CN112916875B - 一种基于选区激光熔化技术的隔热板结构及其成型方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及燃气轮机的增材制造技术领域，尤其是涉及一种带有随形晶格的隔热板结构及其基于选区激光熔化技术的成型方法。所述成型方法包括：1)利用随形拓扑设计软件构建隔热板结构模型，2)将步骤1)构建获得的结构模型转化成3D打印可读取的格式文件，沿着成型方向切片，打印设备保存每一层信息并记录；3)采用镍基合金粉末进行选区激光熔化加工，设置合适工艺参数，按照步骤2)保存的每一层信息，进行激光加工；4)将步骤3)激光加工后的零件进行后处理后获得隔热板结构。通过本发明成型方法制备获得的隔热板结构，金属实体体积小，重量轻。单位时间内传递热量减少，强化隔热。最终，能使整体结构因为热应力导致的变形小，从而提高寿命。

Description

一种基于选区激光熔化技术的隔热板结构及其成型方法

技术领域

本发明涉及燃气轮机的增材制造技术领域，尤其是涉及一种用于冷热端部件之间的隔热板结构及其成型方法。

背景技术

在燃气轮机领域，压气机的基材一般为钛合金或者不锈钢合金，均无法承受超过700℃以上的气氛环境，而与之相近的透平进口温度一般超过1000℃。目前，一般采用隔热板腔结构来阻止经过透平导叶的高温气流的热量传递，防止压气机端温度过高。由于整个隔热板结构一端需要接触高温气流的同时，会承受由于冷热两端的巨大温差带来的热应力，所以隔热板绝大部分采用了导热系数较高的高温合金。

从设计上考虑，防止形变需要强化隔热板结构而增加厚度，而增加厚度会强化导热，使得从热量更快速的从高温端传至低温端，这两者相互矛盾。根据目前成熟的工程经验，一般利用折中方法各自牺牲一部分性能，而很难找到成功的解决方法。

同时，由于传统机械加工的限制，对于隔热板自身实体部分内部结构束手无策，使得选区激光工融化技术得以发挥其结构功能一体化成型的优势。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种隔热板结构及其成型方法，通过设计随形晶格结构能够实现强化阻热，利用选区激光融化技术进行加工，用于解决现有技术中的问题。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明一方面提供一种隔热板结构的成型方法，所述成型方法包括如下步骤：

1)利用随形拓扑设计软件构建隔热板结构模型，所述隔热板结构模型包括构建第一壳体和围绕第一壳体外围构建的第二壳体；所述第一壳体包括相对设置的第一热端壳体和第一冷端壳体，所述第一热端壳体和第一冷端壳体围合形成第一空腔；所述第一壳体和第二壳体之间形成第二空腔；在所述第二空腔中构建晶格，构建后获得隔热板结构模型；

2)将步骤1)构建获得的隔热板结构模型转化成3D打印可读取的格式文件，设置每层高度，沿着成型方向切片，打印设备保存每一层信息进行记录；

3)采用镍基合金粉末进行选区激光熔化，设置选区激光熔化加工过程的加工工艺参数，按照步骤2)保存的每一层信息，并进行激光加工；

4)将步骤3)激光加工后的零件进行后处理后获得隔热板结构。

在本发明的一些实施方式中，所述步骤1)中，所述第二空腔的厚度为隔热板结构模型厚度的50％以上。

在本发明的一些实施方式中，所述步骤1)中，所述第二空腔的厚度为隔热板结构模型厚度的10～20％。

在本发明的一些实施方式中，所述步骤1)中，所述晶格的形状选自杆状支撑结构、立方体、螺旋24面体结构、金刚石菱形体结构、蜂窝状结构、金字塔角锥体结构、Schwarz曲面、Neovius曲面结构中的一种或多种的组合。

在本发明的一些实施方式中，构建后的第二壳体包括与第一热端壳体相对设置的第二热端壳体以及与第一冷端壳体相对设置的第二冷端壳体。

在本发明的一些实施方式中，构建后的所述第二热端壳体和第二冷端壳体的外表面为圆形；在所述第二壳体上构建出料孔。

在本发明的一些实施方式中，构建后的所述第二热端壳体和第二冷端壳体的外表面分别为对称的2个半圆形，其中，在两半圆形结构的对称面上构建镂空结构。

在本发明的一些实施方式中，所述步骤2)中每层高度为20～50微米。

在本发明的一些实施方式中，所述步骤3)中，所述镍基合金粉末的粒径为10～60微米；粉末粒径分布的中位数D50为35微米；粉末球化率为95％以上。

在本发明的一些实施方式中，所述步骤3)中，所述选区激光熔化是在惰性气体的氛围下进行；其中，氧含量浓度低于100ppmV。

在本发明的一些实施方式中，所述步骤3)中，所述选区激光熔化采用选区激光熔化打印设备，所述选区激光熔化打印设备的基板预热温度为200～400℃。

在本发明的一些实施方式中，所述步骤3)中，所述选区激光熔化加工过程的加工工艺参数包括：

激光功率为100～400W；

扫描速度为800～1500mm/s；

光斑直径为0.05～0.1mm；

激光搭接为0～1mm；

X轴、Y轴的偏移均为0.05～0.15％；

光斑补偿为0.05mm～0.13mm。

在本发明的一些实施方式中，所述步骤4)中，所述后处理步骤包括激光加工后的零件经过除粉、线切割使其与成型基板分离；再通过热处理、喷砂、机加工抛光制备获得隔热板结构。

本发明另一方面提供一种隔热板结构，采用本发明所述的成型方法获得。所述隔热板结构包括第一壳体和围绕第一壳体外围设置的第二壳体；所述第一壳体包括相对设置的第一热端壳体和第一冷端壳体，所述第一热端壳体和第一冷端壳体围合设有第一空腔；所述第一壳体和第二壳体之间设有第二空腔；在所述第二空腔中设有晶格，所述晶格的延伸方向与第二空腔的延伸方向一致或呈一定角度。

在本发明的一些实施方式中，所述第一空腔的厚度为隔热板结构厚度的50％以上。

在本发明的一些实施方式中，所述第二空腔的厚度为隔热板结构厚度的10～20％。

在本发明的一些实施方式中，所述晶格的形状选自杆状支撑结构、立方体、螺旋24面体结构、金刚石菱形体结构、蜂窝状结构、金字塔角锥体结构、Schwarz曲面、Neovius曲面结构中的一种。

在本发明的一些实施方式中，所述第二壳体包括与第一热端壳体相对设置的第二热端壳体以及与第一冷端壳体相对设置的第二冷端壳体。

在本发明的一些实施方式中，所述第二热端壳体和第二冷端壳体的外表面为圆形；所述第二壳体上设有出料孔。

在本发明的一些实施方式中，所述第二热端壳体和第二冷端壳体的表面分别为对称的2个半圆形，其中，两半圆形结构的对称面上设有镂空结构。

附图说明

图1为本发明隔热板结构的剖面结构示意图。

图2为本发明隔热板结构的一实施例的从一个角度的立体结构示意图。

图3为本发明隔热板结构的一实施例的从另一个角度的立体结构示意图。

图4为本发明隔热板结构的一实施例的主视结构示意图。

图5为本发明隔热板结构的另一实施例的主视结构示意图。

图6为本发明隔热板结构的另一实施例的立体结构示意图。

图7为对比例1的隔热抗变性能图。

图8为本发明隔热板结构实施例2的隔热抗变性能图。

图9为本发明隔热板结构实施例3的隔热抗变性能图。

图10为本发明中对比例1、实施例2和实施例3的低温面的热通量的示意图。

图11为本发明的晶格的形状为杆状支撑结构的示意图。

图12为本发明的晶格的形状为立方体结构的示意图。

图13为本发明的晶格的形状为螺旋24面体结构结构的示意图。

图14为本发明的晶格的形状为金刚石菱形体的示意图。

图15为本发明的晶格的形状为蜂窝状的示意图。

图16为本发明的晶格的形状为金字塔角锥体的示意图。

图17为本发明的晶格的形状为Schwarz曲面结构的示意图。

图18为本发明的晶格的形状为Neovius曲面结构的示意图。

图中元件标号：

1 第一壳体

11 第一热端壳体

12 第一冷端壳体

2 第二壳体

21 第二热端壳体

22 第二冷端壳体

3 第一空腔

4 第二空腔

5 晶格

6 出料孔

具体实施方式

在本发明的描述中，需要说明的是，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时术语“中心”、“纵向”、“横向”、“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发明和简化描述，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发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

本发明的发明人经过大量研究发现了一种隔热板结构的成型方法，通过随形拓扑设计软件，先将隔热板第一壳体和第二壳体之间的实体结构抽壳形成第二空腔，再在第二空腔内部添加晶格结构，其中晶格组成可为细杆、或曲面等，使其产生足够的中空结构。再通过选区激光融化技术进行成型加工，使其既能更好的起到隔热作用，又能减少冷热两端巨大温差对结构的热应力，提高其使用寿命。并在此基础上，完成了本发明。

本发明第一方面提供一种隔热板结构的成型方法，所述成型方法包括如下步骤：

1)利用随形拓扑设计软件构建隔热板结构模型，所述隔热板结构模型包括构建第一壳体和围绕第一壳体外围构建的第二壳体；所述第一壳体包括相对设置的第一热端壳体和第一冷端壳体，所述第一热端壳体和第一冷端壳体围合形成第一空腔；所述第一壳体和第二壳体之间形成第二空腔；在所述第二空腔中构建晶格，构建后获得隔热板结构模型；

2)将步骤1)构建获得的隔热板结构模型转化成3D打印可读取的格式文件，设置每层高度，沿着成型方向切片，打印设备保存每一层信息进行记录；

3)采用镍基合金粉末进行选区激光熔化，设置选区激光熔化加工过程的加工工艺参数，按照步骤2)保存的每一层信息，并进行激光加工；

4)将步骤3)激光加工后的零件进行后处理后获得隔热板结构。

本发明所提供的隔热板结构的成型方法中，所述步骤1)利用随形拓扑设计软件构建隔热板结构模型，随形拓扑设计软件例如可以是Ansys Spaceclaim，nTopology，3Matic等。所述隔热板结构模型包括构建第一壳体和围绕第一壳体外围构建的第二壳体；所述第一壳体包括相对设置的第一热端壳体和第一冷端壳体，所述第一热端壳体和第一冷端壳体围合形成第一空腔。所述第一空腔的厚度为隔热板结构模型厚度的50％以上。在一些实施例中，所述第一空腔的厚度为隔热板结构模型厚度的50～80％；50～60％；60～70％；或70～80％等。所述第一壳体和第二壳体之间形成第二空腔；在所述第二空腔中构建晶格，构建晶格时，所述晶格的延伸方向与第二空腔的延伸方向一致或呈一定角度。构建后获得隔热板结构模型。其中，所述第二空腔的厚度为隔热板结构模型厚度的10～20％。在一些实施例中，所述第二空腔的厚度为隔热板结构模型厚度的10～15％；15～20％；10～12％；12～15％；15～18％；或18～20％等。

步骤1)中，所述晶格的形状选自杆状支撑结构(如图11)、立方体(如图12)、螺旋24面体结构(Gyroid)(如图13)、金刚石菱形体结构(如图14)、蜂窝状结构(如图15)、金字塔角锥体结构(双金字塔式结构如图16)、Schwarz曲面(如图17)、Neovius曲面(如图18)结构中的一种或多种的组合。使隔热板结构中产生足够的中空结构。

Schwarz曲面和Neovius曲面结构需要二次开发。其中Schwarz曲面满足公式cos xcos y cos z＝sin x sin y sin z。Neovius曲面满足公式cos xcos y+cos ycos z+coszcos x＝-0.25。

通常，晶格之间为了形成空格，需要使得晶格的厚度和相邻晶格之间的间距保持在合理的范围内。其中晶格的厚度例如可以为1～5cm；1～3cm；3～5cm；1～2cm；2～3cm；3～4cm；或4～5cm等。相邻晶格之间的间距例如可以为1～5cm；1～3cm；3～5cm；1～2cm；2～3cm；3～4cm；或4～5cm等。

步骤1)中，构建后的第二壳体包括与第一热端壳体相对设置的第二热端壳体以及与第一冷端壳体相对设置的第二冷端壳体。

一实施例中，构建后的所述第二热端壳体和第二冷端壳体的外表面为圆形；在所述第二壳体上构建出料孔。如图5，第二热端壳体和第二冷端壳体对称设置，中间有一定的距离，在第二热端壳体和第二冷端壳体的边缘处逐渐靠拢形成第二壳体。出料孔用于引出第二腔体内部晶格成型过程中多余的镍基合金粉末。出料孔的孔径例如可以为5～10cm；5～8cm；8～10cm；5～6cm；6～7cm；7～8cm；8～9cm；或9～10cm等。

另一实施例中，所述第二热端壳体和第二冷端壳体的表面也可以分别为对称的2个半圆形，如图2和4，第二热端壳体和第二冷端壳体对称设置，中间有一定的距离，在第二热端壳体和第二冷端壳体的边缘处逐渐靠拢形成第二壳体。2个半圆形可以分别与其他部件一同装配在一起，其他部件例如可以为扩压器或涡轮导向器等。其中，两半圆形结构的对称面上设有镂空结构，以方便出粉(多余的镍基合金粉末)。

本发明所提供的隔热板结构的成型方法中，所述步骤2)是将步骤1)构建获得的隔热板结构模型转化成3D打印可读取的格式文件(例如STL格式)，使用切片软件将STL格式的文件进行切片，按照每层20～50微米的高度，沿着成型方向切片，打印设备保存每一层信息进行记录。其中高度例如也可以是20～30微米，30～40微米，或40～50微米等。

本发明所提供的隔热板结构的成型方法中，所述步骤3)是将采用镍基合金粉末进行选区激光熔化，设置选区激光熔化加工过程的加工工艺参数，按照步骤2)保存的每一层信息，并进行激光加工。具体的：

所述步骤3)中，所述镍基合金粉末的粒径为10～60微米。在一些实施例中，所述镍基合金粉末的粒径也可以为10～30微米，30～60微米，10～20微米，20～30微米，30～40微米，40～50微米，或50～60微米等。所述粉末粒径分布的中位数D50为35微米。粉末球化率为95％以上。所述镍基合金粉末例如可以是HX，Inconel 718等。

所述步骤3)中，所述选区激光熔化是在惰性气体的氛围下进行，惰性气体一般为氩气；其中，氧含量浓度低于100ppmV。

所述步骤3)中，所述选区激光熔化采用选区激光熔化打印设备，例如可以是德国SLM 280设备。所述选区激光熔化打印设备的基板预热温度可以为200～400℃；200～300℃；300～400℃；200～250℃；250～300℃；300～350℃；或350～400℃等。

所述步骤3)中，所述选区激光熔化加工过程的加工工艺参数包括激光功率、扫描速度、光斑直径、激光搭接、X轴、Y轴的偏移、光斑补偿等。具体的：

激光功率为100～400W。在一些实施例中，所述激光功率例如可以为100～200W；200～300W；300～400W等。

扫描速度为800～1500mm/s。在一些实施例中，扫描速度为800～1000mm/s；1000～1200mm/s；1200～1500mm/s；900～1400mm/s；1000～1300mm/s；或1100～1200mm/s等。

光斑直径为0.05～0.1mm。在一些实施例中，光斑直径为0.05～0.08mm；0.08～0.1mm；0.06～0.09mm；或0.07～0.08mm等。

激光搭接为0～1mm。在一些实施例中，激光搭接为0.1～1mm；0.1～0.5mm；0.5～1mm；0.1～0.3mm；0.3～0.5mm；0.5～0.8mm；或0.8～1mm。

X轴、Y轴的偏移均为0.05～0.15％。在一些实施例中，X轴、Y轴的偏移均为0.05～0.1％；0.05～0.15％；0.1～0.15％；0.05～0.08％；0.08～0.1％；0.1～0.12％；或0.12～0.15％等。

光斑补偿为0.05mm～0.13mm。在一些实施例中，光斑补偿为0.05mm～0.08mm；0.08mm～0.13mm；0.05mm～0.1mm；或0.1mm～0.13mm等。

本发明所提供的隔热板结构的成型方法中，所述步骤4)是将步骤3)激光加工后的零件进行后处理后获得隔热板结构。具体的，所述后处理步骤包括激光加工后的零件经过除粉、线切割使其与成型基板分离；再通过热处理、喷砂、机加工抛光制备获得隔热板结构。

本发明第二方面提供一种隔热板结构，采用本发明第一方面所述隔热板结构的成型方法获得。如图1～6，所述隔热板结构包括第一壳体1和围绕第一壳体1外围设置的第二壳体2；所述第一壳体1包括相对设置的第一热端壳体11和第一冷端壳体12，所述第一热端壳体11和第一冷端壳体12围合设有第一空腔3；所述第一壳体1和第二壳体2之间设有第二空腔4；在所述第二空腔4中设有晶格5，所述晶格5的延伸方向与第二空腔4的延伸方向一致或呈一定角度。隔热板内部已经设计成晶格5结构。当热量从热端传递到隔热板上时，在内部实际传递热量的是这些晶格5结构上的细杆或者曲面，而通过中空结构的热量很少，从而在整体上降低了热量在单位时间的传递。

本发明所提供的隔热板结构中，所述第一空腔3的厚度为隔热板结构厚度的50％以上。在一些实施例中，所述第一空腔3的厚度为隔热板结构厚度的50～80％；50～60％；60～70％；或70～80％等。

本发明所提供的隔热板结构中，所述第二空腔4的厚度为隔热板结构厚度的10～20％。在一些实施例中，所述第二空腔4的厚度为隔热板结构模型厚度的10～15％；15～20％；10～12％；12～15％；15～18％；或18～20％等。

本发明所提供的隔热板结构中，如图11～18，所述晶格5的形状选自杆状支撑结构、立方体、螺旋24面体结构、金刚石菱形体结构、蜂窝状结构、金字塔角锥体结构、Schwarz曲面、Neovius曲面结构中的一种。结构同本发明第一方面所述的隔热板结构的成型方法中的描述。

本发明所提供的隔热板结构中，如图1和2，所述第二壳体2包括与第一热端壳体11相对设置的第二热端壳体21以及与第一冷端壳体12相对设置的第二冷端壳体22。

一实施例中，第二热端壳体21和第二冷端壳体22的外表面为圆形。如图5，第二热端壳体和第二冷端壳体对称设置，中间有一定的距离，在第二热端壳体和第二冷端壳体的边缘处逐渐靠拢形成第二壳体。如图5和6，所述第二壳体2上设有出料孔6。出料孔6用于引出第二腔体内部晶格5成型过程中多余的镍基合金粉末。

另一实施例中，所述第二热端壳体21和第二冷端壳体22的表面也可以分别为对称的2个半圆形，如图2和4，第二热端壳体和第二冷端壳体对称设置，中间有一定的距离，在第二热端壳体和第二冷端壳体的边缘处逐渐靠拢形成第二壳体。其中，两半圆形结构的对称面上设有镂空结构，以方便出粉(多余的镍基合金粉末)。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

通过本发明成型方法制备获得的隔热板结构，金属实体体积小，中空度高，减重超过50％。单位时间内，传递热量减少，起到了强化隔热的效果。因整个结构热通量少，冷热温差产生的热应力小，形变量降低，提高零件使用寿命。

本发明中的内部晶格结构无法通过传统机械加工的方法，而利选区激光熔化这种增材制造技术可以快速高效地完成成型工作，是一种典型的能体现结构功能一体化理念的设计制造方案。

以下结合实施例进一步说明本发明的有益效果。

为了使本发明的发明目的、技术方案和有益技术效果更加清晰，以下结合实施例进一步详细描述本发明。但是，应当理解的是，本发明的实施例仅仅是为了解释本发明，并非为了限制本发明，且本发明的实施例并不局限于说明书中给出的实施例。实施例中未注明具体实验条件或操作条件的按常规条件制作，或按材料供应商推荐的条件制作。

此外应理解，本发明中提到的一个或多个方法步骤并不排斥在所述组合步骤前后还可以存在其他方法步骤或在这些明确提到的步骤之间还可以插入其他方法步骤，除非另有说明；还应理解，本发明中提到的一个或多个设备/装置之间的组合连接关系并不排斥在所述组合设备/装置前后还可以存在其他设备/装置或在这些明确提到的两个设备/装置之间还可以插入其他设备/装置，除非另有说明。而且，除非另有说明，各方法步骤的编号仅为鉴别各方法步骤的便利工具，而非为限制各方法步骤的排列次序或限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容的情况下，当亦视为本发明可实施的范畴。

在下述实施例中，所使用到的试剂、材料以及仪器如没有特殊的说明，均可商购获得。

实施例1

隔热板结构成型方案介绍

步骤一：选取Inconel 718(GH4169)粉末为选区激光熔化成形用原材料，其中粒度小于10μm的粉末重量占比3％～5％，粒度大于50μm的粉末重量占比不超过15％，其余粒度范围为10～50μm之间，D50在35μm；利用干法粒子流动性测试结果≤45s，松装密度2.2～2.5g/cm³；Inconel 718粉末成分为：

步骤二：使用三维软件Ansys Spaceclaim，nTopology，3Matic构建隔热板墙体结构，利用杆状支撑结构建模方法将立方体杆状结构填充至腔体的中空结构中，并将其保存为STL格式；使用切片软件将STL格式的文件进行切片，切片厚度为30μm。

步骤三：采用德国SLM 280设备进行选区激光熔化成形加工，加工开始前先对基板进行预热，基板预热温度设置为200℃。然后向成形腔内通入氩气做保护气体，保证成型腔内氧含量不高于100ppmV。设定金属粉末铺粉厚度30μm，激光光斑直径75μm，激光功率200W，激光扫描速率900mm/s，激光扫描间距150μm。

步骤四：隔热板零件在成型仓加工成型后，采用慢走丝电火花线切割机床进行线切割；然后将切割完成后的零件通过对称面侧的镂空清除腔体内部粉末，然后对整体进行超声波清洗，采用无水乙醇作为介质。

步骤五：对零件外表面进行喷砂和抛光，以及作必要的额外机械加工以达到装配性能。

实施例2

隔热板结构的第二空腔4中设置的晶格为3横杆和6竖杆。以简单U型结构示意，如图8所示。

实施例3

隔热板结构的第二空腔4中设置的晶格为9横杆和36竖杆。以简单U型结构示意，如图9所示。

对比例1

隔热板结构无第二空腔中，第二空腔4处是实体结构，且无设置晶格。以简单U型结构示意，如图7所示。

从实施例2、实施例3和对比例1来看，三种由细杆组成的晶格结构密度不同的简单U型结构，等效实际的隔热板结构的传热效果和结构变形变化，在两侧分别为高低温情况下，比较其热通量以及热变形的变化。

低温高温均通过面热源的形式，加载到该结构上，内部结构分为三种，如图7～9。

低温面的热通量情况：如图10a、10b和10c所示。

由于用于热量传递的实体结构的减少，低温面的热通量面平均值上，经过图10b结构的为图10a结构的33％，图10c结构为图10a结构的40％。说明晶格5结构的填充降低了热量的传递速度，晶格5结构密度越大，越接近纯实体，所以热通量变大。

通过ANSYS Workbench软件进行数值模拟计算，将U型结构的两侧分别设为高温低温端，分别为100℃和1500℃。通过静力学CAE分析，比较三种结构的变形，将低温端设置为基准，比较高温端在热应力作用产生的整体最大应变上时，图8结构比图7结构减小了6％，图9结构比图7结构减小了10％。说明该种晶格5填充结构减小了隔热板的整体变形量，提高了性能。需要指出的是，不同的晶格5填充策略和填充密度对于变形量的影响需要根据实际受热情况来决定。

本发明提出的隔热板结构及其成型方法，其优势主要由设计、成型过程以及性能三个方面组成。其中，设计方面主要体现在随形晶格结构的填充，在建模阶段利用与3D打印成形方法匹配的新型建模软件(Ansys Spaceclaim，nTopology，3Matic)能够快速使得晶格以三角面片的形式填充在实体内部，尤其在晶格结构复杂情况下大大减少了建模时间；成型过程中，由于选区激光熔化技术的优势，可以短时间内通过增材制造完成复杂内部晶格结构的建模，且不需要额外的机械加工过程；性能上，基于传统结构的隔热板，增强隔热和减小热应变物理上相违背，使用随形晶格填充后，在减小了热应变量的同时还大大降低了经过隔热板的热量传递。

本发明提出的隔热板结构及其成型方法，已通过较佳的实施例子进行了描述，相关技术人员明显能在不脱离本发明内容、精神和范围内对本文所述的工艺方法进行改动或适当变更与组合，来实现本发明技术。特别需要指出的是，所有相类似的替换和改动对本领域的技术人员是显而易见的，它们都会被视为包含在本发明精神、范围和内容中。

Claims (10)

1.一种隔热板结构的成型方法，所述成型方法包括如下步骤：

1)利用随形拓扑设计软件构建隔热板结构模型，所述隔热板结构模型包括构建第一壳体和围绕第一壳体外围构建的第二壳体；所述第一壳体包括相对设置的第一热端壳体和第一冷端壳体，所述第一热端壳体和第一冷端壳体围合形成第一空腔；所述第一壳体和第二壳体之间形成第二空腔；在所述第二空腔中构建晶格，构建后获得隔热板结构模型；

2)将步骤1)构建获得的隔热板结构模型转化成3D打印可读取的格式文件，设置每层高度，沿着成型方向切片，打印设备保存每一层信息进行记录；

3)采用镍基合金粉末进行选区激光熔化，设置选区激光熔化加工过程的加工工艺参数，按照步骤2)保存的每一层信息，并进行激光加工；

4)将步骤3)激光加工后的零件进行后处理后获得隔热板结构；

所述步骤1)中，所述第一空腔的厚度为隔热板结构模型厚度的50％以上；所述第二空腔的厚度为隔热板结构模型厚度的10～20％；构建后的第二壳体包括与第一热端壳体相对设置的第二热端壳体以及与第一冷端壳体相对设置的第二冷端壳体；构建后的所述第二热端壳体和第二冷端壳体的外表面为圆形；在所述第二壳体上构建出料孔；所述步骤3)中，所述镍基合金粉末的粒径为10～60微米；光斑直径为0.05～0.1mm。

2.如权利要求1所述的隔热板结构的成型方法，其特征在于，所述步骤1)中，所述晶格的形状选自杆状支撑结构、立方体、螺旋24面体结构、金刚石菱形体结构、蜂窝状结构、金字塔角锥体结构、Schwarz曲面、Neovius曲面结构中的一种或多种的组合。

3.如权利要求1所述的隔热板结构的成型方法，其特征在于，构建后的所述第二热端壳体和第二冷端壳体的外表面分别为对称的2个半圆形，其中，在两半圆形结构的对称面上构建镂空结构。

4.如权利要求1所述的隔热板结构的成型方法，其特征在于，所述步骤2)中每层高度为20～50微米；

所述步骤3)中，所述镍基合金粉末的粒径为10～60微米；粉末粒径分布的中位数D50为35微米；粉末球化率为95％以上；

和/或，所述步骤3)中，所述选区激光熔化是在惰性气体的氛围下进行；其中，氧含量浓度低于100ppmV；

和/或，所述步骤3)中，所述选区激光熔化采用选区激光熔化打印设备，所述选区激光熔化打印设备的基板预热温度为200～400℃。

5.如权利要求1所述的隔热板结构的成型方法，其特征在于，所述步骤3)中，所述选区激光熔化加工过程的加工工艺参数包括：

激光功率为100～400W；

扫描速度为800～1500mm/s；

光斑直径为0.05～0.1mm；

激光搭接为0～1mm；

X轴、Y轴的偏移均为0.05～0.15％；

光斑补偿为0.05mm～0.13mm。

6.如权利要求1所述的隔热板结构的成型方法，其特征在于，所述步骤4)中，所述后处理步骤包括激光加工后的零件经过除粉、线切割使其与成型基板分离；再通过热处理、喷砂、机加工抛光制备获得隔热板结构。

7.一种隔热板结构，采用如权利要求1～6任一项权利要求所述的成型方法获得；其特征在于，所述隔热板结构包括第一壳体(1)和围绕第一壳体(1)外围设置的第二壳体(2)；所述第一壳体(1)包括相对设置的第一热端壳体(11)和第一冷端壳体(12)，所述第一热端壳体(11)和第一冷端壳体(12)围合设有第一空腔(3)；所述第一壳体(1)和第二壳体(2)之间设有第二空腔(4)；在所述第二空腔(4)中设有晶格(5)，所述晶格(5)的延伸方向与第二空腔(4)的延伸方向一致或呈一定角度。

8.如权利要求7所述的隔热板结构，其特征在于，所述第一空腔(3)的厚度为隔热板结构厚度的50％以上；

所述第二空腔(4)的厚度为隔热板结构厚度的10～20％。

9.如权利要求7所述的隔热板结构，其特征在于，所述晶格(5)的形状选自杆状支撑结构、立方体、螺旋24面体结构、金刚石菱形体结构、蜂窝状结构、金字塔角锥体结构、Schwarz曲面、Neovius曲面结构中的一种。

10.如权利要求7所述的隔热板结构，其特征在于，所述第二壳体(2)包括与第一热端壳体(11)相对设置的第二热端壳体(21)以及与第一冷端壳体(12)相对设置的第二冷端壳体(22)；

第二热端壳体(21)和第二冷端壳体(22)的外表面为圆形；所述第二壳体(2)上设有出料孔(6)；

和/或，所述第二热端壳体(21)和第二冷端壳体(22)的表面分别为对称的2个半圆形，

其中，两半圆形结构的对称面上设有镂空结构。

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