CN114433871A - 一种钴基高温合金挡板的激光选区熔化成形制造工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明一种钴基高温合金挡板的激光选区熔化成形制造工艺，S1、选用材料及设定工艺参数；S2、应力开裂试件制备及检测；S3、摆放方案设计：采用斜向侧倾摆放；S4、支撑结构设计为三种类型：镂空块状支撑、不镂空块状支撑、轮廓实体支撑；S5、激光选区熔化成形；S6、去应力退火；S7、后处理：零件从基板上取下，进行支撑去除及表面喷砂；S8、热处理；S9、热等静压。本发明实现了GH5188合金的激光选区熔化成形，突破了易开裂、性能不足、变形等难题。成形的挡板零件尺寸精度高、变形小、表面质量好，力学性能优于铸件，并具有低成本短周期优势。并可推广应用于其他GH5188合金零部件，解决传统工艺制造难、周期长、成本高等问题。
Description
技术领域
本发明涉及激光选区熔化成形技术领域，具体涉及一种钴基高温合金挡板的激光选区熔化成形制造工艺。
背景技术
GH5188为钴基高温合金，具有良好的高温性能，广泛应用于航空发动机燃烧室中，挡板即为其典型应用零件。挡板是设计用于遮盖发动机热辐射从而实现红外隐身功能的功能性零件，该零件具有大扭角复杂曲面结构，传统制造工艺存在成形困难、生产周期长、综合成本高等问题。采用激光选区熔化成形技术可明显降低制造难度、生产周期和生产成本。然而，GH5188合金激光选区熔化成形过程极易产生内部微裂纹，严重降低零件应用可行性，此外，其成形制件还具有高温拉伸性能偏低、低周疲劳性能较低且波动较大的问题，且成形过程还伴随着宏观开裂及变形，影响后续装配使用。
发明内容
本发明的目的是提供一种钴基高温合金挡板的激光选区熔化成形制造工艺。
本发明通过如下技术方案实现上述目的：一种钴基高温合金挡板的激光选区熔化成形制造工艺，包括以下步骤：
S1、选用材料及设定工艺参数：
材料：粒度范围15-45um或15-53um的GH5188牌号钴基高温合金粉末；
工艺参数：铺粉层厚30-50um,在GH5188合金挡板主体部分采用的参数：激光功率195-255W，激光扫描速度650-950mm/s，扫描线间距0.11mm，整体长直线扫描或单个扫描单元为3-12mm宽条带；
S2、应力开裂试件制备及检测；
S3、摆放方案设计：采用斜向侧倾摆放；
S4、支撑结构设计为三种类型：镂空块状支撑、不镂空块状支撑、轮廓实体支撑；
S5、激光选区熔化成形；
S6、去应力退火：将连带基板的零件放入真空热处理炉，随炉升温，在800～900℃下保温时间1～3h，充入1000～1500mbar氩气冷却至室温后出炉。退火后可以近乎完全释放零件的成形过程积累的应力，实现对零件更进一步的变形及尺寸精度控制；
S7、后处理：通过线切割或锯切等方式将零件从基板上取下，进行支撑去除及表面喷砂；
S8、热处理；
S9、热等静压。
进一步的，所述步骤S2中应用GH5188合金粉末及工艺参数制备应力开裂试件，对试件进行荧光渗透检测及金相检测，检测无宏观开裂及微裂纹则进行后续步骤，若有则在前述工艺参数范围内微调后再进行试件制备与检测。
进一步的，所述步骤S4中在零件底部添加镂空块状支撑，网格尺寸1～1.5mm，切割单元5～10mm，镂空开孔的梁宽0.3～0.8mm，镂空角度30～60°。
进一步的，所述步骤S4中在底部再辅助以轮廓实体支撑，轮廓走向以底部外边缘及内边缘为导引线，轮廓单元2～5mm，间隙2～4mm，壁厚1～3mm，偏置保护0.5～2mm。
进一步的，所述步骤S4中在上表面各处开孔区域的内部设计不镂空块状支撑，网格尺寸0.6～1mm，切割单元0mm，针对各处支撑进行角度偏置，X轴偏置±10°，Y轴偏置±20°。
进一步的，所述步骤S5中将足量GH5188合金粉末材料及厚度在25～80mm的不锈钢或高温合金基板装载入激光选区熔化设备中，完成挡板模型、摆放方案、支撑结构、工艺参数等数据的输入，保护气氛构建后，进行激光选区熔化成形。
进一步的，所述步骤S6中将连带基板的零件放入真空热处理炉，随炉升温，在800～900℃下保温时间1～3h，充入1000～1500mbar氩气冷却至室温后出炉。
进一步的，所述步骤S8中将零件放入真空热处理炉，随炉升温，在1000～1200℃下保温时间1～3h，充入1000～1500mbar氩气冷却至室温后出炉。
进一步的，所述步骤S9中将零件放入热等静压设备，对设备抽真空及运氩气结束后开始气体增压及加热零件，工艺要求为：温度1100℃～1200℃，压力为100～180MPa，保温保压时间2～6h，保温保压结束后，自然冷却，当炉内温度不高于500℃且压力不高于80MPa,开始高压回收氩气，炉内压力降至40MPa时，停止高压回收，随炉降温至200℃，开始卸压直至炉内压力为0时停止。
与现有技术相比，本发明钴基高温合金挡板的激光选区熔化成形制造工艺的有益效果是：实现了GH5188合金的激光选区熔化成形，突破了易开裂、性能不足、变形等难题。成形的挡板零件尺寸精度高、变形小、表面质量好，力学性能优于铸件，并具有低成本短周期优势。该项技术突破创新性显著，并可推广应用于其他GH5188合金零部件，解决传统工艺制造难、周期长、成本高等问题，对推动航空发动机性能提升及更新换代具有不可替代的作用，具备广泛的社会效益和经济效益。
附图说明
图1是挡板的结构示意图。
图2是步骤S2的应力开裂试件的结构示意图。
图3是步骤S3中摆放方案的结构示意图。
图4是步骤S4中镂空块状支撑的结构示意图。
图5是步骤S4中轮廓实体支撑的结构示意图。
图6是步骤S4中不镂空块状支撑的结构示意图。
具体实施方式
一种钴基高温合金挡板的激光选区熔化成形制造工艺，包括以下步骤：
S1、选用材料及设定工艺参数：
材料：粒度范围15-45um或15-53um的GH5188牌号钴基高温合金粉末。
工艺参数：铺粉层厚30-50um,在GH5188合金挡板主体部分采用的参数：激光功率195-255W，激光扫描速度650-950mm/s，扫描线间距0.11mm，整体长直线扫描或单个扫描单元为3-12mm宽条带。针对成分具有一定差异的不同品质的GH5188合金粉末，可在上述参数范围内进行适应性微调，应用这套工艺最终抑制微裂纹产生并使零件获得最佳力学性能。
S2、应力开裂试件制备及检测：
本发明设计了一种用于测试激光选区熔化零件应力开裂倾向的应力开裂试件，可以测试当前批次合金粉末配合工艺参数所成形零件的宏观开裂及微裂纹，以避免因材料品质不佳及与工艺参数不匹配而造成批次性报废。
应用前述GH5188合金粉末及工艺参数制备应力开裂试件，对试件进行荧光渗透检测及金相检测，检测无宏观开裂及微裂纹则进行后续步骤，若有则在前述工艺参数范围内微调后再进行试件制备与检测。前步骤所述工艺参数已处于一个较小的最优范围，因此，当所用GH5188合金粉末品质较好时一般无需微调参数，针对品质差的粉末也仅需微调1～2次。
S3、摆放方案设计：采用斜向侧倾摆放，使扫描截面远小于水平摆放，从而减小扫描过程中累积的应力已实现控制变形；同时，成形高度小于竖直摆放，且避免了水平摆放的密集支撑，使支撑量及成形周期均大幅减少，实现提效降本的目标；此外，在零件叶身、叶尖等关键部位保持大倾角使其具有优异的表面质量和尺寸精度。
S4、支撑结构设计，支撑结构设计为三种类型：镂空块状支撑、不镂空块状支撑、轮廓实体支撑。
在零件底部添加镂空块状支撑，网格尺寸1～1.5mm，切割单元5～10mm，镂空开孔的梁宽0.3～0.8mm，镂空角度30～60°，该支撑连接零件于基板以支持其生长，同时传导余热防止底部收缩变形并降低底部表面粗糙度。
在底部再辅助以轮廓实体支撑，轮廓单元2～5mm，间隙2～4mm，壁厚1～3mm，偏置保护0.5～2mm。轮廓走向以底部外边缘及内边缘为导引线，从而控制边缘翘曲防止刮刀碰撞，并固定零件实现对变形及尺寸精度的进一步控制，同时所选引导线足够抑制变形，可节约大量实体支撑的填充，提高效率降低成本。此外，该支撑优化的间隙值及偏置保护值使其易于去除并避免去除过程的二次变形，保证了尺寸精度的同时省却大量的支撑去除任务。
在上表面各处开孔区域的内部设计不镂空块状支撑，网格尺寸0.6～1mm，切割单元0mm，使此类区域原本薄弱的支撑得到加强，使其在辅助孔底成形的同时自身保持足够的结果强度，避免了支撑断裂的风险。此外，针对各处支撑进行角度偏置，X轴偏置±10°，Y轴偏置±20°，使支撑根部避让开零件本体，提升零件表面质量并使支撑易于去除，同时防止支撑与刮刀碰撞。
S5、激光选区熔化成形：将足量GH5188合金粉末材料及厚度在25～80mm的不锈钢或高温合金基板装载入激光选区熔化设备中，完成挡板模型、摆放方案、支撑结构、工艺参数等数据的输入，保护气氛构建后，进行激光选区熔化成形。
S6、去应力退火：将连带基板的零件放入真空热处理炉，随炉升温，在800～900℃下保温时间1～3h，充入1000～1500mbar氩气冷却至室温后出炉。退火后可以近乎完全释放零件的成形过程积累的应力，实现对零件更进一步的变形及尺寸精度控制。
S7、后处理：通过线切割或锯切等方式将零件从基板上取下，进行支撑去除及表面喷砂。
S8、热处理：将零件放入真空热处理炉，随炉升温，在1000～1200℃下保温时间1～3h，充入1000～1500mbar氩气冷却至室温后出炉。
S9、热等静压：将零件放入热等静压设备，对设备抽真空及运氩气结束后开始气体增压及加热零件，工艺要求为：温度1100℃～1200℃，压力为100～180MPa，保温保压时间2～6h，保温保压结束后，自然冷却，当炉内温度不高于500℃且压力不高于80MPa,开始高压回收氩气，炉内压力降至40MPa时，停止高压回收，随炉降温至200℃，开始卸压直至炉内压力为0时停止。
热处理与热等静压工艺的配合使零件内部缺陷被抑制，并实现GH5188合金组织调控从而获得更为优异的力学性能。
本发明实现了GH5188合金的激光选区熔化成形，突破了易开裂、性能不足、变形等难题。成形的挡板零件尺寸精度高、变形小、表面质量好，力学性能优于铸件，并具有低成本短周期优势。该项技术突破创新性显著，并可推广应用于其他GH5188合金零部件，解决传统工艺制造难、周期长、成本高等问题，对推动航空发动机性能提升及更新换代具有不可替代的作用，具备广泛的社会效益和经济效益。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点,对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
Claims (9)
1.一种钴基高温合金挡板的激光选区熔化成形制造工艺，其特征在于，包括以下步骤：
S1、选用材料及设定工艺参数：
材料：粒度范围15-45um或15-53um的GH5188牌号钴基高温合金粉末；
工艺参数：铺粉层厚30-50um,在GH5188合金挡板主体部分采用的参数：激光功率195-255W，激光扫描速度650-950mm/s，扫描线间距0.11mm，整体长直线扫描或单个扫描单元为3-12mm宽条带；
S2、应力开裂试件制备及检测；
S3、摆放方案设计：采用斜向侧倾摆放；
S4、支撑结构设计为三种类型：镂空块状支撑、不镂空块状支撑、轮廓实体支撑；
S5、激光选区熔化成形；
S6、去应力退火；
S7、后处理：通过线切割或锯切等方式将零件从基板上取下，进行支撑去除及表面喷砂；
S8、热处理；
S9、热等静压。
2.根据权利要求1所述的钴基高温合金挡板的激光选区熔化成形制造工艺，其特征在于：所述步骤S2中应用GH5188合金粉末及工艺参数制备应力开裂试件，对试件进行荧光渗透检测及金相检测，检测无宏观开裂及微裂纹则进行后续步骤，若有则在前述工艺参数范围内微调后再进行试件制备与检测。
3.根据权利要求1所述的钴基高温合金挡板的激光选区熔化成形制造工艺，其特征在于：所述步骤S4中在零件底部添加镂空块状支撑，网格尺寸1～1.5mm，切割单元5～10mm，镂空开孔的梁宽0.3～0.8mm，镂空角度30～60°。
4.根据权利要求1所述的钴基高温合金挡板的激光选区熔化成形制造工艺，其特征在于：所述步骤S4中在底部再辅助以轮廓实体支撑，轮廓走向以底部外边缘及内边缘为导引线，轮廓单元2～5mm，间隙2～4mm，壁厚1～3mm，偏置保护0.5～2mm。
5.根据权利要求4所述的钴基高温合金挡板的激光选区熔化成形制造工艺，其特征在于：所述步骤S4中在上表面各处开孔区域的内部设计不镂空块状支撑，网格尺寸0.6～1mm，切割单元0mm，针对各处支撑进行角度偏置，X轴偏置±10°，Y轴偏置±20°。
6.根据权利要求1所述的钴基高温合金挡板的激光选区熔化成形制造工艺，其特征在于：所述步骤S5中将足量GH5188合金粉末材料及厚度在25～80mm的不锈钢或高温合金基板装载入激光选区熔化设备中，完成挡板模型、摆放方案、支撑结构、工艺参数等数据的输入，保护气氛构建后，进行激光选区熔化成形。
7.根据权利要求1所述的钴基高温合金挡板的激光选区熔化成形制造工艺，其特征在于：所述步骤S6中将连带基板的零件放入真空热处理炉，随炉升温，在800～900℃下保温时间1～3h，充入1000～1500mbar氩气冷却至室温后出炉。
8.根据权利要求1所述的钴基高温合金挡板的激光选区熔化成形制造工艺，其特征在于：所述步骤S8中将零件放入真空热处理炉，随炉升温，在1000～1200℃下保温时间1～3h，充入1000～1500mbar氩气冷却至室温后出炉。
9.根据权利要求1所述的钴基高温合金挡板的激光选区熔化成形制造工艺，其特征在于：所述步骤S9中将零件放入热等静压设备，对设备抽真空及运氩气结束后开始气体增压及加热零件，工艺要求为：温度1100℃～1200℃，压力为100～180MPa，保温保压时间2～6h，保温保压结束后，自然冷却，当炉内温度不高于500℃且压力不高于80MPa,开始高压回收氩气，炉内压力降至40MPa时，停止高压回收，随炉降温至200℃，开始卸压直至炉内压力为0时停止。
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