CN114734055B - 一种发动机扩压器凸台结构激光金属沉积制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种发动机扩压器机匣凸台结构激光金属沉积制备方法，通过前期工艺验证，输出工艺论证报告；设计定位工装，设计制作防变形随形工装；对凸台尺寸进行添加余量处理，采用软件模拟仿真凸台扫描路径与可靠性，获得扫描路径程序；制备前需要对将零件、随形工装及定位工装装配安装好，采用柔性耐高温薄膜创建制备过程中惰性气体的氛围；按照验证后的程序进行凸台激光金属沉积制备，等待凸台与零件表面温度降，再停止惰性气体充入；将工装与零件放进真空热处理炉中；对制备凸台进行检测，不符合则返修；对凸台制备前后的光学三维扫描模型进行尺寸对比，结果为偏差实测值；对制备的凸台进行机械加工。本发明提供一整套成熟的发动机扩压器机匣凸台结构激光金属沉积制备方法。

Description

一种发动机扩压器凸台结构激光金属沉积制备方法
技术领域
本发明涉及激光增材制造技术领域，具体的说是一种发动机扩压器凸台结构激光直接沉积制备方法。
背景技术
激光金属沉积(LMD)是一种激光作为的金属材料激光增材制造工艺，也是一种加工钛及其合金优秀的制造技术。LMD属于添加金属材料(金属粉末、金属丝、金属带)的定向能量沉积的制造工艺，在此过程中高能激光束直接射入工件表面形成熔池，金属材料同步通过同轴或旁轴喷嘴连续定向输送到熔池，逐层“堆叠”，最终“打印”出金属部件。该技术不仅可以用于维修磨损或在过去视为报废的零件，还能够制造具有复杂几何特征或轻质结构的“3D”零件，从而缩短制造周期、减少原料浪费和降低成本该工艺具有成本低、数字化、易加工、热影响区小、变形小、对加工材料适应性强、环境友好等优点。
航空发动机扩压器的特殊使用要求和高价值，不仅给其本身的材料与制造工艺带来变革，还给维修提出了更高的要求。近些年，激光金属沉积技术已经越来越普遍，在航空航天、模具、汽车、新能源等领域均有应用，而航空发动机扩压器由于材料为钛合金，且壁厚较薄，在激光增材制造过程中容易出现氧化、变形甚至开裂的情况，这就需要控制变形的专用工装，同时为了提高“净零件”的尺寸精度，需要采用离线仿真软件规划整体的路径。
发明内容
本发明的目的在于解决薄壁曲面零件激光直金属沉积修复过程中高能束激光长时间剧烈加热，修复区热累积效应，导致零件出现塌陷、氧化、变形甚至开裂等情况，同时在异形表面制备凸台使用分层切片软件与离线仿真软件，再结合设计的定位工装，极大地提升了生产制造的效率与制备的精度，解决目前普遍存在发动机维修周期过长的问题，最终提供了一整套完成的激光金属沉积制备方法。
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
一种发动机扩压器凸台结构激光直接沉积制备方法，包括以下步骤：
步骤一：通过前期工艺优化，获得扩压器机匣凸台制备最佳工艺参数下的组织硬度及力学性能，满足指标要求，输出一份工艺论证报告；
步骤二：针对发动机扩压器机匣的结构特点，设计定位工装，保证离线仿真及扫描路径规划精度达到0.1mm，同时设计制作防变形随形工装，具有水冷与气冷的功能，控制待制备区域零件本身变形，小于0.15mm；
步骤三：考虑激光金属沉积技术特点，需对凸台尺寸进行添加余量模型优化；
步骤四：采用ADEM软件对待制备的凸台进行分层切片，再进行扫描路径规划，同时采用LaserToolsMachineSimulation软件模拟仿真凸台的扫描路径与可靠性，最终获得扫描路径程序；
步骤五：制备前需要对将扩压器机匣、随形工装及定位工装装配安装好，保证零件的位置与模拟仿真软件中一致，同时采用柔性耐高温薄膜创建制备过程中惰性气体的氛围，防止过程中凸台持续受热氧化甚至开裂；金属粉末烘干放入送粉器；
步骤六、按照验证后的程序进行凸台激光金属沉积制备，结束后等待凸台与零件表面温度降到200℃以内，再停止惰性气体的充入；
步骤七、将工装与零件整体放进真空热处理炉中，730摄氏度，保温2h，空冷；
步骤八、对制备的凸台进行目视检测、荧光检测、X射线检测，结果需符合相关检测标准，若不符合则回步骤五返修；
步骤九、对发动机扩压器机匣进行凸台制备前后的光学三维扫描模型进行尺寸对比，结果为偏差实测值；
步骤十、对制备的凸台进行机械加工，满足图纸尺寸公差要求。
进一步的，所述步骤一中扩压器机匣材质为ZTA15，为铸造钛合金，凸台使用TA15粉末制备，工艺论证过程中，采取一半ZTA15一半增材试样，按Q/6S977-2004金属力学性能试样图册，图号：M2504-N001取室温拉伸试样，母材ZTA15与ZTA15-增材TA15各2件，按GB/T228.1-2010进行测试，判断凸台与扩压器机匣本体的结合性能，同时，对试样的结合区、增材区、母材区的组织硬度进行分析，要求宏观组织无夹杂、气孔、裂纹等缺陷，增材区硬度、抗拉强度、屈服强度达到母材区的90％。
进一步的，所述步骤一中最佳工艺实验参数为：激光功率600～1200W，扫描速度8～15mm/s，轮廓速度15mm～20mm，送粉量4g/min～8g/min，光斑2mm～4mm，层层之间扫描路径旋转角度67°，送粉氦气流量为5L/min，保护氩气流量20L/min，层厚0.4mm～0.5mm，扫描策略为蛇形往复。
进一步的，所述步骤二中定位工装包括底座、固定L型压块、定位扇形块、压紧盖板、短螺栓、小垫片、长螺栓、大垫片，小螺栓，所述底座固定于两轴变位机转台的中心处，底座上有五个固定通孔和两个定位线，所述固定L型压块上有圆通孔，前端下表面与扩压器机匣下翻边上表面接触，所述定位扇形块上有沉头孔和定位凸台，通过小螺栓将定位扇形块与底座紧密固定，所述压紧盖板上有四个圆孔和四个通孔，压紧盖板下表面与扩压器机匣上翻边贴紧，长螺栓穿过四个大垫片和四个通孔固定在转台的螺纹孔上。
进一步的，所述步骤二中防变形随形工装包括进气口、出气孔、进水口、出水口、梯形槽、椭圆内腔、圆形内腔，所述进气口与通入氩气气管连接，所述出气孔处于梯形槽底部，所述椭圆内腔与进气口、出气孔连通，所述进水口与通入水的水管连接，所述出水口与输出水的水管连接，所述圆形内腔与进水口、出水口相连接，所述防变形随形工装圆弧面与扩压器机匣待制备区域背面弧度相同，所述出气孔的直径为1mm。
进一步的，所述步骤三中添加余量是对扩压器机匣凸台最终结构进行单侧0.5mm～1mm余加厚处理。
进一步的，所述步骤四中待制备的凸台为模型优化后的凸台，所述的分层切片为将凸台沿着Z向按照层厚0.42mm分层，所述的扫描路径规划为层层之间扫描路径角度67°，扫描策略蛇形往复。
进一步的，所述步骤五中扩压器机匣为扩压器机匣的一部分，所述装配安装为扩压器机匣通过定位凸台固定于定位工装上，定位工装通过定位线确定安装在转台上的旋转角度，防变形随形工装圆弧面与扩压器机匣待制备区域背面贴紧，所述惰性气体为氩气。
进一步的，所述步骤六中验证后程序为步骤四中最终扫描路径程序。
进一步的，所述防变形随形工装材质为铜合金，采用激光选区熔化成形方式打印。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1.本发明使用的防变形随形工装材质为铜合金，导热性约是钢的2～6倍，可降低局部的热量积累，同时采用激光选区熔化成形该工装，使得与扩压器机匣待修区域背面贴合紧密，再加上水冷和气冷方式避免了钛合金薄壁件(约4mm)的氧化与变形，可控制变形量为0.15mm。
2.本发明激光金属沉积制备方法中使用了分层切片及模拟仿真软件，更加高效准确地获得了扫描路径程序，同时提升了凸台制备的成形精度，可达0.2mm，减少了后续机械加工量，为维修降低了成本，提高了效率。另外，可以应用于复杂基体面上制备部件，不受空间与结构的限制。
3.本发明使用的定位工装不仅可满足发动机扩压器机匣准确固定，还可以作为热处理过程中的防变形随形工装。
4.本发明可以在铝合金、高温合金异形薄壁结构的激光金属沉积制备中可得到有效利用，可以大大降低激光高能束对零件本体的影响，同时还有组织细化的作用。
附图说明
图1是实例1中发动机扩压器机匣凸台结构激光金属沉积制备流程图
图2是实例1中凸台最终结构示意图。
图3是实例1中凸台优化结构示意图。
图4是实例1中扩压器机匣背面示意图。
图5是实例1中防变形随形工装俯视图。
图6是实例1中防变形随形工装正视图。
图7是实例1中防变形随形工装内部示意图。
图8是实例1中定位工装、防变形随形工装及扩压器机匣凸台装配示意图。
图9是实例1中试样ZTA15-TA15结合区组织形貌。
图10是实例2中凸台高度超差示意图。
图中：1.底座、2.定位线、3.定位扇形块、4.固定通孔、5.沉头孔、6.小螺栓、7.固定L型压块、8.圆通孔、9.小垫片、10.短螺栓、11.压紧盖板、12.长螺栓、13.大垫片、14.圆孔、15.防变形随形工装、16.待制备的凸台、17.扩压器机匣的一部分、18.定位凸台、19.出气孔、20.进水口、21.出水口、22.进气口、23.圆形内腔、24.椭圆内腔、25梯形槽、26.通孔。
具体实施方式
具体实施方式1：
一种发动机扩压器机匣凸台结构激光直接制备方法，包括以下步骤：
1.发动机扩压器机匣凸台缺失情况.
材质为：ZTA15，缺失凸台的尺寸约40mm×25mm×30mm，形状为类椭圆形，待制备区域基体面为圆弧面。
2.制备过程实施。
(1)通过前期工艺优化，获得扩压器机匣凸台制备最佳工艺参数下的组织硬度及力学性能，满足指标要求，输出一份工艺论证报告；
(2)针对发动机扩压器机匣的结构特点，设计定位工装，保证离线仿真及扫描路径规划精度达到0.1mm，同时设计制作防变形随形工装15，具有水冷与气冷的功能，控制待制备区域零件本身变形，小于0.15mm；
(3)考虑激光金属沉积技术特点，需对凸台尺寸进行添加余量模型优化；
(4)采用ADEM软件对待制备的凸台16进行分层切片，再进行扫描路径规划，同时采用LaserToolsMachineSimulation软件模拟仿真凸台的扫描路径与可靠性，最终获得扫描路径程序；
(5)制备前需要对将扩压器机匣、随形工装及定位工装装配安装好，保证零件的位置与模拟仿真软件中一致，同时采用柔性耐高温薄膜创建制备过程中惰性气体的氛围，防止过程中凸台持续受热氧化甚至开裂。金属粉末烘干放入送粉器；
(6)按照验证后的程序进行凸台激光金属沉积制备，结束后等待凸台与零件表面温度降到200℃以内，再停止惰性气体的充入。
(7)将工装与零件整体放进真空热处理炉中，730摄氏度，保温2h，空冷；
(8)对制备的凸台进行目视检测、荧光检测、X射线检测，结果需符合相关检测标准，若不符合则回步骤五返修；
(9)对发动机扩压器机匣进行凸台制备前后的光学三维扫描模型进行尺寸对比，结果为偏差实测值；
(10)、对制备的凸台进行机械加工，满足图纸尺寸公差要求。
步骤一中扩压器机匣材质为ZTA15，为铸造钛合金，凸台使用TA15粉末激光金属沉积制备，粉末成分如表所示。工艺论证过程中，采取一半ZTA15一半增材试样，按Q/6S 977-2004金属力学性能试样图册，图号：M2504-N001取室温拉伸试样，母材ZTA15与ZTA15-增材TA15各2件，按GB/T 228.1-2010进行测试，判断凸台与扩压器机匣本体的结合性能。同时，对试样的结合区、增材区、母材区的组织硬度进行分析，要求宏观组织无夹杂、气孔、裂纹等缺陷，增材区硬度、抗拉强度、屈服强度达到母材区的90％。形成了一份工艺论证报告，其中结合区的组织如图9所示，可以看出宏观组织无夹杂、气孔、裂纹等缺陷，微观组织晶粒较为细小致密，有明显的两相存在。结合区附近的显微组织硬度分布如表2所示，可看出从结合区的增材TA15侧(点1至点6)硬度在400HV左右，基体区ZTA15侧(点10至点13)显微硬度在350HV左右，说明制备的TA15试样硬度远高于铸件ZTA15。ZTA15铸件与ZTA15-TA15制备试样室温拉伸性能对比如表3所示，可看出，制备的试样的抗拉强度、屈服强度、断后伸长率、断面收缩率均高于铸件ZTA15。
表1TA15粉末成分(质量分数/％)
Figure GDA0004255813210000061
表2结合区附近显微硬度分布值(HV)
Figure GDA0004255813210000062
表3ZTA15与ZA15-TA15室温拉伸性能对比
Figure GDA0004255813210000063
所述步骤二中定位工装包括底座1、固定L型压块7、定位扇形块3、压紧盖板11，短螺栓10、小垫片9、长螺栓12、大垫片13，小螺栓6，所述底座固定于两轴变位机转台的中心处，底座上有五个固定通孔和两个定位线2，所述固定L型压块上有圆通孔8，前端下表面与扩压器机匣下翻边上表面接触，所述定位扇形块上有沉头孔5和定位凸台18，通过小螺栓6将定位扇形块与底座紧密固定，所述压紧盖板上有四个圆孔14和四个通孔26，压紧盖板下表面与扩压器机匣上翻边贴紧，长螺栓12穿过四个大垫片13和四个通孔固定在转台的螺纹孔上。
所述步骤二中防变形随形工装15包括进气口22、出气孔19、进水口20、出水口21、梯形槽25、椭圆内腔24、圆形内腔23，所述进气口与通入氩气气管连接，所述出气孔处于梯形槽底部，所述椭圆内腔与进气口、出气孔连通，所述进水口与通入水的水管连接，所述出水口与输出水的水管连接，所述圆形内腔与进水口、出水口相连接，所述防变形随形工装圆弧面与扩压器机匣待制备区域背面弧度相同。所述出气孔的直径为1mm。
所述步骤三中添加余量是对扩压器机匣凸台最终结构进行单侧0.5mm～1mm余加厚处理。
所述步骤四中待制备的凸台为模型优化后的凸台。所述的分层切片为将凸台沿着Z向按照层厚0.42mm分层，所述的扫描路径规划为层层之间扫描路径角度67°，扫描策略蛇形往复，其余工艺参数与权力要求3一致。
所述步骤五中扩压器机匣为扩压器机匣的一部分17，这是因为此零件暂不方便公布。所述装配安装为扩压器机匣通过定位凸台固定于定位工装上，定位工装通过定位线确定安装在转台上的旋转角度，防变形随形工装圆弧面与扩压器机匣待制备区域背面贴紧，所述惰性气体为氩气。
所述步骤六中验证后程序为步骤四中最终扫描路径程序。
所述防变形随形工装材质为铜合金，采用激光选区熔化成形方式打印。
具体实施方式2：
一种发动机扩压器机匣凸台结构激光直接制备方法，包括以下步骤：
1.发动机扩压器机匣凸台缺失情况。
材质为：ZTA15，凸台高度超差约10mm，待制备区域基体面为平面。
2.制备过程实施。
(1)根据前期的工艺论证报告，采用最优的工艺参数进行发动机扩压器机匣凸台激光金属沉积制备。
(2)针对发动机扩压器机匣的结构特点，设计定位工装，保证离线仿真及扫描路径规划精度达到0.1mm，同时设计制作防变形随形工装，具有水冷与气冷的功能，控制待制备区域零件本身变形，小于0.15mm；
(3)考虑激光金属沉积技术特点，需对凸台尺寸进行添加余量模型优化，对图10中凸台高度方向加高11mm，四周余量0.1～0.3mm；
(4)采用ADEM软件对待制备的凸台进行分层切片，再进行扫描路径规划，同时采用LaserToolsMachineSimulation软件模拟仿真凸台的扫描路径与可靠性，最终获得扫描路径程序；
(5)制备前需要对将扩压器机匣、随形工装及定位工装装配安装好，保证零件的位置与模拟仿真软件中一致，同时采用柔性耐高温薄膜创建制备过程中惰性气体的氛围，防止过程中凸台持续受热氧化甚至开裂。金属粉末烘干放入送粉器；
(6)按照验证后的程序进行凸台激光金属沉积制备，结束后等待凸台与零件表面温度降到200℃以内，再停止惰性气体的充入。
(7)将工装与零件整体放进真空热处理炉中，730摄氏度，保温2h，空冷；
(8)对制备的凸台进行目视检测、荧光检测、X射线检测，结果需符合相关检测标准，若不符合则回步骤五返修；
(9)对发动机扩压器机匣进行凸台制备前后的光学三维扫描模型进行尺寸对比，结果为偏差实测值；
(10)对制备的凸台进行机械加工，满足图纸尺寸公差要求。
本发明所具备的优点和有益效果：
1.本发明使用的防变形随形工装材质为铜合金，导热性约是钢的2～6倍，可降低局部的热量积累，同时采用激光选区熔化成形该工装，使得与扩压器机匣待修区域背面贴合紧密，再加上水冷和气冷方式避免了钛合金薄壁件(约4mm)的氧化与变形，可控制变形量为0.15mm。
2.本发明激光金属沉积制备方法中使用了分层切片及模拟仿真软件，更加高效准确地获得了扫描路径程序，同时提升了凸台制备的成形精度，可达0.2mm，减少了后续机械加工量，为维修降低了成本提高了效率。另外，可以应用于复杂基体面上制备部件，不受空间与结构的限制。
3.本发明使用的定位工装不仅可满足发动机扩压器机匣准确固定，还可以作为热处理过程中的防变形随形工装。
4.本发明可以在铝合金、高温合金异形薄壁结构的激光金属沉积制备中可得到有效利用，可以大大降低激光高能束对零件本体的影响，同时还有组织细化的作用。
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 (8)

1.一种发动机扩压器机匣凸台激光金属沉积制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：通过前期工艺优化，获得扩压器机匣凸台制备最佳工艺参数下的组织硬度及力学性能，满足指标要求，输出一份工艺论证报告；
步骤二：针对发动机扩压器机匣的结构特点，设计定位工装，保证离线仿真及扫描路径规划精度达到0.1mm，同时设计制作防变形随形
工装，具有水冷与气冷的功能，控制待制备区域零件本身变形，小于0.15mm；
步骤三：考虑激光金属沉积技术特点，需对凸台尺寸进行添加余量模型优化；
步骤四：采用ADEM软件对待制备的凸台进行分层切片，再进行扫描路径规划，同时采用LaserToolsMachineSimulation软件模拟仿真凸台的扫描路径与可靠性，最终获得扫描路径程序；
步骤五：制备前需要对将扩压器机匣、随形工装及定位工装装配安装好，保证零件的位置与模拟仿真软件中一致，同时采用柔性耐高温薄膜创建制备过程中惰性气体的氛围，防止过程中凸台持续受热氧化甚至开裂；金属粉末烘干放入送粉器；
步骤六、按照验证后的程序进行凸台激光金属沉积制备，结束后等待凸台与零件表面温度降到200℃以内，再停止惰性气体的充入；
步骤七、将工装与零件整体放进真空热处理炉中，730摄氏度，保温2h，空冷；
步骤八、对制备的凸台进行目视检测、荧光检测、X射线检测，结果需符合相关检测标准，若不符合则回步骤五返修；
步骤九、对发动机扩压器机匣进行凸台制备前后的光学三维扫描模型进行尺寸对比，结果为偏差实测值；
步骤十、对制备的凸台进行机械加工，满足图纸尺寸公差要求；
所述步骤二中定位工装包括底座、固定L型压块、定位扇形块、压紧盖板、短螺栓、小垫片、长螺栓、大垫片，小螺栓，所述底座固定于两轴变位机转台的中心处，底座上有五个固定通孔和两个定位线，所述固定L型压块上有圆通孔，前端下表面与扩压器机匣下翻边上表面接触，所述定位扇形块上有沉头孔和定位凸台，通过小螺栓将定位扇形块与底座紧密固定，所述压紧盖板上有四个圆孔和四个通孔，压紧盖板下表面与扩压器机匣上翻边贴紧，长螺栓穿过四个大垫片和四个通孔固定在转台的螺纹孔上；
所述步骤二中防变形随形工装包括进气口、出气孔、进水口、出水口、梯形槽、椭圆内腔、圆形内腔，所述进气口与通入氩气气管连接，所述出气孔处于梯形槽底部，所述椭圆内腔与进气口、出气孔连通，所述进水口与通入水的水管连接，所述出水口与输出水的水管连接，所述圆形内腔与进水口、出水口相连接，所述防变形随形工装圆弧面与扩压器机匣待制备区域背面弧度相同，所述出气孔的直径为1mm。
2.根据权利要求1所述的激光金属沉积制备方法，其特征在于：所述步骤一中扩压器机匣材质为ZTA15，为铸造钛合金，凸台使用TA15粉末制备，工艺论证过程中，采取一半ZTA15一半增材试样，按Q/6S 977-2004金属力学性能试样图册，图号：M2504-N001取室温拉伸试样，母材ZTA15与ZTA15-增材TA15各2件，按GB/T 228.1-2010进行测试，判断凸台与扩压器机匣本体的结合性能，同时，对试样的结合区、增材区、母材区的组织硬度进行分析，要求宏观组织无夹杂、气孔、裂纹缺陷，增材区硬度、抗拉强度、屈服强度达到母材区的90%。
3.根据权利要求1所述的激光金属沉积制备方法，其特征在于：所述步骤一中最佳工艺实验参数为：激光功率600~1200W，扫描速度8~15mm/s，轮廓速度15mm~20mm，送粉量4g/min~8g/min，光斑2mm~4mm，层层之间扫描路径旋转角度67°，送粉氦气流量为5L/min，保护氩气流量20L/min，层厚0.4mm~0.5mm，扫描策略为蛇形往复。
4.根据权利要求1所述的激光金属沉积制备方法，其特征在于：所述步骤三中添加余量是对扩压器机匣凸台最终结构进行单侧0.5mm~1mm余加厚处理。
5.根据权利要求1所述的激光金属沉积制备方法，其特征在于：所述步骤四中待制备的凸台为模型优化后的凸台，所述的分层切片为将凸台沿着Z向按照层厚0.42mm分层，所述的扫描路径规划为层层之间扫描路径角度67°，扫描策略蛇形往复。
6.根据权利要求1所述的激光金属沉积制备方法，其特征在于：所述步骤五中扩压器机匣为扩压器机匣的一部分，所述装配安装为扩压器机匣通过定位凸台固定于定位工装上，定位工装通过定位线确定安装在转台上的旋转角度，防变形随形工装圆弧面与扩压器机匣待制备区域背面贴紧，所述惰性气体为氩气。
7.根据权利要求1所述的激光金属沉积制备方法，其特征在于：所述步骤六中验证后程序为步骤四中最终扫描路径程序。
8.根据权利要求1所述的激光金属沉积制备方法，其特征在于：所述防变形随形工装材质为铜合金，采用激光选区熔化成形方式打印。
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