CN114632946B - 一种大尺寸异形截面弯管类承力构件的整体制造方法 - Google Patents

一种大尺寸异形截面弯管类承力构件的整体制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种大尺寸异形截面弯管类承力构件的整体制造方法，包括以下步骤：确定适用于五轴联动激光熔化成形的燃气弯管一体化成形结构；对燃气弯管结构的几何特征进行分解，得出分段式燃气弯管沉积模型；确定分段式燃气弯管沉积模型进行切片方式及扫描策略设计，获得各段切片层激光加工程序代码；根据燃气弯管底段、中段、上段的切片程序，成形燃气弯管底段、中段、上段结构，经热处理，得到待交付产品。本发明中整体制造方法，消除了传统加工方案内外弯管焊接时存在大量熔焊缝及型面变形的问题，实现了使用可靠性的大幅提升。

Description

一种大尺寸异形截面弯管类承力构件的整体制造方法
技术领域
本发明属于金属增材制造领域，具体涉及一种大尺寸异形截面弯管类承力构件整体制造方法。
背景技术
燃气弯管是液氧煤油发动机推力室的关键组件，从涡轮出来的高温、高压、富氧燃气需要通过燃气弯管进入推力室再燃烧，是发动机主承力结构。燃气弯管的工作环境恶劣，承受高温、高压、高速、高振动及富氧燃气冲刷。
目前，燃气弯管是典型的大尺寸(≥500mm)、大厚度(≥20mm)、异形截面零件，受结构复杂程度限制，燃气弯管由进口环、弯管和过渡段等数个零件拼焊而成，如图3所示，其中进口环和过渡段为锻件经机械加工而成，弯管是由内半管和外半管经钣金成型、电解减重后，再拼焊组成。该零件在加工过程中存在生产周期长、加工效率低、型面变形严重等问题。激光熔化沉积技术具有高成形灵活性、高性能以及节约时间和成本等优势，适合于金属构件的整体化成形制造。但燃气弯管曲率较大，添加支撑部位较多，无法通过三轴联动式增材制造实现一次整体无支撑成形，难以满足高效率、高精度制备需求。
发明内容
为了克服现有技术中的不足，本发明人进行了锐意研究，提供了一种大尺寸异形截面弯管类承力构件的整体制造方法，基于增材制造的特点对燃气弯管实施集成优化设计，采用五轴联动激光熔化成形方式制备出一种大尺寸异形截面燃气弯管类承力构件，实现该类典型构件的快速、高性能、高可靠制造，为我国航天液体动力领域弯管类承力构件的高性能快速研制提供一种全新方法。
本发明提供的技术方案如下：
一种大尺寸异形截面弯管类承力构件的整体制造方法，包括以下步骤：
S1，对燃气弯管结构进行集成优化设计，得到适用于五轴联动激光熔化成形的燃气弯管一体化成形结构；
S2，对步骤S1所得燃气弯管结构的几何特征进行分解，基于五轴联动激光熔化成形方式的变堆积方向优化及层特征提取方法，得出分段式燃气弯管沉积模型；
S3，采用五轴联动增材制造切片剖分软件对步骤S2所得到的分段式燃气弯管沉积模型进行切片方式及扫描策略设计，并置入高温合金材料成形参数，获得各段切片层激光加工程序代码；
S4，在成形平台上水平装夹定位基板，根据步骤S3中获得的燃气弯管底段切片程序，在惰性气体环境中成形燃气弯管底段；
S5，燃气弯管底段成形后，调整成形平台至一定倾斜角度，根据步骤S3中获得的燃气弯管中段切片程序，以燃气弯管底段上端面为基底层成形燃气弯管中段；
S6，取出带燃气弯管底段、中段部分的基板进行去应力退火热处理，消除已沉积零件中的残余应力；
S7，对步骤S6中热处理后的燃气弯管重新装夹定位，调整成形平台至一定倾斜角度，对燃气弯管中段上端面进行续接处理，再按步骤S3中获得的燃气弯管上段切片程序，以续接上端面为基底层成形燃气弯管上段；
S8，对完成整体成形的燃气弯管毛坯件进行固溶时效处理，得到待交付产品。
根据本发明提供的一种大尺寸异形截面弯管类承力构件的整体制造方法，具有以下有益效果：
(1)本发明提供的一种大尺寸异形截面弯管类承力构件的整体制造方法，基于增材制造思维对零件分体成形方法进行集成优化设计，得到大尺寸异形截面燃气弯管一体化成形结构，使大尺寸异形截面燃气弯管零件数量由4个减少至1个，消除了传统加工方案内外弯管焊接时存在大量熔焊缝及型面变形的问题，实现了使用可靠性的大幅提升；
(2)本发明提供的一种大尺寸异形截面弯管类承力构件的整体制造方法，基于变堆积方向的优化及层特征提取策略，对燃气弯管几何特征进行分解，得出分段式燃气弯管沉积模型及规划路径，实现了燃气弯管高致密度、小变形、无支撑整体成形，致密度大于99.9％，零件变形量控制达到±1.0/500mm，解决了当前分体方案加工过程中内部组织粗大不均匀、内型面翘曲变形严重等问题；
(3)本发明提供的一种大尺寸异形截面弯管类承力构件的整体制造方法，各项力学性能均满足使用要求，相比当前分体加工方法，材料利用率由不足20％提升至90％以上，制造周期由170天降低至20天。
附图说明
图1是本发明实施例提供的燃气弯管类承力构件集成设计方案示意图；
图2是本发明实施例提供的燃气弯管类承力构件分段式增材制造成形示意图，其中，(a)底段成形；(b)中段成形；(c)上段成形；
图3是燃气弯管示意图。
具体实施方式
下面通过对本发明进行详细说明，本发明的特点和优点将随着这些说明而变得更为清楚、明确。
在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。
本发明提供了一种大尺寸异形截面弯管类承力构件的整体制造方法，基于五轴联动激光熔化成形技术对燃气弯管结构进行集成优化设计，得到大尺寸异形截面燃气弯管一体化成形结构，使大尺寸异形截面燃气弯管零件数量由4个集成为1个，消除了传统加工方案中内外弯管焊接时存在大量熔焊缝及型面变形的问题，提升使用的可靠性；基于变堆积方向的优化及层特征提取策略，对燃气弯管的几何特征进行分解，得出分段式燃气弯管沉积模型；在此基础上，对燃气弯管分段沉积模型进行不同扫描策略及工艺参数设计，底段采用平面分层切片方式及Zigzag填充打印策略，中段采用平面分层切片方式及轮廓扫描打印策略，上段采用不等厚曲面分层切片方式及Zigzag填充打印策略，然后借助切片软件获得各段切片层激光加工程序代码；在完成底段、中段的激光熔化沉积成形后取出燃气弯管进行消应力热处理，再以零件上端面为基底续接沉积上段部位，最终完成燃气弯管的整体成形制造。
具体地，所述大尺寸异形截面弯管类承力构件的整体制造方法，包括如下步骤：
S1，对燃气弯管结构进行集成优化设计，得到适用于五轴联动激光熔化成形的燃气弯管一体化成形结构。
该步骤中，对燃气弯管结构进行集成优化设计时，首先将内、外半弯管上的焊接坡口及弯管与过渡环间的焊接特征消除，设计为光滑连续的整体弯管，在此基础上，进行燃气弯管局部特征结构的增材制造适应性修改，将进口环与弯管连接处的圆滑过渡段设计为直线段，以保证零件打印时转台转动角度控制在0°～100°以内，并根据成形加工余量在过渡段及进口环处径向单边放置2～3mm余量，根据激光光斑补偿在内、外弯管处沿径向放置1～1.5mm的反补偿量。
S2，对步骤S1所得燃气弯管结构的几何特征进行分解，基于五轴联动激光熔化成形方式的变堆积方向优化及层特征提取方法，得出分段式燃气弯管沉积模型。
该步骤中，燃气弯管可分解为大曲率变径通道、凸边法兰、过渡圆环几何特征，基于五轴联动激光熔化成形方式的变堆积方向优化及层特征提取方法，将凸边法兰、过渡圆环特征整合为弯管底段，大曲率变径通道分解为弯管中段、弯管上段，得出分段式燃气弯管沉积模型，见图1。
进一步地，凸边法兰、过渡圆环位于弯管底部，且该特征部分曲率小，可直接采用平面打印，弯管整体曲率较大，无法直接无支撑平面打印，若全采用五轴联动打印，由于具有不等厚、异形曲面特征，全分层切片难度较大，故结合弯管特征和73°的最大无支撑平面成形较多，确定了先成形弯管第一段，再摆动一定角度后五轴成形第二段的分段规则。
S3，采用五轴联动增材制造切片剖分软件对步骤S2所得到的分段式燃气弯管沉积模型进行切片方式及扫描策略设计，并置入高温合金材料成形参数，获得各段切片层激光加工程序代码。
该步骤中，燃气弯管底段采用平面分层切片方式及Zigzag填充打印策略，燃气弯管中段采用平面分层切片方式及轮廓扫描打印策略，燃气弯管上段采用不等厚曲面分层切片方式及Zigzag填充打印策略。设置完成后通过剖切程序获得各段模型的加工程序代码。
S4，在成形平台上水平装夹定位基板，根据步骤S3中获得的燃气弯管底段切片程序，在惰性气体环境中成形燃气弯管底段，见图2中的(a)。
该步骤中，燃气弯管底段采用的成形工艺参数包括：激光功率为2.2kW～2.8kW，扫描速度为700mm/min～900mm/min，分层厚度0.5mm～0.7mm。
S5，燃气弯管底段成形后，调整成形平台至一定倾斜角度，根据步骤S3中获得的燃气弯管中段切片程序，以燃气弯管底段上端面为基底层成形燃气弯管中段，见图2中的(b)。
该步骤中，燃气弯管底段成形后，调整成形平台倾斜角度为40°～50°(成形平台与水平面方向夹角)，燃气弯管中段采用的成形工艺参数包括：激光功率为2.2kW～2.8kW，扫描速度为700mm/min～900mm/min，扫描间距1.5mm～2.0mm，分层厚度0.5mm～0.7mm。
S6，取出带燃气弯管底段、中段部分的基板进行去应力退火热处理，消除已沉积零件中的残余应力。
该步骤中，采用的退火热处理制度为：在真空热处理炉中以120～160℃/h速率升温至550±10℃，保温2～6h后炉冷至室温。
S7，对步骤S6中热处理后的燃气弯管重新装夹定位，调整成形平台至一定倾斜角度，对燃气弯管中段上端面进行续接处理，再按步骤S3中获得的燃气弯管上段切片程序，以续接上端面为基底层成形燃气弯管上段，见图2中的(c)。
该步骤中，完成燃气弯管重新装夹定位后，由于燃气弯管温度场/应力场与之前状态完全不同，再次成形时激光将消耗更高的能量用于熔化基材，与成形层达到完全冶金结合。故设置续接参数以保证粉末充分熔化，并与基底层达到良好冶金结合效果。调整成形平台倾斜角度为60°～70°；燃气弯管中段上端面采用的续接工艺参数包括：激光功率为1.5kW～1.8kW，扫描速度为500mm/min～700mm/min，扫描间距为1.5～2.2mm，送粉率在3％～7％范围内阶段上升，重熔次数为2～4次。完成后以续接上端面为基底层完成燃气弯管上段成形，上段成形工艺参数包括：激光功率为2.2kW～2.8kW，扫描角速度为0.6rad/s～1.0rad/s，扫描线速度为700mm/min～900mm/min，送粉率为8％～15％，曲面切片厚度在0.3mm～0.8mm范围内变化。
S8，对完成整体成形的燃气弯管毛坯件进行固溶时效处理，得到待交付产品。该步骤中，燃气弯管毛坯件的固溶时效热处理制度为：固溶处理：加热至1100℃～1150℃后保温2～4h，充氩气或氮气冷却，时效处理：加热至700℃～750℃下保温4～7h，空气冷却。
实施例
对某型号液氧煤油发动机关键核心构件燃气导管进行集成优化设计，燃气导管由内、外半弯管、过渡环、进口环组成，如图3所示。
首先将内、外半弯管上的焊接坡口及弯管与过渡环间的焊接特征消除，设计为光滑连续的整体弯管，在此基础上，进行燃气导管局部特征结构的增材制造适应性修改，将进口环与弯管连接处的圆滑过渡段设计为直线段，以保证零件打印时转台转动角度控制在0°～100°以内，并根据成形加工余量及激光光斑补偿在过渡段及进口环处单边放置2mm余量，在内外弯管处沿径向放置1mm的收缩量。
燃气导管可分解为大曲率变径通道、凸边法兰、过渡圆环等几何特征，基于五轴联动激光熔化成形方式的变堆积方向优化及层特征提取方法，将凸边法兰、过渡圆环特征整合为弯管底段，大曲率变径通道分解为弯管中段、底段，得出分段式燃气导管沉积模型。对分段式燃气导管进行程序剖切，底段采用平面分层切片方式及Zigzag填充打印策略，中段采用平面分层切片方式及轮廓扫描打印策略，上段采用不等厚曲面分层切片方式及Zigzag填充打印策略。设置完成后剖切获得各段模型的加工程序代码。
燃气导管底段采用的成形工艺参数为：激光功率为2.3kW，扫描速度700mm/min，分层厚度0.6mm。底端成形完成后调整成形平台倾斜角度为45°，继续成形中段，中段采用的工艺参数为：激光功率为2.6kW，扫描速度为750mm/min，扫描间距1.5mm，分层厚度0.7mm。燃气导管底段、中段成形完成后进行消应力退火处理，采用的热处理制度为：在真空热处理炉中以120℃/h速率升温至550℃，保温2h后炉冷至室温。
将带基板的燃气导管重新装夹定位后，调整成形平台倾斜角度为60°，对上端面进行续接打印，续接工艺参数为：激光功率为1.6kW，扫描速度为550mm/min，扫描间距1.5mm，以3％、5％、7％依次递增的送粉率重熔3次。完成后以燃气导管中段上端面为基底层完成上段成形，上段成形参数为：激光功率为2.6kW，扫描角速度为0.7rad/s，扫描线速度为750mm/min，送粉率10％，曲面切片厚度在0.3mm～0.5mm变化。
燃气导管毛坯件最终成形完成后在固溶：1100℃～1150℃保温2h，充氩气/氮气冷却，时效：700℃～750℃下保温4h，空气冷却的制度下完成最终热处理。
经该技术方法制备燃气导管零件相比之前制造方法，生产周期长降低85％、型面变形控制在±1mm内，达到国内先进水平。
以上结合具体实施方式和范例性实例对本发明进行了详细说明，不过这些说明并不能理解为对本发明的限制。本领域技术人员理解，在不偏离本发明精神和范围的情况下，可以对本发明技术方案及其实施方式进行多种等价替换、修饰或改进，这些均落入本发明的范围内。本发明的保护范围以所附权利要求为准。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (9)

1.一种大尺寸异形截面弯管类承力构件的整体制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1，对燃气弯管结构进行集成优化设计，得到适用于五轴联动激光熔化成形的燃气弯管一体化成形结构；
S2，对步骤S1所得燃气弯管结构的几何特征进行分解，基于五轴联动激光熔化成形方式的变堆积方向优化及层特征提取方法，得出分段式燃气弯管沉积模型；
S3，采用五轴联动增材制造切片剖分软件对步骤S2所得到的分段式燃气弯管沉积模型进行切片方式及扫描策略设计，并置入高温合金材料成形参数，获得各段切片层激光加工程序代码；
S4，在成形平台上水平装夹定位基板，根据步骤S3中获得的燃气弯管底段切片程序，在惰性气体环境中成形燃气弯管底段；
S5，燃气弯管底段成形后，调整成形平台至一定倾斜角度，根据步骤S3中获得的燃气弯管中段切片程序，以燃气弯管底段上端面为基底层成形燃气弯管中段；
S6，取出带燃气弯管底段、中段部分的基板进行去应力退火热处理，消除已沉积零件中的残余应力；
S7，对步骤S6中热处理后的燃气弯管重新装夹定位，调整成形平台至一定倾斜角度，对燃气弯管中段上端面进行续接处理，再按步骤S3中获得的燃气弯管上段切片程序，以续接上端面为基底层成形燃气弯管上段；
S8，对完成整体成形的燃气弯管毛坯件进行固溶时效处理，得到待交付产品。
2.根据权利要求1所述的一种大尺寸异形截面弯管类承力构件的整体制造方法，其特征在于，步骤S1中，对燃气弯管结构进行集成优化设计时，首先将内、外半弯管上的焊接坡口及弯管与过渡环间的焊接特征消除，设计为光滑连续的整体弯管，然后将进口环与弯管连接处的圆滑过渡段设计为直线段，以保证零件打印时转台转动角度控制在0°～100°以内，并根据成形加工余量在过渡段及进口环处径向单边放置2～3mm余量，根据激光光斑补偿在内、外弯管处沿径向放置1～1.5mm的反补偿量。
3.根据权利要求1所述的一种大尺寸异形截面弯管类承力构件的整体制造方法，其特征在于，步骤S2中，通过以下方式得出分段式燃气弯管沉积模型：将燃气弯管分解为大曲率变径通道、凸边法兰、过渡圆环几何特征，基于五轴联动激光熔化成形方式的变堆积方向优化及层特征提取方法，将凸边法兰、过渡圆环特征整合为弯管底段，大曲率变径通道分解为弯管中段、弯管上段，得出分段式燃气弯管沉积模型。
4.根据权利要求1所述的一种大尺寸异形截面弯管类承力构件的整体制造方法，其特征在于，步骤S3中，所述燃气弯管底段采用平面分层切片方式及Zigzag填充打印策略，燃气弯管中段采用平面分层切片方式及轮廓扫描打印策略，燃气弯管上段采用不等厚曲面分层切片方式及Zigzag填充打印策略。
5.根据权利要求1所述的一种大尺寸异形截面弯管类承力构件的整体制造方法，其特征在于，步骤S4中，燃气弯管底段采用的成形工艺参数包括：激光功率为2.2kW～2.8kW，扫描速度为700mm/min～900mm/min，分层厚度0.5mm～0.7mm。
6.根据权利要求1所述的一种大尺寸异形截面弯管类承力构件的整体制造方法，其特征在于，步骤S5中，燃气弯管底段成形后，调整成形平台倾斜角度为40°～50°；和/或
所述燃气弯管中段采用的成形工艺参数包括：激光功率为2.2kW～2.8kW，扫描速度为700mm/min～900mm/min，扫描间距1.5mm～2.0mm，分层厚度0.5mm～0.7mm。
7.根据权利要求1所述的一种大尺寸异形截面弯管类承力构件的整体制造方法，其特征在于，步骤S6中，采用的退火热处理制度为：在真空热处理炉中以120～160℃/h速率升温至550±10℃，保温2～6h后炉冷至室温。
8.根据权利要求1所述的一种大尺寸异形截面弯管类承力构件的整体制造方法，其特征在于，步骤S7中，完成燃气弯管重新装夹定位后，调整成形平台倾斜角度为60°～70°；和/或
燃气弯管中段上端面采用的续接工艺参数包括：激光功率为1.5kW～1.8kW，扫描速度为500mm/min～700mm/min，扫描间距为1.5～2.2mm，送粉率在3％～7％范围内阶段上升，重熔次数为2～4次；完成后以续接上端面为基底层完成燃气弯管上段成形，上段成形工艺参数包括：激光功率为2.2kW～2.8kW，扫描角速度为0.6rad/s～1.0rad/s，扫描线速度为700mm/min～900mm/min，送粉率为8％～15％，曲面切片厚度在0.3mm～0.8mm范围内变化。
9.根据权利要求1所述的一种大尺寸异形截面弯管类承力构件的整体制造方法，其特征在于，步骤S8中，所述燃气弯管毛坯件的固溶时效热处理制度为：固溶处理：加热至1100℃～1150℃后保温2～4h，充氩气或氮气冷却，时效处理：加热至700℃～750℃下保温4～7h，空气冷却。
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