CN112077305A - 一种高强铝合金结构激光增材制造的工艺方法 - Google Patents

一种高强铝合金结构激光增材制造的工艺方法 Download PDF

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Abstract

一种高强铝合金结构激光增材制造的工艺方法，该方法选用粒径大小和化学成分符合要求的高强铝合金粉末，在激光选区熔化成形装备上将粉末烧结成形为零件，待装备舱内温度降低到室温后，将基板和零件一起取出，利用清粉机或人工将毛坯上附着的多余粉末清除干净，然后将基板与零件一起放进热处理炉中进行热处理，热处理完成后利用线切割将零件从基板上切下来，然后对零件进行清洗、去支撑、打磨抛光、喷砂等一系列处理，按照标准检验通过后达到高强铝合金制件要求。该方法能够实现仿生结构、拓扑优化结构等复杂零件的成形，能够使激光选区熔化成形的铝合金零件强度达到530MPa以上，为航天器复杂高强结构轻量化制造提供技术支持。

Description

一种高强铝合金结构激光增材制造的工艺方法
技术领域
本发明涉及航天器上高强铝合金结构激光增材制造的工艺方法，能够实现航天器高强度复杂铝合金结构的高效、低成本、短周期制造，突破了空间航天器轻量化复杂结构的高效制造技术。
背景技术
在本技术发明之前，受加工材料和制造方法的限制，抗拉强度530MPa以上的铝合金拓扑优化结构尚未在航天器上实现应用。我国嫦娥三号、载人飞船、货运飞船等飞行器，受传统制造工艺和增材制造原材料的影响，飞行器零件的轻量化结构不能实现突破性进展。本方法发明之前，航天器高强度铝合金结构是通过对铝合金锻件进行机械加工以及热处理来实现的，材料去除量大，产品的成品率极低，加工周期长，难以满足科研生产进度及质量要求，同时无法实现拓扑结构、仿生结构等复杂结构的制造。原有制造方法的缺点有：
(1)铝合金薄壁结构产品的材料去除量大，容易因结构变形导致产品关键尺寸超差，同时加工过程中需要进行热处理，多次装卡难以保证产品的位置度，废品率高，；
(2)加工周期长，研制进度无法满足现有航天器对新型产品结构性能快速验证的需求，导致研制周期过长；
(3)增材制造技术现有的铝合金材料仅能达到300MPa，无法满足航天上高强度结构产品的制造需求；
(4)传统减材制造的方式，为控制铝合金加工过程的温度，大量使用切削液，对环境污染大，工序多，过程控制风险大。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种高强铝合金结构激光增材制造的工艺方法，能够满足高强度航天器结构的高精度、短周期、轻量化需求，从而实现航天器产品的极致轻量化制造，而且成形过程无化学方法，无环境污染，适用于高强度复杂结构的制造。本发明中的工艺和传统工艺对比表明，通过激光增材制造的高强度铝合金结构，产品研制周期大大缩短，成本极大降低，进一步提高了产品精度和可靠性。
本发明的技术方案是：一种高强铝合金结构激光增材制造的工艺方法，步骤如下：
步骤1：进行成形前准备工作；
步骤2：根据具体设备型号、零件结构特点设定激光选区熔化成形参数；
步骤3：清除零件表面清粉；
步骤4：将清粉后的零件进行热处理；
步骤5：通过线切割设备或其它切割设备将零件与基板进行分离；
步骤6：对毛坯表面进行清洗；
步骤7：去除辅助零件成形的支撑结构，仅留下所需的零件结构；
步骤8：将支撑去除过程中，在零件表面残留的结构进行打磨，并对支撑去除后的表面进行抛光；
步骤9：使用干喷砂工艺对零件表面进行吹砂处理，表面喷砂均匀，保证零件表面质量的一致性；
步骤10：检查零件表面质量。
所述步骤1的具体过程为：
按照粉末粒径和化学成分的要求准备粉末，并用筛粉器将粉末筛至供粉舱，在设备成形舱内安装铝合金基板，调平刮刀后关闭舱门，检查设备安全设置后往设备成形室充氩气至氧含量≤0.02％。
所述步骤2中激光选区熔化成形参数具体为：激光功率350～370W、扫描速度1000～1200mm/s、扫描间距0.07～0.10mm、铺粉层厚30μm。
所述步骤3的具体过程为：激光增材制造成形的零件在成形室保护性气氛内充分冷却后，上升成形舱内的铝合金基板，用毛刷将覆着在零件表面的粉料清除，然后取出带基板的零件放入清粉机进行清粉，清粉结束后取出毛坯进行目视检查，确保无裂纹。
所述充分冷却的时间＞15min。
所述步骤4的具体过程为：
将清粉后的零件随基板一起放入热处理炉中进行热处理，在300～325℃环境下保温2～6h后空冷。
所述步骤6的具体过程为：选用无水乙醇、去离子水对毛坯表面油污进行清洗，清洗结束后，用压缩空气对零件进行吹干或自然风干。
所述步骤10的具体过程为：表面质量采用目视或5-10倍放大镜检验；荧光渗透检验按GJB 2367A的规定进行；检查零件表面质量，不得有裂纹，不得有深度超过0.1mm的划痕、压痕或错层；内部质量用X射线进行检验，X射线检验按GJB 1187A的规定进行。
检测质量还可采用CT进行检查，测试按照GJB5312执行。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本发明之前，航天器用高强铝合金结构都是通过传统减材的方式制造的，因去除材料变形问题导致薄壁结构极限仅2mm，本发明使用增材制造的方式成形高强铝合金结构，成形的结构尺寸精度高，合格率高，能够成形的薄壁极限更高，局部可达0.1mm。
(2)现有增材制造技术成形的铝合金性能仅能达到300MPa，本发明成形的高强铝合金强度可达530MPa以上，能够满足现有航天器上90％以上铝合金结构的强度需求，可以实现多个结构产品的一体化设计及制造，提高航天器结构的整体性，增加航天器的使用寿命，延长航天器的在轨服役周期。
(3)现有减材方式制造高强铝合金薄壁结构的周期长，无法满足现有航天器对新型产品结构及性能快速验证的需求。本发明涉及的激光增材制造能够实现高强铝合金薄壁结构的快速成形，能够实现新型产品设计过程的快速迭代验证，缩短产品研制周期，降低生产成本。
(4)现有减材方式受刀具的限制，无法真正实现拓扑优化和仿生结构的高精度成形。本发明使用增材制造的方式，理论上能够实现任意结构的成形，成形的柔性高，能够真正实现拓扑优化结构和仿生结构的应用。
(5)现有传统减材制造的方式使用大量的切削液，对环境污染大。本发明直接利用激光烧结粉末成形零件，一方面不需使用切削液，另一方面无多余废料产生，能够实现真正的绿色制造。
附图说明
图1为高强铝合金激光增材制造工艺流程。
具体实施方式
如图1所示，本发明工艺方法具体如下：
步骤1：成形前准备
按照粉末要求进行粉末准备，安装铝合金基板，调平刮刀并检查设备安全设置，然后往设备成形室充氩气至氧含量≤0.02％。
步骤2：激光增材制造
激光选区熔化成形设备工艺设定参数根据具体设备型号、零件结构特点以及工艺试验参数确定，将固化参数纳入到工艺规程中。主要参数控制如下：激光功率350～370W、扫描速度1000～1200mm/s、扫描间距0.07～0.10mm、铺粉层厚30μm。
步骤3：清粉
人工清粉时，待打印完成的毛坯还在成形室保护性气氛内充分冷却后(推荐>15min)上升成形缸，用毛刷将覆着在毛坯表面的粉料清除，然后取出零件放入托盘中；借助清粉机进行清粉时，清粉机转台旋转角需根据零件结构进行旋转。成形后的毛坯应进行目视检查，有裂纹等缺陷的毛坯予以隔离。
步骤4：热处理
将清粉后的毛坯随基板一起进行热处理，在300～325℃环境下保温2～6h后空冷。
步骤5：零件与基板分离
通过线切割设备或其它切割设备将零件与基板进行分离。过程应做好防护，防止切割过程中零件因掉落磕伤。
步骤6：清洗
选用指定清洗液对毛坯表面油污进行清洗，清洗结束后，用压缩空气对零件进行吹干或自然风干。
步骤7：去支撑
根据毛坯支撑结构情况选择合适的工具方法，将为了辅助零件成形设计的支撑结构去除，仅留下所需的零件结构。
步骤8：打磨抛光
将支撑去除过程中，在零件表面残留的结构进行打磨，并对支撑去除后的表面进行抛光，提高零件的表面质量。
步骤9：喷砂
使用干喷砂工艺对零件表面进行吹砂处理，表面喷砂均匀，保证零件表面质量的一致性。
步骤10：检验
表面质量采用目视或5-10倍放大镜检验。荧光渗透检验按GJB 2367A的规定进行。检查零件表面质量，不得有裂纹，不得有深度超过0.1mm的划痕、压痕或错层；内部质量用X射线进行检验，X射线检验按GJB 1187A的规定进行。必要时也可采用CT进行检查，测试按照GJB5312执行。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知技术。

Claims (9)

1.一种高强铝合金结构激光增材制造的工艺方法，其特征在于步骤如下：
步骤1：进行成形前准备工作；
步骤2：根据具体设备型号、零件结构特点设定激光选区熔化成形参数；
步骤3：清除零件表面清粉；
步骤4：将清粉后的零件进行热处理；
步骤5：通过线切割设备或其它切割设备将零件与基板进行分离；
步骤6：对毛坯表面进行清洗；
步骤7：去除辅助零件成形的支撑结构，仅留下所需的零件结构；
步骤8：将支撑去除过程中，在零件表面残留的结构进行打磨，并对支撑去除后的表面进行抛光；
步骤9：使用干喷砂工艺对零件表面进行吹砂处理，表面喷砂均匀，保证零件表面质量的一致性；
步骤10：检查零件表面质量。
2.根据权利要求1所述的一种高强铝合金结构激光增材制造的工艺方法，其特征在于：所述步骤1的具体过程为：
按照粉末粒径和化学成分的要求准备粉末，并用筛粉器将粉末筛至供粉舱，在设备成形舱内安装铝合金基板，调平刮刀后关闭舱门，检查设备安全设置后往设备成形室充氩气至氧含量≤0.02％。
3.根据权利要求1所述的一种高强铝合金结构激光增材制造的工艺方法，其特征在于：所述步骤2中激光选区熔化成形参数具体为：激光功率350～370W、扫描速度1000～1200mm/s、扫描间距0.07～0.10mm、铺粉层厚30μm。
4.根据权利要求1所述的一种高强铝合金结构激光增材制造的工艺方法，其特征在于：所述步骤3的具体过程为：激光增材制造成形的零件在成形室保护性气氛内充分冷却后，上升成形舱内的铝合金基板，用毛刷将覆着在零件表面的粉料清除，然后取出带基板的零件放入清粉机进行清粉，清粉结束后取出毛坯进行目视检查，确保无裂纹。
5.根据权利要求4所述的一种高强铝合金结构激光增材制造的工艺方法，其特征在于：所述充分冷却的时间＞15min。
6.根据权利要求1所述的一种高强铝合金结构激光增材制造的工艺方法，其特征在于：所述步骤4的具体过程为：
将清粉后的零件随基板一起放入热处理炉中进行热处理，在300～325℃环境下保温2～6h后空冷。
7.根据权利要求1所述的一种高强铝合金结构激光增材制造的工艺方法，其特征在于：所述步骤6的具体过程为：选用无水乙醇、去离子水对毛坯表面油污进行清洗，清洗结束后，用压缩空气对零件进行吹干或自然风干。
8.根据权利要求1所述的一种高强铝合金结构激光增材制造的工艺方法，其特征在于：所述步骤10的具体过程为：表面质量采用目视或5-10倍放大镜检验；荧光渗透检验按GJB2367A的规定进行；检查零件表面质量，不得有裂纹，不得有深度超过0.1mm的划痕、压痕或错层；内部质量用X射线进行检验，X射线检验按GJB 1187A的规定进行。
9.根据权利要求8所述的一种高强铝合金结构激光增材制造的工艺方法，其特征在于：检测质量还可采用CT进行检查，测试按照GJB5312执行。
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