CN114985765B - 钛合金整体叶盘选区激光熔化直接增材方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种钛合金整体叶盘选区激光熔化直接增材方法，包括以下步骤：1）设计出叶盘实体的三维模型，然后对该三维模型进行切片分层，得到各截面的轮廓数据，根据轮廓数据生成填充扫描路径，并将所述填充扫描路径导入激光器；2）启动激光器使得多个激光头发射激光束，按照所述填充扫描路径进行选区激光熔化；3）每进行一定预设时间的选区激光熔化后使激光器暂停发射激光束，保持所述激光头位置不变，采用定位装置确定并记录未成型叶盘的当前位置；待未成型叶盘降温至室温后将其取出进行去应力退火；随后将未成型叶盘放回所述当前位置，并重新是激光器发射激光束继续选区激光熔化；如此反复，直至完成整体叶盘的选区激光熔化。
Description
技术领域
本发明涉及高温用钛合金技术领域，尤其是涉及一种航空发动机钛合金整体叶盘复合制造方法。
背景技术
航空发动机是飞机的“心脏”，也被誉为“工业皇冠上的明珠”。为了提高航空发动机的推重比，整体叶盘应运而生。整体叶盘是把发动机转子的叶片和轮盘设计成一个整体，采用整体加工或焊接（叶片和轮盘材料可以不同）方法制造而成，无需加工榫头和榫槽。这种整体结构的优点是：叶盘的轮缘径向高度、厚度和叶片原榫头部位尺寸均可大大减小，减重效果明显；发动机转子部件的结构大为简化；消除了分体结构榫齿根部缝隙中气体的逸流损失；避免了叶片和轮盘装配不当造成的微动磨损、裂纹以及锁片损坏带来的故障，从而有利于提高发动机工作效率，可靠性得以进一步提升。因此，研制航空发动机用高性能整体叶盘是新一代飞行器发展的重要方向，而发展高性能整体叶盘制造技术，已经成为发展先进大推力发动机关键件制造技术的重大而迫切的需求。
用于制造整体叶盘的三大技术包括：数控铣削（HSC）、线性摩擦焊（LFW）、电解加工（ECM）。但是三种技术各有缺陷：采用数控铣削技术从整体叶盘毛坯到叶盘零件的制造过程中，材料切除率超过90%，材料利用率较低，机加工量大，周期长，切断了金属流线，影响了整体叶盘的使用性能。采用线性摩擦焊技术焊接的叶盘，叶片在叶盘上的位置和扭角不能保证完全一致，该加工方法也存在周期长，残余应力大，且焊接精度和焊缝质量影响整体叶盘的质量和工作可靠性等问题。电解加工技术仅限于可展直纹曲面的加工,材料利用率也较低。因此，急需一种材料利用率高、成形效率高、周期短、产品质量高的制造技术应用于成型整体叶盘。
发明内容
本发明的目的，即在于创新性的将选区激光熔化技术（Selective LaserMelting，SLM）应用于成型钛合金整体叶盘，选区激光熔化技术逐层累积成形的特点几乎可以实现任何复杂结构的成形，是一种适用于成型钛合金整体叶盘的快速成型技术。
本发明的技术方案具体为，一种钛合金整体叶盘选区激光熔化直接增材方法，其特征在于包括以下步骤：
1）设计出叶盘实体的三维模型，然后对该三维模型进行切片分层，得到各截面的轮廓数据，根据轮廓数据生成填充扫描路径，并将所述填充扫描路径导入激光器；
2）将叶盘基体置入加工室中，启动激光器使得多个激光头发射激光束，按照所述填充扫描路径进行选区激光熔化；
3）每进行一定预设时间的选区激光熔化后使激光器暂停发射激光束，保持所述激光头位置不变，采用定位装置确定并记录未成型叶盘的当前位置；待未成型叶盘降温至室温后将其取出进行去应力退火；随后将未成型叶盘放回所述当前位置，并重新是激光器发射激光束继续选区激光熔化；如此反复，直至完成整体叶盘的选区激光熔化。
进一步优选的，所述定位装置包括内置在每个所述激光头内的低功率激光笔，多个低功率激光笔对应发出多束定位激光以确定并记录未成型叶盘的当前位置。
进一步优选的，所述一定预设时间为熔化550-550g钛合金粉末。
进一步优选的，所述多个激光头为2-4个。
进一步优选的，所述填充扫描路径为将扫描平面划分为多个尺寸相同、相互拼接的方格，各层的所述方格在水平面上的投影对应重合，每层扫描平面的方格由多个子图形拼接而成；其中，第4N+1层由一大一小两个正方形和以大正方形的边长为长、小正方向的边长为宽的两个矩形拼接而成，每个子图形内扫描路径为与一边垂直与另一边平行的平行线，且正方形与矩形的平行线相互垂直；第4N+2层由四个小正方形的子图形拼接而成，每个子图形内扫描路径为与小正方形的一条对角线平行，且四个小正方形的扫描路径对应拼成正方形；第4N+3层与第4N+1层一样由一大一小两个正方形和以大正方形的边长为长、小正方向的边长为宽的两个矩形的四个子图形拼接而成，但其大、小正方形的位置与第4N+1层对调且对应扫描路径平行线旋转90°；第4N+4层由四个小正方形的子图形拼接而成，每个子图形内扫描路径为与小正方形的一条对角线平行，且小正方形内的扫描路径与第4N+2层对应的小正方形内的扫描路径垂直；其中N为自然数。
进一步优选的，所述加工室包括粉料缸和成型缸，在步骤2）和3）中，所述选区激光熔化包括：将原料粉末放入粉料缸，将叶盘基体放到成形缸，采用铺粉装置把原料粉末平推到叶盘基体表面上形成预定厚度的原料粉末，激光头发射激光束按当前层的填充扫描路径，选区熔化未成形叶盘表面上的原料粉末，加工出当前层；随后，暂停发射激光束，控制未成形叶盘下降一个加工层厚的距离，粉料缸中原料粉末上升一定的距离，铺粉装置在已加工好的当前层上形成铺粉厚度的原料粉末，重新发射激光束按下一层的填充扫描路径，选区熔化未成形叶盘表面上的原料粉末，如此层层加工，直到整个整体叶盘加工完毕。
进一步优选的，所述选区激光熔化时，采用波长500nm以下的短波长激光，激光功率为800W以上。
进一步优选的，所述选区激光熔化时，激光功率为800-1000W，扫描速度为700-1100mm/s，光斑直径为80-100μm。
进一步优选的，所述步骤3）中的去应力退火为，以10℃/min升温到580-620℃后保温1.5-2.5h。
本发明与现有技术相比的优势在于：
首先，本发明不同于传统选区激光熔化的一体成型模式，在选区激光熔化过程每熔化500~550g钛合金粉末就从选区激光熔化设备中取出来进行去应力退火，以消除工件中的残余应力，可以解决选区激光熔化的一体成型所导致的叶盘不同厚度位置残余应力不同，难以同时消除的问题。
其次，本发明采用例如500nm短波长的蓝光激光器，控制束斑直径、扫描速度等激光扫描的工艺参数以获得高功率激光，补偿钛合金粉末对于激光强烈的不利反射作用。
再者，本发明重新设计了分层分区扫描路径，采用分层交错的扫描路径，能够使搭接区残余应力维持在较低水平且分布趋于平均，且有效避免两组扫描线重叠，减少搭接区域微孔与隆起。
附图说明
图1为本发明选区激光熔化成形设备的结构示意图。
图2-5分别为本发明选区激光熔化第4N+1层-第4N+4层激光扫描路径的示意图。
图6为填充发动机整体叶盘截面的分区扫描路径示意图。
具体实施方式
以下将结合本发明实施例中的附图对本发明实施例中的技术方案进行描述。
本发明制备钛合金整体叶盘选区激光熔化直接增材方法，包括以下步骤：
1）设计出叶盘实体的三维模型，然后对该三维模型进行切片分层，得到各截面的轮廓数据，根据轮廓数据生成填充扫描路径，并将所述填充扫描路径导入激光器；
2）启动激光器使得多个激光头发射激光束，按照所述填充扫描路径进行选区激光熔化；
3）每进行一定预设时间的选区激光熔化后使激光器暂停发射激光束，保持所述激光头位置不变，采用定位装置确定并记录未成型叶盘的当前位置；待未成型叶盘降温至室温后将其取出进行去应力退火；随后将未成型叶盘放回所述当前位置，并重新是激光器发射激光束继续选区激光熔化；如此反复，直至完成整体叶盘的选区激光熔化。
具体的，本发明主要包括以下几个步骤：1.原材料选择；2.激光头功率选择；3.选区激光熔化过程。
1.原材料选择
钛合金粉末及其制备方式种类繁多，本发明选用通过等离子旋转电极雾化方式制备的TC17钛合金粉末，粉末洁净度高，颗粒形状非常接近球形，表面光洁、流动性好，适于本发明的选区激光熔化成形，本发明选用以上方式制备的以上型号钛合金粉末，但不限于此。
2.激光头功率选择
常规激光器发射波长1um的激光，激光功率密度过小，不利于熔池的形成。本发明可采用500nm或波长更短的100nm的短波长激光，以采用发射500nm短波长的蓝光激光器为例，控制束斑直径、扫描速度等以获得高功率激光，补偿钛合金粉末对于激光强烈的反射作用。工艺参数如下表所示：
表1：选区激光熔化工艺参数
| 工艺参数 | 激光功率（W） | 扫描速度（mm/s） | 束斑直径（um） |
| 数值范围 | 800~1000 | 700~1100 | 80~100 |
3.选区激光熔化过程
如图1所示，本发明设备主要包括激光头1、激光笔2、粉料缸3、成型缸4、铺粉装置5等。首先在计算机上利用三维造型软件设计出整体叶盘实体的三维模型，然后通过切片软件对该三维模型进行切片分层，得到各单层截面的轮廓数据，依据轮廓数据生成填充扫描路径。将原材料TC17钛合金粉末在烘箱中进行烘干处理，烘干处理参数为120℃烘干3h，从而足够有效去除粉末上附着的水蒸气等杂质，同时又能防止由于后续增材制造时加热速度过快而产生的热裂。然后将处理好的原料粉末6放入加工室的粉料缸3，粉料缸3为由粉料缸缸套和与粉料缸缸套配合的柱塞式置粉台组成，原料粉末6堆放在置粉台上直至与粉料缸缸套的顶部开口平齐。在激光器中导入之前生成的填充扫描路径，将预热到80℃（叶盘基体在增材之前需要进行打磨，去除表面氧化物及油污，然后用丙酮等有机溶剂清洗，同时增材过程中激光能量输入很快，热量很高，可能会导致基体热裂，80℃既可以去除丙酮，又可以在不改变基体组织的同时提升基板温度，防止热裂）的整体叶盘基体放到加工室的成形缸4中，成形缸4由成形缸缸套和与成形缸缸套配合的柱塞式载物台组成，整体叶盘基体放置在载物台上并控制整体叶盘基体表面7与成形缸缸套的顶部开口平齐。成形缸缸套和粉料缸缸套的顶部高度相同，均位于选区激光熔化的加工平面（整体叶盘基体表面7）上，先将置粉台上升一定的距离，通过铺粉装置5将钛合金粉末平推到增材基体上达到铺粉厚度，启动激光器使得多道激光束按当前层的填充扫描线，选区熔化原料粉末，加工出当前层，然后成形缸4下降一个加工层厚的距离，粉料缸3上升一定的距离，铺粉装置5再在已加工好的当前层上铺好粉末原料，在实际加工前，可以通过预实验的方式确定粉料缸上升多少的距离能够使得铺粉装置尽量一次操作即可把钛合金粉末平推到增材基体上达到铺粉厚度，当然，即便如此也可在铺粉装置的铺粉过程中，通过红外测量装置检测铺粉厚度，如未精确达到需要的铺粉厚度，可通过铺粉装置进行调整直至达到需要的铺粉厚度。设备调入下一层轮廊的数据进行加工。如此层层加工，但与传统选区激光熔化的一体成型模式不同，在选区激光熔化过程中，每熔化500~550g钛合金粉末便暂停选区激光熔化，激光头1位置不变，停止发出激光，改由激光笔2的定位激光发出红光，进而确定试件当前位置，通过定位激光功能记录设备中“未成型钛合金叶盘”的当前位置。如图1中，两支激光笔获得“未成型钛合金叶盘”的第一定位点8与第二定位点9，在“未成型钛合金叶盘”上标记第一定位点8与第二定位点9，保持定位红光一直开启，待“未成型试件”冷却到室温时，将其从选区激光熔化设备中取出，并将多余的粉末推入集粉缸中。并将试件放置在丙酮溶液中，经超声清洗15分钟，吹干后进行去应力退火，以消除试件中的残余应力，如此可以解决选区激光熔化的一体成型所导致的叶盘不同厚度位置残余应力不同，难以同时消除的问题，为了保证能够有效解决上述问题，每次熔化的钛合金粉末应当小于550g，而小于500g则没有必要且降低效率、增加成本。试件的去应力退火过程在高温炉中完成，升温速率10℃/min，于600℃下保温2h，然后空冷到室温。接着根据第一定位点8与第二定位点9将退火后的试件放入到选区激光熔化设备中，关闭定位红光，重新开启激光束继续进行选区激光熔化，重复以上过程，直到成型出钛合金整体叶盘。
本发明可以使用多个激光头（2、3或4个）作为激光源，此处例如选用2个激光头作为激光源。激光头内置低功率激光笔配置有定位激光功能，可以发出定位红光对工件进行定位。工件在未定位前，可以看成空间直角坐标系中的自由物体，它可以沿着三个坐标轴平行方向放在任意位置，所以工件具有沿坐标轴移动的3个自由度；工件沿三个坐标轴转角方向的位置也是可以任意放置的，即具有绕三个坐标轴转动的3个自由度。所以，要使工件有一位置，必须限制工件的6个自由度。在本发明中，只需确定工件的2个自由度即可，从选区激光熔化设备中取出工件前后，工件的Z坐标是确定的，且无绕X、Y坐标轴转动的自由度，因此工件只具备沿X、Y轴移动的2个自由度，确定工件在三维坐标系里的2个坐标即可。
实施例，此处给出本发明参数范围内的一组参考参数：
| 参数（单位） | 数值 |
| 激光功率（KW） | 950.0 |
| 扫描速度（mm/s） | 1000.0 |
| 束斑直径（um） | 85.0 |
| 单次钛合金粉末熔化质量（g） | 525.0 |
| 去应力退火温度（℃） | 600.0 |
| 去应力退火升温速率（℃/min） | 10.0 |
| 去应力退火保温时间（h） | 2.0 |
| 铺粉厚度（μm） | 50.0 |
| 扫描间距（μm） | 120.0 |
| 离焦量（μm） | 0 |
本发明的钛合金整体叶盘的制备方法，加工量小，材料利用率高，制造成本低。
分区扫描路径及多激光束搭接区的激光功率调整
由于光学元件的限制，SLM无法用于航空航天领域等尺寸超过其成形幅面的零件加工。为满足大尺寸零件的加工需求，提高SLM成形效率，多激光束并行的SLM技术应运而生。多激光束并行打印采用多个扫描振镜与激光器分区域同时工作，为保证激光束相互之间不干扰以及成形件光束拼接区与其他区域具有相同的组织与性能，需要对分区扫描进行研究。不同的扫描策略对SLM成形质量的影响有较大差别，不同的扫描顺序会使得温度分布不一致，进而导致残余应力分布不均匀，从而影响零件的机械特性。轮廓偏移扫描和Ｓ形正交扫描是目前国内快速成型技术最基本的两种扫描方式，但这两种扫描方式均无法解决零部件残余应力过大、翘曲变形等问题。
本发明创新性的提出了一种分区扫描路径，分区扫描路径及扫描顺序如图2-5，采用这种分层交错的扫描路径，能够使搭接区残余应力维持在较低水平且分布趋于平均，且有效避免两组扫描线重叠，减少搭接区域微孔与隆起。
具体的，填充扫描路径为将每个扫描平面划分为多个尺寸相同、相互拼接的方格，各层的方格在水平面上的投影对应重合，每层扫描平面的方格由多个子图形拼接而成；其中，如图2所示，第4N+1层由一大一小两个正方形和以大正方形的边长为长、小正方向的边长为宽的两个矩形的四个子图形拼接而成，每个子图形内扫描路径为与一边垂直与另一边平行的平行线，且正方形与矩形的平行线相互垂直，作为特例，两个正方形可以为相同大小的正方形，则两个矩形亦为与该两个正方形相同大小的正方形，也即该方格由四个大小相同的正方形拼接而成，扫描路径的方向也是相互垂直的；如图3所示，第4N+2层由四个小正方形的子图形拼接而成，每个子图形内扫描路径为与小正方形的一条对角线平行，且四个小正方形的扫描路径对应拼成正方形；如图4所示，第4N+3层与第4N+1层一样由一大一小两个正方形和以大正方形的边长为长、小正方向的边长为宽的两个矩形的四个子图形拼接而成，但其大、小正方形的位置与第4N+1层对调且对应扫描路径平行线旋转90°；如图5所示，第4N+4层由四个小正方形的子图形拼接而成，每个子图形内扫描路径为与小正方形的一条对角线平行，且小正方形内的扫描路径与第4N+2层对应的小正方形内的扫描路径垂直；其中N为从0开始的自然数。
如此，选区激光扫描路径如图2-5所示，增材制造过程按照四层一个循环进行累积，这种四层循环的模式适合于整体叶盘的成型，观察图2-5可发现任意相邻两层不存在激光扫描的交接区（重合区），可以有效避免激光扫描时，层与层之间出现激光区域搭接区重合的情况，避免了重合造成最终构件内部出现缝隙。
通过算法将图2-5所示分区扫描单元填充到CLI格式的切片文件中，可将分区扫描单元的边长定义为0.5-2cm（例如0.5cm、1cm、2cm等等）填充到三维构件的二维切平面中，一般填充方式为从构件截面的重心开始填充，呈放射状向四周扩散，遇到轮廓线则保留被轮廓线所截断在轮廓线内部区域，直到填充完二维截面，获得分区扫描路径。如上所示的区域扫描线由纵横交错的线段组成，可以有效避免某个方向扫描线过长的现象，并减少子区域数量。填充发动机整体叶盘截面的扫描路径如图6所示，其示例为4N+1层的填充情况，且方格为4N+1的特例，即方格由四个大小相同的正方形拼接而成。
按照上述分区扫描方式进行激光扫描，对于单道熔融区和多激光束搭接区的激光功率选择应有所差异，搭接区的激光功率为单道熔融区激光功率的0.4-0.6倍（视扫描次数而定，例如扫描两次则为0.6倍，扫描三次则为0.4倍）。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
Claims (6)
1.一种钛合金整体叶盘选区激光熔化直接增材方法，其特征在于包括以下步骤：
1）设计出叶盘实体的三维模型，然后对该三维模型进行切片分层，得到各截面的轮廓数据，根据轮廓数据生成填充扫描路径，并将所述填充扫描路径导入激光器；
2）将叶盘基体置入加工室中，启动激光器使得多个激光头发射激光束，按照所述填充扫描路径进行选区激光熔化；
3）每进行一定预设时间的选区激光熔化后使激光器暂停发射激光束，保持所述激光头位置不变，采用定位装置确定并记录未成型叶盘的当前位置；待未成型叶盘降温至室温后将其取出进行去应力退火；随后将未成型叶盘放回所述当前位置，并重新使激光器发射激光束继续选区激光熔化；如此反复，直至完成整体叶盘的选区激光熔化；
所述定位装置包括内置在每个所述激光头内的低功率激光笔，多个低功率激光笔对应发出多束定位激光以确定并记录未成型叶盘的当前位置；
所述一定预设时间为熔化500-550g钛合金粉末；
所述填充扫描路径为将扫描平面划分为多个尺寸相同、相互拼接的方格，各层的所述方格在水平面上的投影对应重合，每层扫描平面的方格由多个子图形拼接而成；其中，第4N+1层由一大一小两个正方形和以大正方形的边长为长、小正方向的边长为宽的两个矩形拼接而成，每个子图形内扫描路径为与一边垂直与另一边平行的平行线，且正方形与矩形的平行线相互垂直；第4N+2层由四个小正方形的子图形拼接而成，每个子图形内扫描路径为与小正方形的一条对角线平行，且四个小正方形的扫描路径对应拼成正方形；第4N+3层与第4N+1层一样由一大一小两个正方形和以大正方形的边长为长、小正方向的边长为宽的两个矩形的四个子图形拼接而成，但其大、小正方形的位置与第4N+1层对调且对应扫描路径平行线旋转90°；第4N+4层由四个小正方形的子图形拼接而成，每个子图形内扫描路径为与小正方形的一条对角线平行，且小正方形内的扫描路径与第4N+2层对应的小正方形内的扫描路径垂直；其中N为自然数。
2.根据权利要求1所述的钛合金整体叶盘选区激光熔化直接增材方法，其特征在于，所述多个激光头为2-4个。
3.根据权利要求1所述的钛合金整体叶盘选区激光熔化直接增材方法，其特征在于，所述加工室包括粉料缸和成型缸，在步骤2）和3）中，所述选区激光熔化包括：将原料粉末放入粉料缸，将叶盘基体放到成形缸，采用铺粉装置把原料粉末平推到叶盘基体表面上形成预定厚度的原料粉末，激光头发射激光束按当前层的填充扫描路径，选区熔化未成形叶盘表面上的原料粉末，加工出当前层；随后，暂停发射激光束，控制未成形叶盘下降一个加工层厚的距离，粉料缸中原料粉末上升一定的距离，铺粉装置在已加工好的当前层上形成铺粉厚度的原料粉末，重新发射激光束按下一层的填充扫描路径，选区熔化未成形叶盘表面上的原料粉末，如此层层加工，直到整个整体叶盘加工完毕。
4.根据权利要求1所述的钛合金整体叶盘选区激光熔化直接增材方法，其特征在于，所述选区激光熔化时，采用波长500nm以下的短波长激光，激光功率为800W以上。
5.根据权利要求1所述的钛合金整体叶盘选区激光熔化直接增材方法，其特征在于，所述选区激光熔化时，激光功率为800-1000W，扫描速度为700-1100mm/s，光斑直径为80-100μm。
6.根据权利要求1所述的钛合金整体叶盘选区激光熔化直接增材方法，其特征在于，所述步骤3）中的去应力退火为，以10℃/min升温到580-620℃后保温1.5-2.5h。
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