制造设备根据软件设计的切片形状和激光扫描策略，按照设置的加工参数，先扫描通道轮廓部分粉末，再扫描实体部分粉末，熔化第一层316L不锈钢粉末，随后不锈钢基板下降设定厚度的距离，再在316L不锈钢熔化层上重新预置与不锈钢基板下降厚度相同厚度的316L粉末，再次激光扫描铺设的不锈钢粉末，每层只需要进行一次激光扫描，得到平整的熔化层。

步骤e)重复步骤d即可获得成形零件。

实施例2

制备微通道孔径为1.5mm的换热器芯体结构。

步骤a)模型构建：构建所需制备结构零件的三维模型，调整模型与基板的相对位置关系。将构建成的三维模型输入Magics软件进行分层处理，将处理后的数据输入激光扫描路径生成软件进而生成打印文件。并分别对轮廓参数和实体参数进行设置，并对轮廓参数设置偏置。设置扫描顺序为：铺粉结束后先进行轮廓扫描，再进行实体部分填充，且填充扫描策略为条带方式，条带宽度为10mm。

关于偏置的设置如下：对于横向通道，设置下表皮偏置，偏置设置范围为其孔径的15％；对于纵向通道，设置轮廓偏置，偏置设置范围为其孔径的7％。

对于横向通道下表皮轮廓扫描功率为100W，扫描速度为950m/s；对于横向通道轮廓扫描功率为100W，扫描速度为400mm/s。

实体部分的参数设置为：激光光斑直径为75μm，扫描功率为240W，扫描速度为800mm/s，扫描间距120μm，层厚25μm。

步骤b)准备粉末：采用气雾化方法制备316L球形粉末，粉末粒径为15～53μm。将成形后的粉末放置在真空烘干箱中，升温至120℃保温1.5个小时，后冷却至室温，并将粉末过筛装入粉仓中。

步骤c)成型室准备：基板采用不锈钢基板，用酒精清洗干净后，将其调整至与成型室内的基板同一水平面，并将基板预热至125℃。用真空泵将成型室内真空度抽至-60KPa，再向成型室内充入保护气体，所述保护气体为氩气，并保证激光成型过程中密封成型室内氧含量始终低于200ppm。

步骤d)选区激光熔化：制造设备根据软件设计的切片形状和激光扫描策略，按照设置的加工参数，先扫描通道轮廓部分粉末，再扫描实体部分粉末，熔化第一层316L不锈钢粉末，随后不锈钢基板下降设定厚度的距离，再在316L不锈钢熔化层上重新预置与不锈钢基板下降厚度相同厚度的316L粉末，再次激光扫描铺设的不锈钢粉末，每层只需要进行一次激光扫描，得到平整的熔化层。

步骤e)重复步骤d即可获得成形零件。

实施例3

制备微通道孔径为1.5mm的换热器芯体结构。

步骤a)模型构建：构建所需制备结构零件的三维模型，调整模型与基板的相对位置关系。将构建成的三维模型输入Magics软件进行分层处理，将处理后的数据输入激光扫描路径生成软件进而生成打印文件。并分别对轮廓参数和实体参数进行设置，并对轮廓参数设置偏置。设置扫描顺序为：铺粉结束后先进行轮廓扫描，再进行实体部分填充，且填充扫描策略为条带方式，条带宽度为10mm。

关于偏置的设置如下：对于横向通道，设置下表皮偏置，偏置设置范围为其孔径的20％；对于纵向通道，设置轮廓偏置，偏置设置范围为其孔径的10％。

对于横向通道下表皮轮廓扫描功率为100W，扫描速度为1000m/s；对于横向通道轮廓扫描功率为100W，扫描速度为500mm/s。

实体部分的参数设置为：激光光斑直径为80μm，扫描功率为285W，扫描速度为900mm/s，扫描间距130μm，层厚30μm。

步骤b)准备粉末：采用气雾化方法制备316L球形粉末，粉末粒径为15～53μm。将成形后的粉末放置在真空烘干箱中，升温至120℃保温2个小时，后冷却至室温，并将粉末过筛装入粉仓中。

步骤c)成型室准备：基板采用不锈钢基板，用酒精清洗干净后，将其调整至与成型室内的基板同一水平面，并将基板预热至150℃。用真空泵将成型室内真空度抽至-60KPa，再向成型室内充入保护气体，所述保护气体为氩气，并保证激光成型过程中密封成型室内氧含量始终低于200ppm。

步骤d)选区激光熔化：制造设备根据软件设计的切片形状和激光扫描策略，按照设置的加工参数，先扫描通道轮廓部分粉末，再扫描实体部分粉末，熔化第一层316L不锈钢粉末，随后不锈钢基板下降设定厚度的距离，再在316L不锈钢熔化层上重新预置与不锈钢基板下降厚度相同厚度的316L粉末，再次激光扫描铺设的不锈钢粉末，每层只需要进行一次激光扫描，得到平整的熔化层。

步骤e)重复步骤d即可获得成形零件。

最后应说明的是，以上实施例仅用以说明本申请的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本申请进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本申请的技术方案进行修改或等同替换，而不脱离本申请技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种换热器芯体，其特征在于：包括横纵交错的多排微通道结构。

2.一种如权利要求1所述的换热器芯体的SLM增材制造方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤1、构建换热器芯体的三维模型，调整三维模型与所述基板的位置关系；将所述三维模型分层处理，并设计加工参数和激光扫描路径，加工参数的设定包括对轮廓工艺参数及轮廓偏置和实体工艺参数的设置，生成最终打印文件；

步骤2、将增材成型所需粉末经预处理后装入粉仓；

步骤3、将增材成型所需基板预处理后达到使用条件，然后将成型室内抽真空并充入保护气；

步骤4、根据步骤3打印文件中设置的参数，逐层进行铺粉、通道轮廓和实体部分扫描，最终形成换热器芯体零件。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：步骤3中横向通道轮廓参数设置如下：

设置下表皮偏置，偏置设置范围为其孔径的10％～20％；且设置下表皮扫描功率为100W，扫描速度为900～1000m/s。

4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：步骤3中纵向通道轮廓参数设置如下：

设置轮廓偏置，偏置设置范围为其孔径的5％～10％；且设置轮廓扫描功率为100W，扫描速度为300～500mm/s。

5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：步骤3中实体部分的参数设置如下：

激光光斑直径为70～80μm，扫描功率为200～285W，扫描速度为700～900mm/s，扫描间距110～130μm，层厚20～30μm。

6.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：步骤3中进行参数设置时，还包括如下对扫描顺序的设定：

铺粉结束后先进行轮廓扫描，再进行实体部分填充，且填充扫描策略为条带方式，条带宽度为10mm。

7.根据权利要求2-6中任一项所述的方法，其特征在于：步骤4中所述逐层进行铺粉、通道轮廓和实体部分扫描具体包括：

根据预设的切片形状和激光扫描策略，按照设置的加工参数，先扫描通道轮廓部分粉末，再扫描实体部分粉末，随后基板下降设定厚度的距离，再在熔化层上重新预置与基板下降厚度相同厚度的粉末，再次激光扫描铺设的粉末，每层只需要进行一次激光扫描，得到平整熔化层，如此逐层重复操作，最终形成换热器芯体零件。

8.根据权利要求2-6中任一项所述的方法，其特征在于：步骤1中所述粉末在装入粉仓前预处理过程如下：

采用气雾化方法制备316L球形粉末，并将粉末放置在真空烘干箱中，升温至120℃保温1～2个小时，后冷却至室温，并将干燥后粉末过筛。

9.根据权利要求2-6中任一项所述的方法，其特征在于：步骤2中所述基板预处理过程如下：

所述基板采用不锈钢基板，用酒精清洗干净后，将其调整至与成型室内的基板同一水平面，并将基板预热至100～150℃。

10.根据权利要求2-6中任一项所述的方法，其特征在于：步骤2中所述成型室内抽真空并充入保护气具体包括：

用真空泵将成型室内真空度抽至-60KPa，再向成型室内充入保护气体，所述保护气体为氩气，并保证激光成型过程中密封成型室内氧含量始终低于200ppm。

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