CN114309651B - 一种异型悬垂内流道结构件slm成形方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于高温合金结构件的选区激光熔化成形技术领域，公开了一种异型悬垂内流道结构件SLM成形方法，包括：成形方向选择，支撑添加，余量添加，基板选择以及采用单层扫描对首层粉末进行烧结，然后进行逐层烧结。本发明提供的异型悬垂内流道结构件SLM成形方法，成形了异型悬垂内流道结构件体，零件经荧光检测未发现缺陷，此外，零件本体取样进行高倍金相组织观察，裂纹、未熔合及气孔等缺陷。本发明方法简单有效，过程稳定可靠，零件性能优良。

Description

一种异型悬垂内流道结构件SLM成形方法

技术领域

本发明涉及于高温合金结构件的选区激光熔化成形技术领域，特别涉及一种异型悬垂内流道结构件SLM成形方法。

背景技术

SLM成形是一种金属粉末在高能束激光的作用下快速熔化并快速冷却凝固成型的技术，该技术突破了传统制造工艺的变形成形和去除成形的常规思路，可根据零件三维数模，利用金属粉末无需任何工装夹具和模具，直接获得任意复杂形状的实体零件，实现“净成形”的材料加工新理念，特别适用于具有复杂内腔结构或异形薄壁的难加工钛合金、高温合金等零件。一种异型悬垂内流道结构件，外形结构复杂，属于异型曲面，精度要求较高，同时内部带有直径不等的流道，传统的加工方法已难以推动异型悬垂内流道结构件的迅速发展，因此，亟待发明一种异型悬垂内流道结构件SLM成形方法，由于零件服役条件苛刻，零件力学性能及微观组织性能要求高，因此对SLM成形也提出了较大的挑战，通过工艺方案设计，能够“净成形”或“近净成形”出复杂结构零件、提高材料的利用率、减少后续的加工流程。

发明内容

本发明提供一种异型悬垂内流道结构件SLM成形方法，以提高产品的性能及生产效率。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种异型悬垂内流道结构件SLM成形方法，包括：

成形方向选择，以一侧法兰盘为成形底面，控制“回”字矩形框架宽度方向与铺粉方向平行，三通管道水平部分延伸方向与铺粉方向相同，有效规避逆刮刀结构，零件成形高度183mm；

支撑添加，

针对顶部法兰悬空结构，设计带角度的实体支撑，规避零件本体结构；

针对悬空的“回”字框架结构，在框底面添加栅格形支撑辅以网格支撑，且“回”字框架内表面悬空结构，添加栅格形实体支撑，辅以网格支撑，以承接下一层粉末层；

针对悬空的实体正方形结构，以及突出的喷嘴，在其下方设置“Y”形实体支撑平台，支撑平台与零件本体之间设置实体小圆柱支撑，辅以网格支撑；

针对零件上下半壳体部位的中间部位，采取设计多层回转体结构进行连接，增加零件整体刚度避免零件变形；

在回转体中间部位开设椭圆形孔，作为出粉孔；

对于应力集中部位，设计纵横交叉的小筋条；

以此连接筒体本身及底部旁路，抑制应力集中；

余量添加，

正方形法兰中间的孔直接打印出来，细管路上的孔直接成形作为出粉孔，其他孔均打印后机械加工；

上法兰端面留有2.5mm加工余量，下法兰端面留有4.5mm加工余量，机械加工保证端面粗糙度、平面度、两端面平行度，内孔单边1.5mm加工余量，并通过机械加工保证其公差要求；

“回”字框架形结构本体上部下连线外表面添加反变形补偿；

“回”字形框架结构、悬空正方形法兰结构厚度方向添加反变形补偿；

圆柱形实体支撑与上法兰接触处添加反变形补偿；

基板选择，选择材质与构件材料润湿性好、线膨胀系数与构件材料一致或接近的不锈钢基板，厚度t＝35～45mm；

采用单层扫描对首层粉末进行烧结，然后进行逐层烧结，铺粉层厚0.04mm，扫描间距0.08-0.12mm，实体速度700-1000mm/s，内轮廓速度600-900mm/s，外轮廓速度为100-400mm/s。

进一步地，粉材在真空干燥箱中进行烘干，烘干温度80℃，时间6小时。

进一步地，还包括：

零件的后处理：

零件成形完成后24小时内进行退火热处理：随炉升温至500±10℃，保湿0.5小时，继续升温至800±10℃，保温0.5小时，升温至980±10℃，保温1小时，通高纯氮至0.8～1.8×10e5Pa，80℃以下出炉；通过线切割将零件从基板上分离下来；

热等静压热处理，机制如下：随炉升温至1180±20℃，压强

≥140Mpa，保载240min；

进行固溶热处理，机制如下：零件不大于100℃入炉，随炉升温，加热到500℃±10℃，保温0.5h；继续加热到800℃±10℃，保温0.5h；升温到温度1177℃±10℃，温度到达后保温1h；以上升温保温过程中，升温速度不超过300℃/h，保持真空工作压强0.1～10Pa，油冷；

液体吹砂，吹砂参数如下：磨料为刚玉砂，粒度20-180目，压缩空气压力0.4-0.6MPa，喷嘴直径12.5mm，吹砂距离≥100mm；

零件进行精加工，保证最终尺寸要求。

本申请实施例中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：

本申请实施例中提供异型悬垂内流道结构件体SLM成形方向选择、支撑添加、余量添加、基板选择与激光成形，以及零件的后续处理要求，有效地控制成形缺陷的产生，采用SLM技术将零件一体成形，不仅提高了原材料的利用率、加工效率，还可以节约成本。该方法简单实用、实施方便，特别适用于异型悬垂内流道结构件体SLM成形。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的异型悬垂内流道结构件体的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的异型悬垂内流道结构件体的取样金相图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

需要说明的是，本申请实施例中所有方向性指示仅用于解释在某一特定姿态下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

下文的公开提供了许多不同的实施例或例子用来实现本申请的不同结构。为了简化本申请的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本申请。此外，本申请可以在不同例子中重复参考数字和/或参考字母，这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施例和/或设置之间的关系。此外，本申请提供了的各种特定的工艺和材料的例子，但是本领域普通技术人员可以意识到其他工艺的应用和/或其他材料的使用。

下面结合附图并参考具体实施例描述本申请。

本申请实施例通过提供一种异型悬垂内流道结构件SLM成形方法，以提高产品的性能及生产效率。

为了更好地理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细说明，应当理解本发明实施例以及实施例中的具体特征是对本申请技术方案的详细的说明，而不是对本申请技术方案的限定，在不冲突的情况下，本申请实施例以及实施例中的技术特征可以相互组合。

参见图1和图2，一种异型悬垂内流道结构件SLM成形方法明确了零件结构设计、余量设计、摆放、支撑设计以及后处理等工序。该构件为典型的框架筒体悬臂复合结构件，内部带有异型流道，上下两端为对称法兰，旁路为三通弯管。在零件一侧为“回”字形矩形框架结构，在其对侧为悬臂的正方形法兰结构。内部流道存在流道及变直径流道，整体结构复杂，零件整体包络尺寸为160*110*180mm。通过成形方向选择、支撑添加方案设计、余量添加方案设计等，有效地实现异型悬垂内流道结构件的SLM成形，成形质量稳定可靠。

采用该方法成形了异型悬垂内流道结构件体，零件经荧光检测未发现缺陷，此外，零件本体取样进行高倍金相组织观察，裂纹、未熔合及气孔等缺陷。本实施例方法简单有效，过程稳定可靠，零件性能优良。

本发明方法明确了一种异型悬垂内流道结构件体SLM成形方向选择、支撑添加、余量添加、基板选择与激光成形，以及零件的后续处理要求，有效地控制成形缺陷的产生，采用SLM技术将零件一体成形，不仅提高了原材料的利用率、加工效率，还可以节约成本。该方法简单实用、实施方便，特别适用于异型悬垂内流道结构件体SLM成形。

下面结合附图和实例对本发明作进一步说明。

本实施例涉及的异型悬垂内流道结构件体为典型的框架筒体悬臂复合结构件，内部带有异型流道，上下两端为对称法兰，旁路为三通弯管。在零件一侧为“回”字形矩形框架结构，在其对侧为悬臂的正方形法兰结构。内部流道存在流道及变直径流道，整体结构复杂，零件整体包络尺寸为160*110*180mm，属于中小型结构件。

(1)模型前处理：在三维模型处理软件UG上进行余量及实体支撑添加，将零件导出为STL格式，在Magics软件中进行零件修复、摆放、块状支撑添加，并进行零件切片，生成成形程序。

(2)粉材烘干：在真空干燥箱中进行粉材烘干，烘干温度80℃，时间6小时。

(3)安装刮刀及基板：将成形平台降低一定高度，然后将刮刀移动到平台上方，拆下毛刷刮刀查看损伤程度，必要时更换新的刮刀。安装基板并进行初步位置调整。通过移动成形平台使得基板表面与成形仓底面齐平。将刮刀移动到平台上方，松掉顶丝，使毛刷刀处于自由落体状态，然后平台上升4mm，按照从里往外的顺序拧紧顶丝。确认收粉桶已安装且阀门已打开后进行铺粉操作，调整送粉比例为200％，通过铺粉效果微调基板位置，直到透过粉末层可以看到基板轮廓。基板位置确定后，使用专用的IPA和擦镜纸以从里向外螺旋的方式清洁激光入射保护镜。安装吸气槽，检查成形仓内壁上下方的进风口挡板是否安装。关闭成形仓门，点击“门锁”按钮，按下设备上的蓝色“复位”按钮，开启平台加热，进行成形仓洗气。

(4)SLM成形：成形仓氧深度降低至1000PPM以下时，采用单层扫描对首层粉末进行烧结，然后进行逐层烧结，铺粉层厚0.04mm，扫描间距0.08-0.12mm，实体速度700-1000mm/s，内轮廓速度600-900mm/s，外轮廓速度为100-400mm/s。

(5)零件及基板的拆卸：打开成形舱，开启防爆吸尘器清理箱门和吸气槽内的粉末，清理完成后，将吸气槽放置外设平台上，将设备内的粉材按一级回收粉和二级回收粉分开。(注：一级粉为：送粉仓内还未使用的粉末，二级粉：成形仓、收粉仓、零件腔内及表面附着粉末)；在保证设备内的粉材不高于吸气槽放置平台的同时，上移成形仓平台，使用粉刷将成形仓和零件表面附着的粉材清扫到收粉仓内，依次循环此过程，直至成形仓内干净无粉材，以对角线顺序拧下基板上的4个螺钉，取下带零件的基板放置移动车平台上，随后清理送粉仓粉末，最后使用吸尘器进一步的清理设备。

(6)产品的清粉：①将零件固定，部分清粉口朝下，采用震动的方式，进行清粉，然后转换角度，另一方向朝向的清粉口朝下，继续进行震动清粉，往复执行3-4次，直到无明显肉眼可见粉末流出；②采用0.8MPa压缩空气，对零件各流道口进行高压吹洗，吹洗时间5-20分钟；③进行超声波清洗，清洗时间5-10分钟，保证零件内部残粉清理干净。

(7)零件的后处理：①零件成形完成后24小时内送退火热处理，退火机制如下：随炉升温至(500±10)℃，保湿0.5小时，继续升温至(800±10)℃，保温0.5小时，升温至(980±10)℃，保温1小时，通高纯氮至(0.8～1.8)×10e5Pa,80℃以下出炉；②通过线切割将零件从基板上分离下来；③热等静压热处理，机制如下：随炉升温至(1180±20)℃，压强≥140Mpa，保载240min；④进行固溶热处理，机制如下：零件不大于100℃入炉，随炉升温，加热到500℃±10℃，保温0.5h；继续加热到800℃±10℃，保温0.5h；升温到温度1177℃±10℃，温度到达后保温1h；以上升温保温过程中，升温速度不超过300℃/h，保持真空工作压强(0.1～10)Pa，油冷；⑤液体吹砂，吹砂参数如下：磨料为刚玉砂，粒度20-180目，压缩空气压力0.4-0.6MPa，喷嘴直径12.5mm，吹砂距离≥100mm。⑥零件进行精加工，保证最终尺寸要求。

在本申请中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；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或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。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申请中的具体含义。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”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。

另外，在本申请中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本申请要求的保护范围之内。

在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例进行结合和组合

尽管已描述了本申请的优选实施例，但本领域内的普通技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例做出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本申请范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本申请进行各种改动和变型而不脱离本申请的精神和范围。这样，倘若本申请的这些修改和变型属于本申请权利要求及其等同技术的范围之内，则本申请也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (3)

1.一种异型悬垂内流道结构件SLM成形方法，其特征在于，包括：

成形方向选择，以一侧法兰盘为成形底面，控制“回”字矩形框架宽度方向与铺粉方向平行，三通管道水平部分延伸方向与铺粉方向相同，有效规避逆刮刀结构，零件成形高度183mm；

支撑添加，

针对顶部法兰悬空结构，设计带角度的实体支撑，规避零件本体结构；

针对悬空的“回”字框架结构，在框底面添加栅格形支撑辅以网格支撑，且“回”字框架内表面悬空结构，添加栅格形实体支撑，辅以网格支撑，以承接下一层粉末层；

针对悬空的实体正方形结构，以及突出的喷嘴，在其下方设置“Y”形实体支撑平台，支撑平台与零件本体之间设置实体小圆柱支撑，辅以网格支撑；

针对零件上下半壳体部位的中间部位，采取设计多层回转体结构进行连接，增加零件整体刚度避免零件变形；

在回转体中间部位开设椭圆形孔，作为出粉孔；

对于应力集中部位，设计纵横交叉的小筋条；

以此连接筒体本身及底部旁路，抑制应力集中；

余量添加，

正方形法兰中间的孔直接打印出来，细管路上的孔直接成形作为出粉孔，其他孔均打印后机械加工；

上法兰端面留有2.5mm加工余量，下法兰端面留有4.5mm加工余量，机械加工保证端面粗糙度、平面度、两端面平行度，内孔单边1.5mm加工余量，并通过机械加工保证其公差要求；

“回”字框架形结构本体上部下连线外表面添加反变形补偿；

“回”字形框架结构、悬空正方形法兰结构厚度方向添加反变形补偿；

圆柱形实体支撑与上法兰接触处添加反变形补偿；

基板选择，选择材质与构件材料润湿性好、线膨胀系数与构件材料一致或接近的不锈钢基板，厚度t＝35～45mm；

采用单层扫描对首层粉末进行烧结，然后进行逐层烧结，铺粉层厚0.04mm，扫描间距0.08-0.12mm，实体速度700-1000mm/s，内轮廓速度600-900mm/s，外轮廓速度为100-400mm/s。

2.如权利要求1所述的异型悬垂内流道结构件SLM成形方法，其特征在于，粉材在真空干燥箱中进行烘干，烘干温度80℃，时间6小时。

3.如权利要求1所述的异型悬垂内流道结构件SLM成形方法，其特征在于，还包括：

零件的后处理：

零件成形完成后24小时内进行退火热处理：随炉升温至500±10℃，保湿0.5小时，继续升温至800±10℃，保温0.5小时，升温至980±10℃，保温1小时，通高纯氮至0.8～1.8×10e5Pa，80℃以下出炉；

通过线切割将零件从基板上分离下来；

热等静压热处理，机制如下：随炉升温至1180±20℃，压强≥140Mpa，保载240min；

进行固溶热处理，机制如下：零件不大于100℃入炉，随炉升温，加热到500℃±10℃，保温0.5h；继续加热到800℃±10℃，保温0.5h；升温到温度1177℃±10℃，温度到达后保温1h；以上升温保温过程中，升温速度不超过300℃/h，保持真空工作压强0.1～10Pa，油冷；

液体吹砂，吹砂参数如下：磨料为刚玉砂，粒度20-180目，压缩空气压力0.4-0.6MPa，喷嘴直径12.5mm，吹砂距离≥100mm；

零件进行精加工，保证最终尺寸要求。

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