CN112620648A - 一种电推进供给系统微节流器的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种电推进供给系统微节流器的制备方法,包括将微节流器外壳与芯体模型切片分层,将切片分层处理后的外壳与芯体模型组合成微节流器模型;节流器使用金属粉末材料制作,将金属粉末均匀铺设在金属基板上,激光器发射激光束,按照确定的扫描轨迹对金属粉末进行选择性熔化,凝固,完成一层金属微节流器加工;再逐层加工微节流器,直至完成产品制作。本发明方法可实现大范围不同渗透率多孔材料的制备,通过控制微节流器多孔材料芯体孔隙率及厚度,实现微节流器流量可靠控制,本发明方法可实现微节流器外壳和芯体的同步一体成形,采用本发明方法可快速响应微节流器设计需求,制作流程短,实现多品种不同设计参数微节流器的快速批量制作。

Description

一种电推进供给系统微节流器的制备方法
技术领域
本发明涉及激光增材制造领域,具体地,涉及一种电推进供给系统微节流器的制备方法。
背景技术
微节流器作为电推进供给系统的核心元件,主要作用是控制气体工质的流量。电推进系统的工质气体流量为sccm级别(标准毫升/分钟),要求节流器具有高流阻、高稳定性和高可靠性的特点。传统的节流装置(孔板、文丘利管等)通过控制小孔或文丘利管的直径以及管的长度来节流降压或调解流量,存在加工难度大、容易堵塞、可靠性低等问题。
激光选区熔化技术(Selective Laser Melting,简称SLM)基于快速原型制造思想并结合激光熔覆技术发展起来的数字化制造技术,首先构建零件三维CAD模型并进行分层切片处理,然后采用激光作为热源,层层加工,堆叠成形,而且零件的不同部位可以分别采用不同的工艺参数加工,十分适合微节流器的制备。通过调节扫描间距等工艺参数,可以方便可靠地制备具有不同孔隙率的多孔金属材料,因此考虑采用激光选区熔化技术制备具有毛细作用的多孔金属材料来制作节流器的芯体,外壳部分采用致密度接近100%的工艺参数加工,芯体嵌入外壳,实现同步一体化激光选区熔化成形。
发明内容
针对现有技术中的缺陷,本发明的目的是提供一种电推进供给系统微节流器的制备方法。
根据本发明提供的一种电推进供给系统微节流器的制备方法,所述微节流器包括外壳和芯体,制备方法包括如下步骤:
建模步骤:建立微节流器外壳和芯体的三维CAD模型,将外壳和芯体的模型进行切片分层,并将切片分层后的外壳和芯体组合成微节流器模型,对按照各层微节流器模型逐层加工;
数据转化步骤:将每层的微节流器模型数据转化为二维扫描轮廓数据,并根据每层的二维扫描轮廓数据确定激光束扫描路径;
粉末铺设步骤:将金属粉末铺设在金属基板上,通过激光束按照确定的扫描轨迹对粉末层进行熔化、凝固,完成一层微节流器的加工;
粉末叠加铺设步骤;在成形的微节流器上再次铺设金属粉末,通过激光束按照确定的扫描轨迹对粉末层进行熔化、凝固,并加工相邻层的微节流器;
加工形成步骤:重复粉末叠加铺设步骤,完成逐层加工金属微节流器,形成微节流器零件。
优选地,所述微节流器的外壳和芯体的模型按照25μm~40μm层厚切片分层。
优选地,所述外壳模型和芯体模型同步一体化成形,其中芯体模型嵌入外壳模型,芯体外径较壳体内径大3mm~6mm。
优选地,所述金属粉末的粒径分布为15μm~53μm,成形基板选用15mm~40mm厚的金属基板。
优选地,发射激光束的激光器采用的激光功率范围为200W~400W、扫描速度为30m/min~35m/min、光斑直径为80μm~135μm。
优选地,微节流器外壳采用的激光束扫描间距为120μm~160μm,微节流器芯体采用的激光束扫描间距为220μm~340μm,当同一层节流器模型包含外壳和芯体两个模型的分层时,两模型的分层先后扫描,重合区域将扫描2次。
优选地,相邻层微节流器加工时,激光束扫描方向偏转90度。
优选地,微节流器芯体嵌入外壳内,重合区域的单边距离不小于1.5mm。
优选地,激光选区熔化成形时保护气氛为纯度为99.999%的高纯氩气。
优选地,激光选区熔化成形时基板预热温度为80℃~120℃。
与现有技术相比,本发明具有如下的有益效果:
1、本发明利用激光选区熔化技术实现大范围不同渗透率多孔微节流器芯体材料的制备,通过控制微节流器多孔材料芯体孔隙率及厚度,实现微节流器流量可靠控制;
2、本发明方法可实现微节流器外壳和芯体的同步一体成形,避免传统的节流装置(孔板、文丘利管等)通过控制小孔或文丘利管的直径以及管的长度来节流降压或调解流量,存在的加工难度大、容易堵塞、可靠性低等问题;
3、本发明方法可快速响应微节流器设计需求,制作流程短,可靠性高,可实现多品种不同设计参数微节流器的快速批量制作,实现0.1~20sccm的大范围流量调节。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述,本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显:
图1为发明所述的微节流器结构分解图;
图2为发明所述的一种微节流器制备过程示意图;
图3为发明所述的微节流器制备流程分解图。
图中示出:
1.计算机;2.电控柜;3.激光器;4.振镜扫描系统;5.粉缸;6.粉末刮刀;7.成形缸;8.加工零件。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明,但不以任何形式限制本发明。应当指出的是,对本领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明构思的前提下,还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
实施例1
本发明所述的电推进供给系统微节流器的制备方法,其采用激光选区熔化成形方法制备微节流器,激光选区熔化技术是基于快速原型制造思想并结合激光熔覆技术发展起来的数字化制造技术,逐层加工,层层增材成形。
如图1所示,以一种不锈钢微节流器为例,外壳外径尺寸12mm,长度50mm,内径3mm,芯体直径为6mm,厚度2mm,采用本发明所述一种电推进供给系统微节流器的制备方法进行加工,具体步骤如下,如图2所示:
步骤S1:首先在计算机中建立微节流器外壳和芯体的三维CAD模型,将该微节流器外壳和芯体的模型按照30μm层厚切片分层,共计1666层,将切片分层处理后的外壳与芯体模型组合成微节流器模型,从而按照各层微节流器模型逐层加工,实现外壳与芯体的同步一体化成形,其中微节流器芯体模型嵌入外壳模型,芯体外径较壳体内径大3mm;
步骤S2:将每层微节流器模型的三维模型数据转换为二维扫描轮廓数据,然后根据每层二维扫描轮廓数据确定激光束扫描路径;
利用筛网筛选粒径分布为15μm~53μm的不锈钢粉末,倒入粉箱5内,成形基板选用15mm厚的不锈钢基板,安装于成形缸7内的基台上,基台由电机带动可以上下移动,粉箱释放一定量的不锈钢粉末,通过刮刀6向前移动将不锈钢粉末均匀铺在金属基板上,粉末层厚为30μm;激光器发射的激光束按照确定的扫描轨迹对不锈钢粉末层进行选择性熔化,凝固,其中采用的激光功率为250W、扫描速度为35m/min、光斑直径为80μm,微节流器外壳采用的激光束扫描间距为120μm,微节流器芯体采用的激光束扫描间距为300μm完成一层微节流器的加工;
步骤S3:成形缸基台在成形的一层微节流器上再次铺设不锈钢粉末层,粉末层厚度30μm,激光束按照确定的扫描轨迹对粉末层进行选择性熔化,凝固,激光束扫描方向偏转90度,其中采用的激光功率为250W、扫描速度为35m/min、光斑直径为80μm,微节流器外壳采用的激光束扫描间距为120μm,微节流器芯体采用的激光束扫描间距为300μm,当加工到图3中h段时,节流器模型包含外壳和芯体两个模型的分层,两模型的分层先后扫描,重合区域将扫描2次,完成下一层微节流器加工;
步骤S4:按照步骤S3的加工方法继续逐层加工不锈钢微节流器,最终形成不锈钢微节流器零件。
如图3所示,微节流器分为l1段、h段、l2段,加工时自下而上依次加工l1段、h段、l2段,Φ1-Φ2的环面区域是外壳与芯体的重合区域,激光束扫描外壳轮廓和扫描芯体轮廓时均会扫描。
上述激光选区熔化成形时保护气氛为纯度为99.999%的高纯氩气。
上述激光选区熔化成形时基板预热温度为80℃。
实施例2
如图1所示,以一种钛合金微节流器为例,外壳外径尺寸12mm,长度50mm,内径6mm,芯体直径为9mm,厚度4mm,采用本发明所述一种电推进供给系统微节流器的制备方法进行加工,具体步骤如下,如图2所示:
步骤S1:首先在计算机中建立微节流器外壳和芯体的三维CAD模型,将该微节流器外壳和芯体的模型按照25μm层厚切片分层,共计2000层,将切片分层处理后的外壳与芯体模型组合成微节流器模型,从而按照各层微节流器模型逐层加工,实现外壳与芯体的同步一体化成形,其中微节流器芯体模型嵌入外壳模型,芯体外径较壳体内径大3mm;
步骤S2:将每层微节流器模型的三维模型数据转换为二维扫描轮廓数据,然后根据每层二维扫描轮廓数据确定激光束扫描路径;
利用筛网筛选粒径分布为15μm~53μm的钛合金粉末,倒入粉箱5内,成形基板选用30mm厚的钛合金基板,安装于成形缸7内的基台上,基台9由电机带动可以上下移动,粉箱释放一定量的钛合金粉末,通过刮刀6移动将钛合金粉末均匀铺在金属基板上,粉末层厚为30μm;激光器发射的激光束按照确定的扫描轨迹对钛合金粉末层进行选择性熔化,凝固,其中采用的激光功率为400W、扫描速度为30m/min、光斑直径为80μm,微节流器外壳采用的激光束扫描间距为120μm,微节流器芯体采用的激光束扫描间距为220μm完成一层微节流器的加工;
步骤S3:成形缸基台9在成形的一层微节流器上再次铺设钛合金粉末层,粉末层厚度30μm,激光束按照确定的扫描轨迹对粉末层进行选择性熔化,凝固,激光束扫描方向偏转90度,其中采用的激光功率为400W、扫描速度为30m/min、光斑直径为80μm,微节流器外壳采用的激光束扫描间距为120μm,微节流器芯体采用的激光束扫描间距为220μm,当加工到图3中h段时,节流器模型包含外壳和芯体两个模型的分层,两模型的分层先后扫描,重合区域将扫描2次,完成下一层微节流器加工;
步骤S4:按照步骤S3的加工方法继续逐层加工钛合金微节流器,最终形成微节流器零件。
如图3所示,微节流器分为l1段、h段、l2段,加工时自下而上依次加工l1段、h段、l2段,Φ1-Φ2的环面区域是外壳与芯体的重合区域,激光束扫描外壳轮廓和扫描芯体轮廓时均会扫描。
上述激光选区熔化成形时保护气氛为纯度为99.999%的高纯氩气。
上述激光选区熔化成形时基板预热温度为120℃。
本发明利用激光选区熔化技术实现大范围不同渗透率多孔微节流器芯体材料的制备,通过控制微节流器多孔材料芯体孔隙率及厚度,实现微节流器流量可靠控制;本发明可实现微节流器外壳和芯体的同步一体成形,避免传统的节流装置(孔板、文丘利管等)通过控制小孔或文丘利管的直径以及管的长度来节流降压或调解流量,存在的加工难度大、容易堵塞、可靠性低等问题;本发明可快速响应微节流器设计需求,制作流程短,可靠性高,可实现多品种不同设计参数微节流器的快速批量制作,实现0.1~20sccm的大范围流量调节。
在本申请的描述中,需要理解的是,术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“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申请和简化描述,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申请的限制。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是,本发明并不局限于上述特定实施方式,本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改,这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下,本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (10)

1.一种电推进供给系统微节流器的制备方法,其特征在于,所述微节流器包括外壳和芯体,制备方法包括如下步骤:
建模步骤:建立微节流器外壳和芯体的三维CAD模型,将外壳和芯体的模型进行切片分层,并将切片分层后的外壳和芯体组合成微节流器模型,对按照各层微节流器模型逐层加工;
数据转化步骤:将每层的微节流器模型数据转化为二维扫描轮廓数据,并根据每层的二维扫描轮廓数据确定激光束扫描路径;
粉末铺设步骤:将金属粉末铺设在金属基板上,通过激光束按照确定的扫描轨迹对粉末层进行熔化、凝固,完成一层微节流器的加工;
粉末叠加铺设步骤;在成形的微节流器上再次铺设金属粉末,通过激光束按照确定的扫描轨迹对粉末层进行熔化、凝固,并加工相邻层的微节流器;
加工形成步骤:重复粉末叠加铺设步骤,完成逐层加工金属微节流器,形成微节流器零件。
2.根据权利要求1所述的电推进供给系统微节流器的制备方法,其特征在于,所述微节流器的外壳和芯体的模型按照25μm~40μm层厚切片分层。
3.根据权利要求1所述的电推进供给系统微节流器的制备方法,其特征在于,所述外壳模型和芯体模型同步一体化成形,其中芯体模型嵌入外壳模型,芯体外径较壳体内径大3mm~6mm。
4.根据权利要求1所述的电推进供给系统微节流器的制备方法,其特征在于,所述金属粉末的粒径分布为15μm~53μm,成形基板选用15mm~40mm厚的金属基板。
5.根据权利要求1所述的电推进供给系统微节流器的制备方法,其特征在于,发射激光束的激光器采用的激光功率范围为200W~400W、扫描速度为30m/min~35m/min、光斑直径为80μm~135μm。
6.根据权利要求1所述的电推进供给系统微节流器的制备方法,其特征在于,微节流器外壳采用的激光束扫描间距为120μm~160μm,微节流器芯体采用的激光束扫描间距为220μm~340μm,当同一层节流器模型包含外壳和芯体两个模型的分层时,两模型的分层先后扫描,重合区域将扫描2次。
7.根据权利要求1所述的电推进供给系统微节流器的制备方法,其特征在于,相邻层微节流器加工时,激光束扫描方向偏转90度。
8.根据权利要求1所述的电推进供给系统微节流器的制备方法,其特征在于,微节流器芯体嵌入外壳内,重合区域的单边距离不小于1.5mm。
9.根据权利要求1所述的电推进供给系统微节流器的制备方法,其特征在于,激光选区熔化成形时保护气氛为纯度为99.999%的高纯氩气。
10.根据权利要求1所述的电推进供给系统微节流器的制备方法,其特征在于,激光选区熔化成形时基板预热温度为80℃~120℃。
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