CN111822703A - 一种变截面空腔回转体铝合金零件的激光精密成形方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种变截面空腔回转体铝合金零件的激光精密成形方法，包括以下步骤：建立三维模型，预留清粉结构，分层切片，获得激光扫描路径；基材固定，铝合金粉末放入粉末缸；成形室充入氩气，基材上铺设铝合金粉末；启动激光成形设备，扫描加工；成形缸下降一个层厚的距离，粉末缸随之上升一个层厚的距离，铺粉装置在已加工好的当前层上铺设一层铝合金粉末，直至零件加工完毕；对零件退火处理，制得。经本发明制造的零件成形后组织致密、细小均匀；成形过程中应力集中小，尺寸精度高；整体成形，无需铸造，钣金、焊接工序，提高了材料利用率，减少了工序，缩短了零件制造周期。
Description
技术领域
本发明属于金属成形技术领域，涉及一种铝合金零件的激光成形，尤其涉及一种变截面空腔回转体铝合金零件的激光精密成形（SLM）方法。
背景技术
对于具有变截面空腔回转体类铝合金零件在航空飞行器上的使用较为常见，目前国内生产变截面空腔回转铝合金零件的一般方法是铸焊组合或者钣金焊接，即：变截面回转部分采用精密铸造生产，然后将底部盖板封焊在底端；或将变截面回转主体部分先对焊，再将上下端面通过焊接最终实现变截面空腔回转铝合金零件的生产制造。无论采用哪一种方法其制造的缺点是：焊接过程中焊接热影响区内组织粗大，焊接应力集中，往往会产生裂纹；而且由于零件壁厚很薄，焊接过程中很容易导致变形。更为重要的是由于零件存在空腔结构，只能选择单面焊接，无法保证焊透。这不仅影响焊缝质量而且影响零件的使用性能。由于上述原因造成传统制造方法不仅生产效率低下，而且产品质量难以保证，合格率低，导致零件生产周期长，制造成本高，严重制约该类零件的工程化应用。
发明内容
本发明的目的是提供一种变截面空腔回转体铝合金零件的激光精密成形方法，解决了现有变截面空腔回转铝合金零件制造方法，避免后续焊接过程变形以及焊缝质量不可控等问题。
本发明所采用的技术方案是，一种变截面空腔回转体铝合金零件的激光精密成形方法，包括以下步骤：
步骤1：该回转体截面图如图1所示，空腔最大内径为145mm，高163mm，截面为抛物线，根据成形零件建立零件三维模型并在空腔底部预留清粉结构，并用切分软件对零件三维模型进行分层切片离散处理，获得各层激光的扫描路径；
步骤2：将基材固定在激光成形设备的成型缸工作台上，将铝合金粉末放入粉末缸中；
步骤3：在成形室中充入氩气，控制成形室内氧气浓度不高于10ppm；启动铺粉装置，在基材上铺设一层铝合金粉末；
步骤4：启动激光成形设备，激光器发出的激光束根据当前层激光扫描路径对基材上的粉末进行旋转扫描，加工出当前层，并对当前层外轮廓进行重复扫描；
步骤5：成形缸下降一个层厚的距离，粉末缸随之上升一个层厚的距离，同时，铺粉装置在已加工好的当前层上铺设一层铝合金粉末；
步骤6：重复步骤4~5，直至整个零件加工完毕；
步骤7：打开成形室，去除粉末，取出经步骤6加工完毕的铝合金零件，对成形的铝合金零件进行退火处理。
进一步地，所述铝合金粉末化成分符合GB/T 1173-1995要求，铝合金粉末粒度为15-45μm。
利用SLM技术，通过设计合理的支撑结构和摆放位置，使零件回转体曲线截面的切线始终小于45°，得到较好的表面质量。
考虑了空腔结构在增材制造过程中，腔内留存粉末的问题，根据零件特点、便于漏粉和后续易加工等因素设计了漏粉孔，解决了空腔零件腔体内残留粉末的问题。
进一步地，所述步骤3中，氩气纯度不低于99.99%。
进一步地，所述步骤4中，激光成形设备的加工参数为：激光功率：200-400W，激光光斑直径：0.06-0.15mm，扫描速度：900-1500mm/s，供粉量：0.07-0.15mm/层，单层层高：0.02-0.08mm，成形室内氩气循环风速控制电压：2.5-2.8V。
进一步地，所述步骤7中，退火工艺为：在200~320℃下保温3-7h后空冷至室温。
所述铺粉装置为刮板。
所述激光器为光纤激光器。
本发明的有益效果是：一种变截面空腔回转铝合金零件的激光精密成形方法，
（1）通过采用逐层堆积整体成形的方法，零件成形后组织致密、细小均匀、无铸造工艺产生的缩松、缩孔以及冷隔等铸造缺陷。
（2）成形过程中应力集中小，通过采用特定工艺参数保证了零件成形后几乎无变形现象发生，获得的薄壁零件侧壁形位公差好，后续无需任何处理；
（3）通过采用三维数模一次成形，无需铸造，钣金、焊接工序，提高了材料利用率，减少了工序，缩短了零件制造周期；
（4）通过使用特定组分含量的铝合金粉末，结合快速成形工艺和传统热处理工艺，获得的零件同时具有高强度、高塑性，综合力学性能远远高于拼焊件。
附图说明
图1是变截面空腔回转体的轴向截面图。
图2是变截面空腔回转体的径向截面图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。本实施例中，变截面空腔回转铝合金零件回转体空腔最大内径为145mm，高163mm，截面为抛物线。
实施例1
变截面空腔回转铝合金零件回转体空腔最大内径为145mm，高163mm，截面为抛物线，根据成形零件建立零件三维模型，并用切分软件对零件三维模型进行分层切片离散处理，获得各层激光的扫描路径；将基材固定在激光成形设备的成型缸工作台上，将铝合金粉末放入粉末缸中，其中，铝合金粉末包括以下组分：Si：7.0%，Mg：0.5%，Fe：0.45 %，Cu：0.08%，Mn：0.55 %，Ni：0.10%，Zn：0.03%，Ti：0.06 %，其余为Al，铝合金粉末粒度为15μm；在成形室中充入氩气，氩气纯度99.99%，并控制成形室内氧气浓度为5ppm；启动铺粉装置，在基材上铺设一层铝合金粉末；启动激光成形设备，激光器发出的激光束根据当前层激光扫描路径对基材上的粉末进行旋转扫描，加工出当前层，并对当前层外轮廓进行重复扫描，其中，激光成形设备的加工参数为：激光功率：400W，激光光斑直径：0.06mm，扫描速度：900mm/s，供粉量：0.07mm/层，单层层高：0.02mm，成形室内氩气循环风速控制电压：2.5V；成形缸下降一个层厚的距离，粉末缸随之上升一个层厚的距离，同时，刮板在已加工好的当前层上铺设一层铝合金粉末；重复步骤4~5，直至整个零件加工完毕；打开成形室，去除粉末，取出加工完毕的铝合金零件，对成形的铝合金零件进行退火处理，退火工艺为：在200℃下保温3h后空冷至室温，制得变截面空腔回转铝合金零件。
实施例2
根据成形零件建立零件三维模型，并用切分软件对零件三维模型进行分层切片离散处理，获得各层激光的扫描路径；将基材固定在激光成形设备的成型缸工作台上，将铝合金粉末放入粉末缸中，其中，铝合金粉末包括以下组分：Si：8.0%，Mg：0.6%，Fe：0.45 %，Cu：0.08%，Mn：0.55 %，Ni：0.10%，Zn：0.03%，Ti：0.06 %，其余为Al，铝合金粉末粒度为45μm；在成形室中充入氩气，氩气纯度99.99%，并控制成形室内氧气浓度为5ppm；启动铺粉装置，在基材上铺设一层铝合金粉末；启动激光成形设备，激光器发出的激光束根据当前层激光扫描路径对基材上的粉末进行旋转扫描，加工出当前层，并对当前层外轮廓进行重复扫描，其中，激光成形设备的加工参数为：激光功率：300W，激光光斑直径：0.08mm，扫描速度：1000mm/s，供粉量：0.07mm/层，单层层高：0.02mm，成形室内氩气循环风速控制电压：2.5V；成形缸下降一个层厚的距离，粉末缸随之上升一个层厚的距离，同时，刮板在已加工好的当前层上铺设一层铝合金粉末；重复步骤4~5，直至整个零件加工完毕；打开成形室，去除粉末，取出加工完毕的铝合金零件，对成形的铝合金零件进行退火处理，退火工艺为：在260℃下保温4h后空冷至室温，制得变截面空腔回转铝合金零件。
实施例3
根据成形零件建立零件三维模型，并用切分软件对零件三维模型进行分层切片离散处理，获得各层激光的扫描路径；将基材固定在激光成形设备的成型缸工作台上，将铝合金粉末放入粉末缸中，其中，铝合金粉末包括以下组分：Si：7.0%，Mg：0.5%，Fe：0.45 %，Cu：0.08%，Mn：0.55 %，Ni：0.10%，Zn：0.03%，Ti：0.06 %，其余为Al，铝合金粉末粒度为30μm；在成形室中充入氩气，氩气纯度99.99%，并控制成形室内氧气浓度为8ppm；启动铺粉装置，在基材上铺设一层铝合金粉末；启动激光成形设备，激光器发出的激光束根据当前层激光扫描路径对基材上的粉末进行旋转扫描，加工出当前层，并对当前层外轮廓进行重复扫描，其中，激光成形设备的加工参数为：激光功率：400W，激光光斑直径：0.09mm，扫描速度：1400mm/s，供粉量：0.09mm/层，单层层高：0.02mm，成形室内氩气循环风速控制电压：2.8V；成形缸下降一个层厚的距离，粉末缸随之上升一个层厚的距离，同时，刮板在已加工好的当前层上铺设一层铝合金粉末；重复步骤4~5，直至整个零件加工完毕；打开成形室，去除粉末，取出加工完毕的铝合金零件，对成形的铝合金零件进行退火处理，退火工艺为：在200℃下保温3h后空冷至室温，制得变截面空腔回转铝合金零件。
Claims (8)
1.一种变截面空腔回转铝合金零件的激光精密成形方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：根据成形零件建立零件三维模型并在空腔底部预留清粉结构，用切分软件对零件三维模型进行分层切片离散处理，获得各层激光扫描路径；
步骤2：将基材固定在激光成形设备的成型缸工作台上，将铝合金粉末放入粉末缸中；
步骤3：在成形室中充入氩气，控制成形室内氧气浓度不高于10ppm；启动铺粉装置，在基材上铺设一层铝合金粉末；
步骤4：启动激光成形设备，激光器发出的激光束根据当前层激光扫描路径对基材上的粉末进行旋转扫描，加工出当前层，并对当前层外轮廓进行重复扫描；
步骤5：成形缸下降一个层厚的距离，粉末缸随之上升一个层厚的距离，铺粉装置在已加工好的当前层上铺设一层铝合金粉末；
步骤6：重复步骤4~5，直至整个零件加工完毕；
步骤7：打开成形室，去除粉末，取出经步骤6加工完毕的铝合金零件，对成形的铝合金零件进行清粉、退火处理。
2.根据权利要求1所述的一种变截面空腔回转铝合金零件的激光精密成形方法，其特征在于，所述铝合金粉末成分符合GB/T 1173-1995要求，所述铝合金粉末粒度为15-45μm。
3.根据权利要求1所述的一种变截面空腔回转铝合金零件的激光精密成形方法，其特征在于，所述步骤2中，氩气纯度不低于99.99%。
4.根据权利要求1所述的一种变截面空腔回转铝合金零件的激光精密成形方法，其特征在于，所述步骤4中，激光成形设备的加工参数为：激光功率：200-400W，激光光斑直径：0.06-0.15mm，扫描速度：900-1500mm/s，供粉量：0.07-0.15mm/层，单层层高：0.02-0.08mm，成形室内氩气循环风速控制电压：2.5-2.8V。
5.根据权利要求1所述的一种变截面空腔回转铝合金零件的激光精密成形方法，其特征在于，所述步骤7中，退火工艺为：在200~320℃下保温3-7h后空冷至室温。
6.根据权利要求1所述的一种变截面空腔回转铝合金零件的激光精密成形方法，其特征在于，所述铺粉装置为刮板。
7.根据权利要求1所述的一种变截面空腔回转铝合金零件的激光精密成形方法，其特征在于，所述激光器为光纤激光器。
8.根据权利要求1所述的一种变截面空腔回转铝合金零件的激光精密成形方法，其特征在于，所述回转体空腔最大内径为145mm，高163mm，截面为抛物线。
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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Application publication date: 20201027 |