CN114888305A - 一种铜合金激光选区熔化成形的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种铜合金激光选区熔化成形的方法，涉及涉及航空航天发动机金属增材制造技术领域。所述铜合金激光选区熔化成形的方法包括三维数模支撑设计及添加、打印模型切片及剖分、打印程序导入打印机、安装硬质刮刀和基板、填装定制化铜合金金属粉末、激光选区熔化设备洗气、启动激光选区熔化成形设备、铺粉打印等步骤。本发明克服了现有技术的不足，突破了原先增材制造工艺和传统工艺对航空航天发动机的研发限制，对航空航天领域发动机研制提供了强有力的支撑，并且能稳定高效的实现带有复杂异形冷却通道的铜合金发动机核心部件的一体化制造。
Description
技术领域
本发明涉及航空航天发动机金属增材制造技术领域，具体涉及一种铜合金激光选区熔化成形的方法。
背景技术
航空航天发动机点火启动之后，燃烧温度高达2000-3000K，材料难以承受如此高的温度载荷，因此，行业内普遍采用了主动冷却的方式对材料进行冷却降温，具体的方法是根据发动机研制需要，会在燃烧室内壁设计数量众多的异形随形冷却通道，通过冷却介质来进行热交换，从而降低材料温度。
传统制造工艺是通过数控机床完成开放式的槽道加工后，采用钎焊将数量众多的槽道进行焊接。一个型号产品，往往需要半年甚至更长时间才能完成，同时由于有焊接和诸多繁杂的后续工序，产品的可靠性和一致性较差，特别是在如此苛刻的高温服役工况条件下，产品可靠率不足50％。
近年来，随着增材制造技术的不断发展和进步，激光选区熔化成形逐步的应用到了航空航天发动机领域，但由于铜合金激光反射率高，需要大功率的激光器才能完全熔化粉末。同时，铜对传统激光器所产生的激光束的反射率超过80％，这意味着激光的能量只有少量进入铜材料，而且被反射的激光还有可能对周围造成破坏，使激光熔化粉床时间与位置的控制难度进一步加大，导致激光选区熔化成形铜合金粉末材料不成熟，目前采用激光选区熔化成形技术制造的发动机燃烧室、推力室均一般使用高温合金、钛合金。急需一款高强高导热的增材制造材料以及稳定的工艺参数及方法来满足当前航空航天发动机领域这一急迫需求。
发明内容
针对现有技术不足，本发明提供一种铜合金激光选区熔化成形的方法，突破了原先增材制造工艺和传统工艺对航空航天发动机的研发限制，对航空航天领域发动机研制提供了强有力的支撑，并且能稳定高效的实现带有复杂异形冷却通道的铜合金发动机核心部件的一体化制造。
为实现以上目的，本发明的技术方案通过以下技术方案予以实现：
一种铜合金激光选区熔化成形的方法，所述铜合金激光选区熔化成形的方法包括以下步骤：
(1)三维数模支撑设计及添加：三维数模支撑设计及添加，形成打印模型；
(2)打印模型切片及剖分：选择成形工艺参数对打印模型进行切片并剖分，形成打印程序；
(3)打印程序导入打印机：将打印程序导入到激光选区熔化设备；
(4)安装硬质刮刀和基板；
(5)填装铜合金粉末：对激光选区熔化成形设备装填定制化铜合金金属粉末，其中定制化铜合金金属粉末包括Cu、Cr、Fe、Si、Zr组成的三级粒径粉末；
(6)激光选区熔化设备洗气：对激光选区熔化设备成形仓进行洗气；
(7)启动激光选区熔化成形设备；
(8)铺粉打印。
优选的，所述步骤(2)中工艺参数包括扫描层厚、光斑直径、基板预热温度、扫描形式、内填充参数、下表面参数、支撑参数；
优选的，所述描层厚0.15mm-0.25mm，光斑直径0.08mm-0.1mm，基板预热温度80℃-200℃，扫描形式为Zigzag。
优选的，所述内填充参数包括内填充激光功率、内填充扫描速度、道间距，所述内填充激光功率为240W-300W，内填充扫描速度为600mm/s-800mm/s，道间距为0.06mm-0.08mm。
优选的，所述下表面参数包括下表面层数、下表面激光功率和下表面扫描速度，所述下表面层数为5-8层，下表面激光功率为100W-120W，下表面扫描速度为200mm/s-300mm/s。
优选的，所述支撑参数包括支撑结构的扫描形式、支撑功率、支撑扫描速度，所述支撑结构的扫描形式为单道扫描的形式，支撑功率110W-140W，支撑扫描速度为1000mm/s-1450mm/s。
优选的，所述步骤(5)中定制化铜合金金属粉末的化学成分的组成为：Cu≥99％，Cr 0.7％-0.9％，Fe 0.04-0.1％，Si 0.02％-0.05％，Zr 0.01％-0.03％，O≤0.05％。
优选的，所述步骤(5)中定制化铜合金金属粉末的粒径分布为D10：25μm-30μm，D50:35μm-45μm，D90:50μm-65μm。
优选的，所述步骤(5)中定制化铜合金金属粉末的振实密度为5.2×103kg/m3-5.8×103kg/m3。所述步骤(7)中激光选区熔化成形气氛为氩气，激光束波长为1000-1080μm，光束质量M2≤1.2
本发明提供一种铜合金激光选区熔化成形的方法，与现有技术相比优点在于：
(1)本发明采用了定制化的铜合金金属粉末，通过Cr、Fe、Si、Zr等成分的复合以及三级粒径范围的设置，通过合金组分设计来强化沉淀硬化效果，将合金的再结晶和软化点温度由纯铜的200℃提高至500℃，在保留了纯铜高导热性的同时，其室温强度相较传统铜合金得到大幅提高，强度由300MPa提高到440MPa以上，提升最终产品的性能。
(2)本方法通过特定成形工艺参数，得到了与定制化铜合金粉末相匹配的激光选区熔化成形工艺，成形过程稳定，制件内部无微裂纹和未熔合缺陷。
(3)现有发动机燃烧室等核心部件只能采用机加工和钎焊组合的方式进行加工，或者采用激光选区熔化成形技术进行高温合金、钛合金的3D打印，组合加工的方式周期长、费用高、可靠性低，传统的激光选区熔化成形技术只能进行高温合金、钛合金等低热导率材料的3D打印，采用本发明工艺，可实现发动机燃烧室等核心部件铜合金材料的一体化制造，同时室温下材料的导热率由传统高温合金材料的9.5W/(m·℃)左右大幅提升到130W/(m·℃)左右的水平。
附图说明：
图1为本粉末工艺流程图；
图2为现有工艺成形的金相图，其中a为铜合金成形后微裂纹缺陷金相图，b为铜合金成形后未熔合缺陷金相图；
图3是本发明实施例成形的金相图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合本发明实施例对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例：
铜合金激光选区熔化成形：
(1)事先准备成分含量为：Cu≥99％，Cr 0.7％～0.9％，Fe 0.04～0.1％，Si0.02％～0.05％，Zr 0.01％～0.03％，O≤0.05％，的定制化的铜合金金属粉，且使其粒径分布为：D10：25μm-30μm，D50：35μm-45μm，D90：50μm-65μm；
(2)对三维数模进行支撑设计并添加，将发动机燃烧室三维数模以及内部冷却流道走向、环腔等特征形状及尺寸进行摆放，在与水平面夹角小于55°的区域添加设计好的支撑结构，形成打印模型；
(3)选择描层厚0.2mm，光斑直径0.09mm，基板预热温度150℃，扫描形式为Zigzag，内填充激光功率280W，内填充扫描速度为700mm/s，道间距为0.07mm，下表面层数为7层，下表面激光功率为110W，下表面扫描速度为2050mm/s，支撑结构采用单道扫描的形式，支撑功率120W，支撑扫描速度为1250mm/s对打印模型进行切片并剖分，形成打印程序；
(4)将打印程序导入到激光选区熔化设备，安装硬质刮刀和成形用基板，对激光选区熔化成形设备装填上述定制化的铜合金金属粉，并振实至振实密度5.2×103kg/m3；
(5)对激光选区熔化设备成形仓进行洗气；
(6)启动激光选区熔化成形设备，选用氩气为激光选区熔化成形气氛，并设置激光束波长为1040μm，光束质量M2≤1.2；
(7)铺粉打印获得铜制件。
检测：
检测上述定制化的铜合金金属粉与纯铜金属粉对比的再结晶和软化点温度，并检测实施例制件的强度和导热率，结果如下表所示：
由于铜合金高导热率、高反射率，现有激光选区熔化成形技术制造的铜制件内部组织不可避免的存在微裂纹以及未熔合缺陷，具体见图2所示，甚至不可成形；本发明通过控制成形工艺参数，得到了与定制化铜合金粉末相匹配的激光选区熔化成形工艺，成形过程稳定，制件内部无微裂纹和未熔合缺陷，具体见图3所示。另外，现有发动机燃烧室等核心部件只能采用机加工和钎焊组合的方式进行加工，或者采用激光选区熔化成形技术进行高温合金、钛合金的3D打印，组合加工的方式周期长、费用高、可靠性低，传统的激光选区熔化成形技术只能进行高温合金、钛合金等低热导率材料的3D打印，采用本工艺参数及方法，可实现发动机燃烧室等核心部件铜合金材料的一体化制造，为航空航天领域发动机的研发、设计、制造提供强大的技术支撑。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (10)
1.一种铜合金激光选区熔化成形的方法，其特征在于，所述铜合金激光选区熔化成形的方法包括以下步骤：
(1)三维数模支撑设计及添加：三维数模支撑设计及添加，形成打印模型；
(2)打印模型切片及剖分：选择成形工艺参数对打印模型进行切片并剖分，形成打印程序；
(3)打印程序导入打印机：将打印程序导入到激光选区熔化设备；
(4)安装硬质刮刀和基板；
(5)填装铜合金粉末：对激光选区熔化成形设备装填定制化铜合金金属粉末并振实，其中定制化铜合金金属粉末包括Cu、Cr、Fe、Si、Zr组成的三级粒径粉末；
(6)激光选区熔化设备洗气：对激光选区熔化设备成形仓进行洗气；
(7)启动激光选区熔化成形设备；
(8)铺粉打印。
2.根据权利要求1所述的一种铜合金激光选区熔化成形的方法，其特征在于：所述步骤(2)中工艺参数包括扫描层厚、光斑直径、基板预热温度、扫描形式、内填充参数、下表面参数、支撑参数。
3.根据权利要求2所述的一种铜合金激光选区熔化成形的方法，其特征在于：所述描层厚0.15mm-0.25mm，光斑直径0.08mm-0.1mm，基板预热温度80℃-200℃，扫描形式为Zigzag。
4.根据权利要求2所述的一种铜合金激光选区熔化成形的方法，其特征在于：所述内填充参数包括内填充激光功率、内填充扫描速度、道间距，所述内填充激光功率为240W-300W，内填充扫描速度为600mm/s-800mm/s，道间距为0.06mm-0.08mm。
5.根据权利要求2所述的一种铜合金激光选区熔化成形的方法，其特征在于：所述下表面参数包括下表面层数、下表面激光功率和下表面扫描速度，所述下表面层数为5-8层，下表面激光功率为100W-120W，下表面扫描速度为200mm/s-300mm/s。
6.根据权利要求2所述的一种铜合金激光选区熔化成形的方法，其特征在于：所述支撑参数包括支撑结构的扫描形式、支撑功率、支撑扫描速度，所述支撑结构的扫描形式为单道扫描的形式，支撑功率110W-140W，支撑扫描速度为1000mm/s-1450mm/s。
7.根据权利要求1所述的一种铜合金激光选区熔化成形的方法，其特征在于：所述步骤(5)中定制化铜合金金属粉末的化学成分的组成为：Cu≥99％，Cr 0.7％-0.9％，Fe 0.04-0.1％，Si 0.02％-0.05％，Zr 0.01％-0.03％，O≤0.05％。
8.根据权利要求1所述的一种铜合金激光选区熔化成形的方法，其特征在于：所述步骤(5)中定制化铜合金金属粉末的粒径分布为D10：25μm-30μm，D50:35μm-45μm，D90:50μm-65μm。
9.根据权利要求1所述的一种铜合金激光选区熔化成形的方法，其特征在于：所述步骤(5)中定制化铜合金金属粉末的振实密度为5.2×103kg/m3-5.8×103kg/m3。
10.根据权利要求1所述的一种铜合金激光选区熔化成形的方法，其特征在于：所述步骤(7)中激光选区熔化成形气氛为氩气，激光束波长为1000-1080μm，光束质量M2≤1.2。
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