CN115319113A - 一种航空发动机旋流机匣激光选区熔化制造方法 - Google Patents
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Abstract
一种航空发动机旋流机匣激光选区熔化制造方法，包括以下步骤：S1、选取合适的成形角度；S2、采用块状支撑与锥形支撑相结合的方式，对旋流机匣进行模型处理；S3、采用条带式的扫描策略；S5、热处理：在高真空度条件下，先采用870～930℃，保温1小时，快冷，进行去应力热处理；S6、表面处理：零件打印成形后，去除支撑部分，内流道及小叶片部位应采用磨粒流工艺进行表面处理。
Description
技术领域
本发明涉及激光选区熔化成形制造领域，特别是涉及先进航空发动机旋流机匣激光选区熔化成形制备工艺。
背景技术
旋流机匣的性能关系到航空发动机涡轮盘和涡轮叶片的冷却效果和用气量，对于提高发动机涡轮进口温度和推重比以及综合性能都有着重要影响。随着对先进航空发动机综合性能要求的提高，对旋流机匣也提出了更高的要求，尺寸精度和复杂程度不可同日而语。
受制于传统制造工艺水平，牺牲了机匣最优的结构设计，如叶型设计、壁厚选取、最小制壳空间限制了尺寸选取优化等，导致该机匣无法达到最优的气动力学性能，影响了发动机推重比和综合性能的提升。即便如此，传统制造工艺仍存在诸多问题和缺陷，如几何形状不符合(圆度、壁厚、叶型偏差大)、表面粗糙度差、表面波纹、夹杂、疏松等。
随着激光选区熔化成形制造技术的发展和工程应用，激光选区熔化成形将替代传统铸造工艺成为XX航空发动机旋流机匣制造的最优方案。如能采用大尺寸激光选区装备完成机匣整体打印，则能解决传统制造工艺和分段打印+拼焊的一系列技术难题，在基于增材制造的优化设计下，实现机匣的最优化设计，提升其气动力学性能和综合性能，对于提高发动机的推重比和综合性能具有重要作用。
发明内容
本发明的目的是提供一种航空发动机旋流机匣激光选区熔化制造方法。
本发明通过如下技术方案实现上述目的：一种航空发动机旋流机匣激光选区熔化制造方法，包括以下步骤：
S1、选取合适的成形角度：旋流机匣应将小叶片一侧靠近基板成形平面，应将底部增加3～5mm机加工余量，后期可机加工去除达到最终零件尺寸。打印成形后，线切割将零件与基板分离；
S2、添加支撑：采用块状支撑与锥形支撑相结合的方式，对旋流机匣进行模型处理；
S3、激光扫描策略设置：采用条带式的扫描策略，采取优先烧结靠近出风口部位的逆风烧结方式；
S4、工艺参数设置：打印旋流机匣过程中，应用到几项工艺指令，包括：实体填充工艺参数、上表皮工艺参数、下表皮工艺参数、轮廓工艺参数、尖角工艺参数及支撑的参数设置；
S5、热处理：在高真空度条件下，先采用870～930℃，保温1小时，快冷，进行去应力热处理。线切割后零件与基板分离，进行热等静压处理，再进行标准的固溶双时效热处理制度，氩气快速冷却；
S6、表面处理：零件打印成形后，去除支撑部分，支撑的残余根部使用180目红刚玉打磨头简单打磨后，选用0.1-0.3mm氧化锆、陶瓷丸或石英砂进行360°全方位表面喷砂喷丸处理，表面粗糙度可达到Ra3.2，内流道及小叶片部位应采用磨粒流工艺进行表面处理。
进一步的，所述步骤S2中块状支撑每小格间距为0.5-1mm。
进一步的，所述步骤S2中锥形支撑直径为0.5-1.5mm。
进一步的，所述步骤S3每烧结一层结束，再次铺粉后整个条带旋转67°，最大程度减少不同层之间条带重合次数。
进一步的，所述步骤S3在打印支撑部分时，应选用跳层设置，即支撑的打印层厚为零件层厚的2～3倍。
进一步的，所述步骤S5打印层厚为0.03-0.10mm，实体填充工艺参数包括：激光功率、激光扫描速度、填充间距以及棋盘格宽度，激光功率260W-380W，激光扫描速度为800-1200mm/s，填充间距0.10-0.15mm，条带宽度为7-12mm。
进一步的，所述步骤S5上表皮工艺参数使用激光功率200-260W，激光扫描速度500-800mm/s，激光扫描间距0.08-0.11mm，上表皮扫描策略为整面无图案扫描。
进一步的，所述步骤S5下表皮工艺参数使用激光功率160-200W，激光扫描速度800-1300mm/s，激光扫描间距0.11-0.13mm，下表皮扫描策略为整面无图案扫描。
进一步的，所述步骤S5轮廓工艺参数使用单轮廓或双轮廓方式，轮廓激光功率160W-220W，激光扫描速度为700-1000mm/s，双轮廓方式的双轮廓间距为0.08-0.13mm。
进一步的，所述步骤S5尖角工艺参数使用激光功率160-200W，激光扫描速度800-1300mm/s。
与现有技术相比，本发明激光选区熔化制备旋流机匣的工艺的有益效果是：通过该优化的成形工艺，可制备高品质激光选区熔化成形的3D打印高温合金旋流机匣，力学性能、表面质量以及成形精度等都可以得到保证。为了提高打印效率且不影响零件质量，在打印支撑部分时，应选用跳层设置，即支撑的打印层厚为零件层厚的2～3倍，显著提高了经济效益。
附图说明
图1是旋流机匣的结构示意图。
图2是旋流机匣的摆放角度示意图。
图3旋流机匣三维扫描轮廓尺寸偏差示意图。
具体实施方式
请参阅图1至图2，一种激光选区熔化制备旋流机匣的工艺，包括以下步骤：
S1、选取合适的成形角度：旋流机匣是环形机匣类零件，选择上端面或下端面平行于成形平面的摆放角度，基于机匣内部结构综合考虑，应将小叶片一侧靠近基板成形平面，避免内部支撑存在。由于旋流机匣外形尺寸较大，最大外径超500mm，考虑打印成形后变形量过大的因素，应将底部增加3～5mm机加工余量，后期可机加工去除达到最终零件尺寸。
S2、添加支撑：采用块状支撑与锥形支撑相结合的方式，对旋流机匣进行模型处理，在关键部位，如突现位置、边缘位置以及大截面位置，添加锥形支撑加强零件与基板连接。块状支撑每小格间距为0.5-1mm，块状支撑与零件接触位置改用高度2mm填充齿连接，易于后续去除支撑。根据不同位置应力大小选择φ0.5-1.5mm不同直径的锥形支撑。
S3、激光扫描策略设置：旋流机匣的打印材料为GH4169，该材料内应力较小，因此可采用条带式扫描策略。激光烧结时，溅射的金属蒸汽冷凝物会沿着风向落于平整的金属粉床上，采取优先烧结靠近出风口部位的方式，可避免将金属冷凝物再次熔化造成零件内部熔合不良的现象。每烧结一层结束，再次铺粉后整个棋盘格旋转67°，最大程度减少不同层之间条带重合次数。
S4、工艺参数设置：打印旋流机匣过程中，主要应用到几项工艺指令，包括：实体填充工艺参数、上表皮工艺参数、下表皮工艺参数、轮廓工艺参数以及尖角工艺参数。
打印层厚为0.03-0.10mm，实体填充工艺参数包括：激光功率、激光扫描速度、填充间距以及条带宽度等。该优化后的工艺方法选用激光功率260W-380W，合适的功率可以确保高温合金保持良好的材料特性，而又不会应力过大导致出现内部微裂纹，且材料内部致密气孔较少。激光扫描速度为800-1200mm/s，较低的激光扫描速度可以提高激光能量密度，使材料组织致密，避免未熔合现象出现。填充间距0.10-0.15mm，条带宽度为7-12mm。为了提高打印效率且不影响零件质量，在打印支撑部分时，应选用跳层设置，即支撑的打印层厚为零件层厚的2～3倍。
上表皮工艺参数使用激光功率200-260W，激光扫描速度500-800mm/s，激光扫描间距0.08-0.11mm，上表皮扫描策略为整面无图案扫描。上表皮激光能量密度较大，可提高上表皮光洁度，提高表面外观质量。
下表皮工艺参数使用激光功率160-200W，激光扫描速度800-1300mm/s，激光扫描间距0.11-0.13mm，下表皮扫描策略为整面无图案扫描。下表皮激光能量密度较小，可以防止下层粘粉现象，进一步提高下表皮表面质量，而且有利于下表皮成形，使零件打印成功率提高。
轮廓工艺参数使用单轮廓或双轮廓方式，轮廓激光功率160W-220W，激光扫描速度为700-1000mm/s。如选用双轮廓方式，双轮廓间距为0.08-0.13mm，双轮廓对零件表面质量提高效果明显，表面粗糙度降低。
尖角工艺参数使用激光功率160-200W，激光扫描速度800-1300mm/s。尖角位置使用低能量密度工艺参数，可形成精细结构，高能量密度导致尖角变钝。
S5、热处理：在高真空度条件下，先采用870～930℃，保温1小时，快冷，进行去应力热处理。线切割后零件与基板分离，进行热等静压处理，再进行标准的固溶双时效热处理制度，氩气快速冷却。
S6、表面处理：零件打印成形后，去除支撑部分，支撑的残余根部使用180目红刚玉打磨头简单打磨后，选用0.1-0.3mm氧化锆、陶瓷丸或石英砂进行360°全方位表面喷砂喷丸处理，最终表面粗糙度可达到Ra3.2，表面质量较好。内流道及小叶片部位应采用磨粒流工艺进行表面处理。
本发明通过该优化的成形工艺，可制备高品质激光选区熔化成形的3D打印高温合金旋流机匣，力学性能如表1所示，
表1激光选区熔化GH4169高温合金力学性能
可达锻件水平，轮廓尺寸偏差如图3所示，最大尺寸偏差≯0.5mm、表面质量以及成形精度等都可以得到保证。为了提高打印效率且不影响零件质量，在打印支撑部分时，应选用跳层设置，即支撑的打印层厚为零件层厚的2～3倍，显著提高了经济效益。
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)
1.一种航空发动机旋流机匣激光选区熔化制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、选取合适的成形角度：选择上端面或下端面平行于成形平面的摆放角度；
S2、添加支撑：采用块状支撑与锥形支撑相结合的方式，对旋流机匣进行模型处理；
S3、激光扫描：采用条带式扫描，采取优先烧结靠近出风口部位的逆风烧结方式；
S4、选择合适的参数进行旋流机匣的打印，包括：实体填充工艺参数、上表皮工艺参数、下表皮工艺参数、轮廓工艺参数、尖角工艺参数及支撑的参数；
S5、热处理：在高真空度条件下，先采用870～930℃，保温1小时，快冷，进行去应力热处理,线切割后零件与基板分离，进行热等静压处理，再进行标准的固溶双时效热处理制度，氩气快速冷却；
S6、表面处理：零件打印成形后，去除支撑部分，支撑的残余根部使用180目红刚玉打磨头简单打磨后，选用0.1-0.3mm氧化锆、陶瓷丸或石英砂进行360°全方位表面喷砂喷丸处理，表面粗糙度可达到Ra3.2，内流道及小叶片部位应采用磨粒流工艺进行表面处理。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤S2中块状支撑每小格间距为0.5-1mm，块状支撑与零件接触位置改用高度2mm填充齿连接，所述锥形支撑直径为0.5-1.5mm。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤S3每烧结一层结束，再次铺粉后整个条带旋转67°，最大程度减少不同层之间条带重合次数。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤S3在打印支撑部分时，应选用跳层设置，即支撑的打印层厚为零件层厚的2～3倍。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤S5打印层厚为0.03-0.10mm，实体填充工艺参数包括：激光功率、激光扫描速度、填充间距以及条带宽度，激光功率260W-380W，激光扫描速度为800-1200mm/s，填充间距0.10-0.15mm，棋盘格宽度为7-12mm。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤S5上表皮工艺参数使用激光功率200-260W，激光扫描速度500-800mm/s，激光扫描间距0.08-0.11mm，上表皮扫描策略为整面无图案扫描。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤S5下表皮工艺参数使用激光功率160-200W，激光扫描速度800-1300mm/s，激光扫描间距0.11-0.13mm，下表皮扫描策略为整面无图案扫描。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤S5轮廓工艺参数使用单轮廓或双轮廓方式，轮廓激光功率160W-220W，激光扫描速度为700-1000mm/s，双轮廓方式的双轮廓间距为0.08-0.13mm。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤S5尖角工艺参数使用激光功率160-200W，激光扫描速度800-1300mm/s。
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