CN114135399B - 一种复杂薄壁结构挡溅盘及其激光选区熔化成形工艺 - Google Patents

一种复杂薄壁结构挡溅盘及其激光选区熔化成形工艺 Download PDF

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Abstract

本发明的目的在于提供一种复杂薄壁结构挡溅盘及其激光选区熔化成形工艺，所述挡溅盘由扇面和位于扇面尾部的弯曲端组成，在扇面上设有一个通孔，扇面的表面上均匀分布有多个扰流柱，在挡溅盘两侧设有侧边加强肋。本发明通过结构的优化设计提高了挡溅盘的刚度和散热，从而提高了挡溅盘的服役寿命。通过激光选区熔化成形工艺实现复杂结构挡溅盘的制造，可以满足复杂薄壁结构挡溅盘的功能性、实用性、经济性要求，独特的支撑添加方案保证了复杂薄壁结构挡溅盘的尺寸精度。

Description

一种复杂薄壁结构挡溅盘及其激光选区熔化成形工艺
技术领域
本发明涉及航空发动机及金属增材制造技术领域，特别提供一种复杂薄壁结构挡溅盘及其激光选区熔化成形工艺。
背景技术
挡溅盘位于燃烧室火焰筒头部位置，其功能是防止雾化燃油喷溅至火焰筒壁面引起局部高温烧蚀。原挡溅盘为钣金成型件，主体为扇形平板结构，厚度仅为1.5mm，在服役过程中容易受燃烧室火焰强烈的热辐射作用而导致其发生热变形，使用寿命较短。
为了进一步提高航空发动机性能，本发明对挡溅盘结构进行了优化，针对挡溅盘优化后的复杂结构，采用传统的加工制造技术存在加工周期长、成本高、材料利用率低等劣势，难以满足设计要求，因此，本发明进一步提供了一种采用增材制造技术中的激光选区熔化成形技术制备挡溅盘的方法，该方法可以弥补传统加工技术的不足，针对成形难加工合金和工艺控制方面具有一定的优势，可以实现复杂薄壁结构挡溅盘的快速近净成形，同时也可以保证挡溅的优异力学性能。
由于激光选区熔化成形过程是一个快速加热和冷却的非平衡冶金过程，成形零件内部的温度梯度较大，因此导致成形零件内部存在较大的热应力，容易引起成形零件的变形及开裂，对薄壁挡溅盘的激光选区熔化成形带来了巨大的挑战。
发明内容
本发明的目的在于提供一种复杂薄壁结构挡溅盘及其激光选区熔化成形工艺，通过结构的优化设计提高了挡溅盘的刚度和散热，从而提高了挡溅盘的服役寿命。通过激光选区熔化成形工艺实现复杂结构挡溅盘的制造，可以满足复杂薄壁结构挡溅盘的功能性、实用性、经济性要求，独特的支撑添加方案保证了复杂薄壁结构挡溅盘的尺寸精度。
本发明技术方案如下：
一种复杂薄壁结构挡溅盘，其特征在于：所述挡溅盘1由扇面11和位于扇面尾部的弯曲端12组成，在扇面11上设有一个通孔，扇面11的表面上均匀分布有多个扰流柱2，在挡溅盘1两侧设有侧边加强肋3。
经优化后的挡溅盘1由于大面积添加了扰流柱2，同时侧边增加了侧边加强肋3，一定程度上提高了挡溅盘1的散热能力和刚度，抑制了服役过程中挡溅盘1的变形，提高了挡溅盘1的使用寿命，更能满足航空发动机的严苛工况，进一步提高了航空发动机的性能。所述扰流柱2的高度为1.8mm，直径为1.2mm。
作为优选的技术方案：所述扇面11顶端还设有齿状导流肋，所述弯曲端12表面还设有条状导流肋。
本发明还提供了所述复杂薄壁结构挡溅盘激光选区熔化成形工艺，其特征在于，具体步骤如下：
步骤一：采用建模软件对挡溅盘1进行三维建模导出stl格式文件，三角公差值设置为0.0025；
步骤二：对所述挡溅盘1的三维模型进行模型修复，并使挡溅盘1扇面11与基板4呈一定角度进行模型摆放，挡溅盘1成形时的扇面11指向与成形设备的刮刀铺粉方向相同；
步骤三：根据步骤二所述挡溅盘1的摆放方式，在基板4与挡溅盘1之间设置有空心凸台5，空心凸台5的内部空心形状符合增材制造成形原则即可，在保证刚度的情况下，较大空心体积百分比的方案较优，可以保证成形速率，所述空心凸台5上表面与挡溅盘1下表面间存在5-10mm空隙；在该空隙部分由生长于空心凸台5上表面的网格支撑6和锥支撑7填充，其中，网格支撑6的参数如下：x轴填充a为0.5mm，y轴填充b为0.5mm，旋转角度c为45°(网格对角线与水平方向的夹角)，x间隔d为5mm，y间隔e为5mm，分离宽度f为0.5mm；锥支撑7的顶部直径为0.5mm，底部直径为0.6-0.7mm，锥支撑7沿着挡溅盘1及其中心通孔四周排布，抑制成形时挡溅盘1在该处应力分布较大位置的变形；空心凸台5与挡溅盘1的较小间隙保证了网格支撑6和锥支撑7的刚度，抑制了网格支撑6和锥支撑7的变形；
步骤四：利用软件将添加支撑后的挡溅盘1模型进行切片与填充，层厚设置为0.03mm，光斑补偿值设置为0.05mm，生成.cli格式的加工文件；
步骤五：将步骤四所述加工文件导入激光选区熔化成形设备进行零件成形；挡溅盘1采用蛇形的扫描策略，空心凸台5采用棋盘式扫描策略，网格支撑6和锥支撑7采用条状扫描策略；
步骤六：对成形后的零件表面及支撑内粉末清理干净，直至用橡胶锤敲击后没有粉末落下；
步骤七：对成形整体进行去应力退火；
步骤八：采用线切割将支撑与基板分离，将零件与支撑分离；
步骤九：手工去除零件上的支撑，去除支撑过程要防止零件变形，不能出现缺损或磕、碰伤；
步骤十：零件表面整体打磨抛光，零件表面不得存在肉眼可见缺陷；
步骤十一：对零件表面进行喷砂处理，表面喷砂均匀，零件表面不允许有污渍，无磕、碰伤。
其中：
步骤二中，扇面11与基板4呈45°进行模型摆放，此时可以保证挡溅盘1成形的截面面积较小，有利于减小成形的应力，同时也能保证扰流柱2的成形。
步骤五中，挡溅盘1、空心凸台5、网格支撑6、锥支撑7成形参数相同，激光功率为200-240W，激光扫描速度为850-1000mm/s，填充间距为0.08-0.13mm，激光选区熔化成形的首层粉末曝光烧结2次，保证激光烧结后的零件实体与基板4充分连接；成形前5层的铺粉比例设置为300％，之后的铺粉比例设置为180％；每层铺粉开始时扫描方向顺时针旋转67°，最大程度减少重合次数，防止零件产生内应力和裂纹，保证零件成形的精度。
本发明的有益效果为：
1、本发明所述挡溅盘增加了扰流柱和加强肋以提高其刚度和散热，进而提高了挡溅盘的服役寿命。
2、本发明通过成形工艺的合理设置，最终实现复杂薄壁结构挡溅盘的制造，并很好的保证了挡溅盘的尺寸精度，防止发生热变形。
附图说明
图1挡溅盘侧视图。
图2挡溅盘主视图。
图3挡溅盘添加支撑后的示意图。
图4挡溅盘内部支撑剖视图。
图5网格支撑结构示意图。
附图标记：1挡溅盘、2扰流柱、3侧边加强肋、4基板、5空心凸台、6网格支撑、7锥支撑、11扇面、12弯曲端。
具体实施方式
如图1、2所示，在复杂薄壁结构挡溅盘1上添加扰流柱2和侧边加强肋3，挡溅盘主体扇面11的厚度为1.5mm，扰流柱2的高度为1.8mm，直径为1.2mm。
采用激光选区熔化成形工艺制备挡溅盘1，具体步骤如下：
步骤一：采用建模软件对挡溅盘1进行三维建模导出stl格式文件，三角公差值设置为0.0025；
步骤二：对所述挡溅盘1的三维模型进行模型修复，并使挡溅盘1扇面11与基板4呈45°进行模型摆放，挡溅盘1成形时的扇面1指向与成形设备的刮刀铺粉方向相同；
步骤三：根据步骤二所述挡溅盘1的摆放方式，在基板4与挡溅盘1之间设置有空心凸台5，所述空心凸台5上表面与挡溅盘1下表面间存在5mm空隙；在该空隙部分由生长于空心凸台5上表面的网格支撑6和锥支撑7填充，其中，网格支撑6的参数如下：x轴填充a为0.5mm，y轴填充b为0.5mm，旋转角度c为45°(网格对角线与水平方向的夹角)，x间隔d为5mm，y间隔e为5mm，分离宽度f为0.5mm；锥支撑7的顶部直径为0.5mm，底部直径为0.6mm；
步骤四：利用软件将添加支撑后的挡溅盘1模型进行切片与填充，层厚设置为0.03mm，光斑补偿值设置为0.05mm，生成.cli格式的加工文件；
步骤五：将步骤四所述加工文件导入激光选区熔化成形设备进行零件成形；挡溅盘1采用蛇形的扫描策略，空心凸台5采用棋盘式扫描策略，网格支撑6和锥支撑7采用条状扫描策略；挡溅盘1、空心凸台5、网格支撑6、锥支撑7成形参数相同，激光功率为200W，激光扫描速度为900mm/s，填充间距为0.10mm，激光选区熔化成形的首层粉末曝光烧结2次，保证激光烧结后的零件实体与基板4充分连接；成形前5层的铺粉比例设置为300％，之后的铺粉比例设置为180％；每层铺粉开始时扫描方向顺时针旋转67°，最大程度减少重合次数，防止零件产生内应力和裂纹，保证零件成形的精度；
步骤六：对成形后的零件表面及支撑内粉末清理干净，直至用橡胶锤敲击后没有粉末落下；
步骤七：对成形整体进行去应力退火；
步骤八：采用线切割将支撑与基板分离，将零件与支撑分离；
步骤九：手工去除零件上的支撑，去除支撑过程要防止零件变形，不能出现缺损或磕、碰伤；
步骤十：零件表面整体打磨抛光，零件表面不得存在肉眼可见缺陷；
步骤十一：对零件表面进行喷砂处理，表面喷砂均匀，零件表面不允许有污渍，无磕、碰伤。
本发明未尽事宜为公知技术。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种复杂薄壁结构挡溅盘，其特征在于：所述挡溅盘(1)由扇面(11)和位于扇面尾部的弯曲端(12)组成，在扇面上设有一个通孔，扇面(11)表面上均匀分布有多个扰流柱(2)，扰流柱(2)的分布位置与火焰筒中转接段的气膜孔位置交错排列，在挡溅盘(1)两侧设有侧边加强肋(3)；挡溅盘(1)的厚度为1.48-1.50mm；
所述复杂薄壁结构挡溅盘采用激光选区熔化成形工艺制备，具体步骤如下：
步骤一：采用建模软件对挡溅盘(1)进行三维建模导出stl格式文件，三角公差值设置为0.0025；
步骤二：对所述挡溅盘(1)的三维模型进行模型修复，并使挡溅盘(1)扇面(11)与基板(4)呈一定角度进行模型摆放，挡溅盘(1)成形时的扇面(11)指向与成形设备的刮刀铺粉方向相同；
步骤三：根据步骤二所述挡溅盘(1)的摆放方式，在基板(4)与挡溅盘(1)之间设置有空心凸台(5)，所述空心凸台(5)上表面与挡溅盘(1)下表面间存在5-10mm空隙；在该空隙部分由生长于空心凸台(5)上表面的网格支撑(6)和锥支撑(7)填充，其中，网格支撑(6)的参数如下：x轴填充a为0.5mm，y轴填充b为0.5mm，旋转角度c为45°，x间隔d为5mm，y间隔e为5mm，分离宽度f为0.5mm；锥支撑(7)的顶部直径为0.5mm，底部直径为0.6-0.7mm；
步骤四：利用软件将添加支撑后的挡溅盘(1)模型进行切片与填充，层厚设置为0.03mm，光斑补偿值设置为0.05mm，生成.cli格式的加工文件；
步骤五：将步骤四所述加工文件导入激光选区熔化成形设备进行零件成形；挡溅盘(1)采用蛇形的扫描策略，空心凸台(5)采用棋盘式扫描策略，网格支撑(6)和锥支撑(7)采用条状扫描策略；
步骤六：对成形后的零件表面及支撑内粉末清理干净，直至用橡胶锤敲击后没有粉末落下；
步骤七：对成形整体进行去应力退火；
步骤八：采用线切割将支撑与基板分离，将零件与支撑分离；
步骤九：手工去除零件上的支撑；
步骤十：零件表面整体打磨抛光，零件表面不得存在肉眼可见缺陷；
步骤十一：对零件表面进行喷砂处理。
2.按照权利要求1所述复杂薄壁结构挡溅盘，其特征在于：所述扇面(11)顶端设有齿状导流肋，所述弯曲端(12)表面设有条状导流肋。
3.按照权利要求1所述复杂薄壁结构挡溅盘，其特征在于：所述扰流柱(2)的高度为1.8mm，直径为1.2mm。
4.按照权利要求1所述复杂薄壁结构挡溅盘，其特征在于：步骤二中，扇面(11)与基板(4)呈45°进行模型摆放。
5.按照权利要求1所述复杂薄壁结构挡溅盘，其特征在于：步骤五中，挡溅盘(1)、空心凸台(5)、网格支撑(6)、锥支撑(7)成形参数相同，激光功率为200-240W，激光扫描速度为850-1000mm/s，填充间距为0.08-0.13mm，激光选区熔化成形的首层粉末曝光烧结2次，保证激光烧结后的零件实体与基板(4)充分连接；成形前5层的铺粉比例设置为300％，之后的铺粉比例设置为180％；每层铺粉开始时扫描方向顺时针旋转67°。
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