CN111604501A - 一种钛合金横孔的激光选区熔化无支撑成形方法 - Google Patents

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Abstract

本发明一种钛合金横孔的激光选区熔化无支撑成形方法，对含有横孔结构的三维模型进行缺陷检测，对检测出缺陷进行修复后，得到修复后的有横孔结构的三维模型；确定修复后的有横孔结构的三维模型的摆放位置，不对横孔结构添加工艺支撑；设定激光选区熔化工艺参数，在设定的激光选区熔化工艺参数控制下，对模型进行分层切片处理，得到分层切片后的横孔结构的三维模型；将分层切片后的横孔结构的三维模型导入到激光选区熔化成形设备，采用钛合金粉末，通过在基板上逐层铺粉与激光选区熔化的方式，完成横孔结构的无支撑成形，得到成形零件；步骤四、对成形零件进行清理、退火热处理及线切割，最终得到含有横孔结构的钛合金零件，实现无支撑成形。

Description

一种钛合金横孔的激光选区熔化无支撑成形方法
技术领域
本发明涉及一种钛合金横孔的激光选区熔化无支撑成形方法，属于激光选区熔化成形技术领域。
背景技术
含有复杂内流道结构的钛合金阀体类零件需要在有限的空间内实现对不同介质流体的高压传输与有效调控，对内腔形状和性能指标都有较高的要求，是航空航天、核电军工等领域精密控制和动力单元的核心连接部件。现有的钛合金阀体制造工艺主要为铸造、模锻、机加+焊接，由于材料特性和工艺约束，阀体构型不得不采用内腔简单、形状规则的结构形式，同时存在加工工序多、原材料利用率低、工艺质量难以控制等缺陷。
激光选区熔化(Selective Laser Melting,SLM)成形技术以高能激光为热源，通过选择性地熔化金属粉末床区域，经过逐层叠加，进而实现任意复杂三维结构的加工成形。该技术解放了传统工艺约束，进一步提高了材料使用效率，为阀体类零件的结构与功能一体化设计、制造提供了可能。然而，由于阀体零件内流道结构复杂，通过调整模型的摆放姿态，仍存在水平方向的横孔结构。在SLM成形时，对直径超过6mm的横孔结构需要添加辅助支撑结构，或将圆孔截面改为水滴状，以此实现悬空特征的堆叠成形并降低零件翘曲变形的风险。添加辅助支撑将导致复杂流道内部的辅助支撑结构无法去除，修改流道截面形状则改变了阀体流道的原始设计性能。
因此，寻求一种可实现钛合金横孔结构的激光选区熔化无支撑成形方法，为阀体最优结构设计结果的制造应用提供可能是本领域技术人员亟待解决的问题。
发明内容
本发明解决的技术问题为：克服上述现有技术的不足，提供一种钛合金横孔的激光选区熔化无支撑成形方法，实现复杂内流道结构的整体、无支撑制造成形。
本发明解决的技术方案为：一种钛合金横孔的激光选区熔化无支撑成形方法，步骤如下：
步骤一、对含有横孔结构的三维模型进行缺陷检测，对检测出缺陷进行修复后，得到修复后的有横孔结构的三维模型；根据修复后的有横孔结构的三维模型中横孔轴线与铺粉方向，确定修复后的有横孔结构的三维模型的摆放位置，不对横孔结构添加工艺支撑，得到待分层的有横孔结构的三维模型；
步骤二、设定激光选区熔化工艺参数，在设定的激光选区熔化工艺参数控制下，对步骤一得到的待分层的有横孔结构的三维模型进行分层切片处理，得到分层切片后的横孔结构的三维模型；
步骤三、将分层切片后的横孔结构的三维模型导入到激光选区熔化成形设备，采用钛合金粉末，通过在基板上逐层铺粉与激光选区熔化的方式，完成横孔结构的无支撑成形，得到成形零件；
步骤四、对成形零件进行清理、退火热处理及线切割，最终得到含有横孔结构的钛合金零件。
优选的，所述钛合金为Ti6Al4V。
优选的，横孔结构的直径范围为6mm～15mm，壁厚大于0.6mm。
优选的，需要修复的模型缺陷为以下一个或多个缺陷，包括：反向三角面片、坏边和错误轮廓、缝隙、孔洞、干扰壳体、多重壳体、重叠和交叉的三角面片。
优选的，步骤一中，模型的摆放方向为使横孔轴线与铺粉方向之间的夹角小于45°。
优选的，所述步骤三中，钛合金粉末的粒度分布D10(粉末粒度累计分布图中体积含量为10％的颗粒所对应的直径范围)为15～25mm、D50(粉末粒度累计分布图中体积含量为50％的颗粒所对应的直径范围)为30～40mm、D90(粉末粒度累计分布图中体积含量为90％的颗粒所对应的直径范围)为45～55mm，流动性小于30s/50g，松装密度大于2.2g/cm3，振实密度大于2.6g/cm3，粉末形状为球形或近似球形且质量分数不小于97％。
优选的，所述步骤三中，使用金属刮刀进行铺粉操作；激光选区熔化过程在氩气气氛保护环境中进行；成形零件加工完成后在成形室内冷却至室温。
优选的，所述步骤四中，使用高压气枪将成形零件内、外表面的浮粉清理干净后连同基板一起进行退火热处理，热处理工艺参数为：真空度低于2×10-2Pa，温度750℃～850℃，保温时间4h～6h，随炉冷却。
优选的，激光选区熔化成形数据准备软件，优选为Magics软件。
优选的，导入到激光选区熔化成形数据准备软件中的含有横孔结构的三维模型，其文件格式为标准三角形语言(standard triangulation language,STL)文件。
本发明与现有技术相比的有益效果在于：
(1)本发明根据激光选区熔化成形技术的工艺原理与成形特征，通过优化横孔结构的摆放方向，实现了6～15mm直径钛合金横孔结构的无支撑打印成形，解决了横孔内部支撑结构去除困难的问题。
(2)本发明采用层间旋转30°～90°的线性交叉实体扫描策略，提高了横孔悬垂面周围实体结构的支撑强度，同时有效降低实体边缘的翘曲变形，实现了成形过程中6～15mm直径钛合金横孔弧形悬垂面的无支撑成形。
(3)本发明提供的钛合金横孔激光选区熔化无支撑成形方法，通过对水平方向孔结构的无支撑直接成形，提升了激光选区熔化技术成形管路结构的能力，为实现阀体零件复杂内流道结构的无支撑整体成形提供解决方案。
附图说明
图1为本发明提供的成形方法流程图；
图2为本发明实施例结构与摆放方向示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细描述。
本发明一种钛合金横孔的激光选区熔化无支撑成形方法，步骤一、对含有横孔结构的三维模型进行缺陷检测，对检测出缺陷进行修复后，得到修复后的有横孔结构的三维模型；根据修复后的有横孔结构的三维模型中横孔轴线与铺粉方向，确定修复后的有横孔结构的三维模型的摆放位置，不对横孔结构添加工艺支撑；步骤二、设定激光选区熔化工艺参数，在设定的激光选区熔化工艺参数控制下，对步骤一修复后的有横孔结构的三维模型进行分层切片处理，得到分层切片后的横孔结构的三维模型；步骤三、将分层切片后的横孔结构的三维模型导入到激光选区熔化成形设备，采用钛合金粉末，通过在基板上逐层铺粉与激光选区熔化的方式，完成横孔结构的无支撑成形，得到成形零件；步骤四、对成形零件进行清理、退火热处理及线切割，最终得到含有横孔结构的钛合金零件。
含有多通道结构的阀体集结构设计与功能实现于一体，是管路精密控制单元中的关键零件。受限于现有传统制造工艺的可行性，阀体内流道结构的最佳构型无法实现，只能采用平面布局、直孔联接的简单形式，且加工工序繁复、原材料利用率低、工艺质量难以控制。
激光选区熔化(Selective Laser Melting,SLM)成形技术具有高成形自由度、响应迅速、材料利用率高的特点，摆脱了模具、工装的束缚，为含有弧形弯曲、立体布局等复杂内流道结构的阀体零件直接成形提供了可能。但是，对于直径大于6mm的复杂内流道结构，激光选区熔化成形过程中存在以下技术问题：(1)需要在横孔结构中添加工艺支撑，弯曲横孔内部的支撑结构无法去除；(2)将横孔截面改为水滴状，无法实现阀体流道的最优结构设计与功能实现。
本发明提供的一种钛合金横孔的激光选区熔化无支撑成形方法，通过优化横孔结构的摆放方向，采用层间旋转30°～90°的线性交叉实体扫描策略，能够实现6～15mm直径钛合金横孔结构的无支撑激光选区熔化成形，为阀体零件复杂内流道结构的无支撑整体成形提供解决方案。
如图1所示，一种钛合金横孔的激光选区熔化无支撑成形方法，优选方案步骤如下：
步骤一、对含有横孔结构的三维模型进行缺陷检测，对检测出的缺陷进行修复后，得到修复后的有横孔结构的三维模型；根据修复后的有横孔结构的三维模型中横孔轴线与铺粉方向，确定修复后的有横孔结构的三维模型的摆放位置，不对横孔结构添加工艺支撑，得到待分层的有横孔结构的三维模型；优选方案具体如下：
对含有横孔结构的三维模型进行缺陷检测，优选可以将含有横孔结构的三维模型导入激光选区熔化成形数据准备软件，进行缺陷检测。
横孔结构，定义为：确定模型的成形方向与摆放位置后，轴线与激光选区熔化材料逐层堆积增高方向(如图2所示的Z向)相垂直的孔。
如图2所示，Z向是指：材料逐层叠加成形过程中，层的法向，即第一层指向后续层的方向。
铺粉方向是指：从激光选区熔化设备正面看去，面向成形空间时从左至右及从右至左的方向。
根据如图2所示的实施例模型结构，优选但不限于采用三维建模软件建立含有横孔结构的三维模型；建模完成后将含有横孔结构的三维模型转换为激光选区熔化成形数据准备软件Magics可识别的标准三角形语言(standard triangulation language,STL)文件。
模型在转换过程中存在表面精度下降，结构体信息丢失的问题。因此，在将含有横孔结构的三维模型导入激光选区熔化成形数据准备软件Magics后，需要对含有横孔结构的三维模型进行缺陷自动检测，具体检测内容为：反向三角面片、坏边和错误轮廓、缝隙、孔洞、干扰壳体、多重壳体、重叠和交叉的三角面片。
对检测出的模型缺陷进行对应性的自动修复。
修复完成后，再次对含有横孔结构的三维模型进行缺陷自动检测与自动修复。重复检测与修复过程，直至检测结果显示：整个模型没有反向三角面片、坏边和错误轮廓、缝隙、孔洞、重叠和交叉的三角面片，有1个壳体，没有干扰壳体和多重壳体。此时，含有横孔结构的三维模型修复完成，得到修复后的有横孔结构的三维模型。经过修复处理的三维模型在后续分层处理过程中出现错误的概率更低，有助于提高横孔结构的打印成功率。
根据修复后的有横孔结构的三维模型中横孔轴线与铺粉方向，确定修复后的有横孔结构的三维模型的摆放位置，具体为：设定铺粉方向为从激光选区熔化设备正面看去，面向成形空间时从左至右及从右至左的方向(如图2所示铺粉方向)；横孔轴线与铺粉方向之间的关系为：从激光选区熔化设备正面看去，将面向成形空间时从左至右的方向指定为正向铺粉方向，横孔轴线与正向铺粉方向之间的夹角优选小于40°。在激光选区熔化成形过程中，横孔轴线与正向铺粉方向之间的夹角越小，在铺粉过程中，已成形实体结构与金属刮刀的接触面积就越小。当成行横孔结构的悬垂部分时，已成形的实体结构就不容易被金属刮刀所破坏，进而保证横孔结构的激光选区熔化无支撑顺利成形。
不对横孔结构添加工艺支撑，具体为：保持横孔结构内部的原始结构特征，不对横孔上表面的悬空部分添加与横孔下表面相连接的工艺支撑。
步骤二、设定激光选区熔化工艺参数，在设定的激光选区熔化工艺参数控制下，对步骤一得到的待分层的有横孔结构的三维模型进行分层切片处理，得到分层切片后的横孔结构的三维模型；优选方案具体如下：
设定激光选区熔化工艺参数，具体为：实体扫描激光功率优选为380W～420W，实体扫描速度优选为1000～1200mm/s，实体扫描间距为0.06～0.09mm，优选扫描策略为层间旋转60°～90°的线性扫描方式，轮廓扫描激光功率优选为180～230W，轮廓扫描速度优选为1300～1500mm/s，分层厚度优选为0.04～0.06mm，以提高成形质量。
由于激光选区熔化成形过程中钛合金粉末要经历激光束的周期性、剧烈、非稳定、循环的加热和冷却，成形的实体结构存在较大的热应力，引起成形的实体结构发生翘曲和开裂，导致横孔结构无支撑成形失败。本发明采用的层间旋转60°～90°的线性扫描方式，能够有效平衡成形实体的层间应力，降低实体边缘的翘曲变形量，提高横孔结构悬垂面周围实体结构的自支撑强度，实现横孔结构的激光选区熔化无支撑成形。
以如图2所示的钛合金横孔结构为例，当要激光选区熔化无支撑成形壁厚＞1mm、15mm＞横孔直径＞10mm的厚壁大直径横孔结构时，优选设定参数为：实体扫描激光功率的参数优选为380W～400W，实体扫描速度优选为1000～1100mm/s，实体扫描间距优选为0.06～0.075mm，优选扫描策略为层间旋转80°～90°的线性扫描方式，轮廓扫描激光功率优选为180～200W，轮廓扫描速度优选为1300～1400mm/s，分层厚度优选为0.04～0.05mm，进一步提高成形质量。
当要激光选区熔化无支撑成形6mm＜横孔直径＜10mm、0.6mm＜壁厚＜1mm的薄壁小直径横孔结构时，设定的优选参数为：实体扫描激光功率优选为410W～420W，实体扫描速度优选为1000～1200mm/s，实体扫描间距优选为0.08～0.09mm，优选扫描策略为层间旋转60°～80°的线性扫描方式，轮廓扫描激光功率优选为210～230W，轮廓扫描速度优选为1300～1500mm/s，分层厚度优选为0.05～0.06mm，进一步提高成形质量。
对步骤一得到的待分层的有横孔结构的三维模型进行分层切片处理，分层切片具体要求为：根据设定的分层厚度值，将待分层的有横孔结构的三维模型沿如图2所示的Z向进行分层切片；根据切片后每一层的轮廓与实体截面信息，按照设定好的相关工艺参数，得到每一层的轮廓扫描与实体填充的激光扫描路径与功率数据。
步骤三、将分层切片后的横孔结构的三维模型导入到激光选区熔化成形设备，采用钛合金粉末，通过在基板上逐层铺粉与激光选区熔化的方式，完成横孔结构的无支撑成形，得到成形零件；优选方案具体如下：
钛合金粉末的选择，优选方案具体为：钛合金粉末的粒度分布D10(即粉末粒度累计分布图中体积含量为10％的颗粒所对应的直径范围)为15～25mm、D50(即粉末粒度累计分布图中体积含量为50％的颗粒所对应的直径范围)为30～40mm、D90(即粉末粒度累计分布图中体积含量为90％的颗粒所对应的直径范围)为45～55mm，流动性小于30s/50g，松装密度大于2.2g/cm3，振实密度大于2.6g/cm3，粉末形状为球形或近似球形且质量分数不小于97％，，进一步提高成形质量。
通过在基板上逐层铺粉与激光选区熔化的方式，完成横孔结构的无支撑成形，具体为：将分层切片后的横孔结构的三维模型导入到激光选区熔化成形设备控制软件；向用于逐层铺粉与激光选区熔化的设备中充入纯度为99.999％的氩气；优选当设备中的氧含量稳定在1000ppm以下时，金属刮刀在基板表面铺设一层平整的钛合金粉末，激光按照当前层的截面信息进行扫描，扫描区域内的钛合金粉末在激光作用下经过熔化、凝固成形固体结构，随后基板下降一个层厚，金属刮刀铺设一层新的钛合金粉末，经过激光再次扫描熔化成形，如此往复循环，经过逐层叠加，最终完成横孔结构的无支撑成形，得到成形零件，进一步提高成形质量。
步骤四、对成形零件进行清理、退火热处理及线切割，最终得到含有横孔结构的钛合金零件，优选方案具体如下：
成形零件进行清理、退火热处理及线切割，优选方案具体为：优选使用压强0.5～0.8MPa的压缩空气对成形零件表面及横孔内部反复进行气体冲洗，直至零件表面与横孔内部无浮粉；将成形零件连同基板一同放入真空退火炉，优选的，当炉内真空度低于2×10-2Pa后开始加热，升温时间优选为75～85分钟，优选升温到750～850±10℃，保温时间优选为4h～6h，优选炉冷至150℃以下后进气取件；采用冲液压力优选为0.6～1.0MPa、脉冲间隔优选为20～30μs，脉冲宽度优选为15～25μs，开路电压优选为90～110V，峰值电流优选为20～30A，直径优选为0.2mm黄铜丝，走丝速度优选为100～110mm/s，丝张力优选为8～12N的慢走丝电火花线切割，优选在距离基板上表面0～2mm的位置，将零件与基板切割分离，最终得到含有横孔结构的钛合金零件，更进一步提高零件的最终质量。
本发明实现横孔结构力学性能提高的进一步方案：设实体扫描激光功率为P1，实体扫描间距为L，分层厚度为H，当优选满足：
0.7＜P1/(L×H×106)＜1.5
以上优选的约束条件时，激光选区熔化成形的钛合金横孔结构零件致密度可以达到99.57％以上，产品的屈服强度可以达到962MPa，抗拉强度可以达到1031MPa，延伸率接近17％，可以有效提升激光选区熔化无支撑成形的钛合金横孔结构的力学性能。
本发明实现横孔结构表面粗糙度提高的进一步方案：设实体扫描激光功率为P1，实体扫描速度为V1，实体扫描间距为L，分层厚度为H，当优选满足：
0.22＜(0.865P1×V1×L)/(7.8π×H2×106)＜1
该优选约束条件时，激光选区熔化成形的钛合金横孔结构悬垂面粗糙度可以达到Ra 15，可以实现激光选区熔化无支撑成形的钛合金横孔结构表面粗糙度的进一步提升。
本发明根据激光选区熔化成形技术的工艺原理与成形特征，通过优化横孔结构的摆放方向，实现了直径钛合金横孔结构的无支撑打印成形，解决了横孔内部支撑结构去除困难的问题。，且采用层间旋转的线性交叉实体扫描策略，提高了横孔悬垂面周围实体结构的支撑强度，同时有效降低实体边缘的翘曲变形，实现了成形过程中钛合金横孔弧形悬垂面的无支撑成形。
本发明提供的钛合金横孔激光选区熔化无支撑成形方法，通过对水平方向孔结构的无支撑直接成形，提升了激光选区熔化技术成形管路结构的能力，为实现阀体零件复杂内流道结构的无支撑整体成形提供解决方案。

Claims (10)

1.一种钛合金横孔的激光选区熔化无支撑成形方法，其特征在于步骤如下：
步骤一、对含有横孔结构的三维模型进行缺陷检测，对检测出缺陷进行修复后，得到修复后的有横孔结构的三维模型；根据修复后的有横孔结构的三维模型中横孔轴线与铺粉方向，确定修复后的有横孔结构的三维模型的摆放位置，不对横孔结构添加工艺支撑，得到待分层的有横孔结构的三维模型；
步骤二、设定激光选区熔化工艺参数，在设定的激光选区熔化工艺参数控制下，对步骤一得到的待分层的有横孔结构的三维模型进行分层切片处理，得到分层切片后的横孔结构的三维模型；
步骤三、将分层切片后的横孔结构的三维模型导入到激光选区熔化成形设备，采用钛合金粉末，通过在基板上逐层铺粉与激光选区熔化的方式，完成横孔结构的无支撑成形，得到成形零件；
步骤四、对成形零件进行清理、退火热处理及线切割，最终得到含有横孔结构的钛合金零件。
2.根据权利要求1所述的一种钛合金横孔的激光选区熔化无支撑成形方法，其特征在于：所述钛合金为Ti6Al4V。
3.根据权利要求1所述的一种钛合金横孔的激光选区熔化无支撑成形方法，其特征在于：横孔结构的直径范围为6mm～15mm，且壁厚大于0.6mm。
4.根据权利要求1所述的一种钛合金横孔的激光选区熔化无支撑成形方法，其特征在于：需要修复的模型缺陷为以下一个或多个缺陷，包括：反向三角面片、坏边和错误轮廓、缝隙、孔洞、干扰壳体、多重壳体、重叠和交叉的三角面片。
5.根据权利要求1所述的一种钛合金横孔的激光选区熔化无支撑成形方法，其特征在于：步骤一中，模型的摆放方向为使横孔轴线与铺粉方向之间的夹角小于45°。
6.根据权利要求1所述的一种钛合金横孔的激光选区熔化无支撑成形方法，其特征在于：所述步骤三中，钛合金粉末的粒度分布D10为15mm～25mm、D50为30mm～40mm、D90为45mm～55mm，流动性小于30s/50g，松装密度大于2.2g/cm3，振实密度大于2.6g/cm3，粉末形状为球形或近似球形且质量分数不小于97％。
7.根据权利要求1所述的一种钛合金横孔的激光选区熔化无支撑成形方法，其特征在于：所述步骤三中，使用金属刮刀进行铺粉操作；激光选区熔化过程在氩气气氛保护环境中进行；成形零件加工完成后在成形室内冷却至室温。
8.根据权利要求1所述的一种钛合金横孔的激光选区熔化无支撑成形方法，其特征在于：所述步骤四中，使用高压气枪将成形零件内、外表面的浮粉清理干净后连同基板一起进行退火热处理，热处理工艺参数为：真空度低于2×10-2Pa，温度750℃～850℃，保温时间4h～6h，随炉冷却。
9.根据权利要求1所述的一种钛合金横孔的激光选区熔化无支撑成形方法，其特征在于：激光选区熔化成形数据准备软件，优选为Magics软件。
10.根据权利要求1所述的一种钛合金横孔的激光选区熔化无支撑成形方法，其特征在于：导入到激光选区熔化成形数据准备软件中的含有横孔结构的三维模型，其文件格式为标准三角形语言(standard triangulation language,STL)文件。
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