CN117794666A - 用于涡轮机械零件的增材制造的方法 - Google Patents
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Abstract
本文件涉及一种用于涡轮机零件的增材制造的方法(200)，所述零件具有主轴和至少一个倾斜部分，所述至少一个倾斜部分在次级方向上延伸，与所述主轴形成非零角度，所述方法包括以下步骤：a)对于每一倾斜部分：a1)提供(202)所述倾斜部分的外表面的目标粗糙度，a2)提供(202)所述倾斜部分的机械弱化，a3)根据所述倾斜部分的机械弱化来确定(204)所述倾斜部分的外表面的最大粗糙度，b)根据每一倾斜部分的外表面的最大粗糙度来确定(206)总的最大粗糙度，c)根据所述总的最大粗糙度来确定(208)待制造的零件的主轴相对于增材制造装置的制造压板的平面的定向，及d)通过增材制造来生产(212)所述零件。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于通过在粉末床上进行熔融来进行增材制造、尤其用于制造涡轮机零件的方法。
背景技术
现在通常采用增材制造技术来轻松快速地生产复杂零件。当制造由金属合金或陶瓷制成的零件时，选择性地熔融或选择性地烧结粉末的方法可以获得难以生产或无法用常规的方法(例如铸造、锻造或机械加工)生产的复杂零件。尤其可以生产具有难以接近的空腔的零件。航空领域特别适合使用这种方法。
此外，与大多数常规的方法不同，此增材制造方法具有快速且不需要任何特定工具的优点，这大大降低了零件的成本和制造周期。
此方法通常包括一步骤，在所述步骤期间，在制造压板上沉积厚度受控的金属、金属合金或陶瓷的第一粉末层，接着所述方法包括用加热方式(例如，激光束或电子束)加热粉末层的预定义区的步骤，且通过针对每一额外层重复这些步骤，直到逐片获得最终零件。此方法可以是被称作激光束熔融或选择性激光熔融的方法。
一些涡轮机零件具有复杂的形状且包含相对于彼此倾斜的部分，这意味着所述零件的一些部分相对于增材制造装置的制造压板倾斜。图1展示安置在制造压板5上的具有角度α的此倾斜部分10。层2的连续熔融可在倾斜部分10的外表面3上产生阶梯效应。这是因为熔融方式(例如激光射线)沿着Z被竖直地引导，这在层之间产生阶梯效应，所述层具有固定的厚度且不一定与所需的几何形状一致。此外，其余的粉末颗粒可以与倾斜部分10的底部表面4熔合。这些阶梯效应取决于角度α。
如此生产的零件具有相对较高的粗糙度，这可能不利于所述零件的机械强度和使用寿命。
此外，当所述零件布置在涡轮的高压部分中时，所述零件的在空气流中的区需要第一低的最大粗糙度以限制压降和边界层效应。而当所述零件布置在涡轮的低压部分中时，相同的区可以具有大于第一最大粗糙度的第二最大粗糙度，且不需要如此低的粗糙度。
需要控制通过增材制造生产的零件的粗糙度。
出于此目的，一些方法包括在制造零件之后测量零件的粗糙度并对零件的表面的机械加工进行重新加工以根据零件所需的机械特性来获得表面状态。这些额外的操作通常是昂贵、复杂，有时甚至是多余的。
需要改进对通过增材制造生产的零件的粗糙度的控制。
发明内容
出于此目的，本文件涉及一种用于涡轮机零件的增材制造的方法，所述零件具有主轴和至少一个倾斜部分，所述至少一个倾斜部分在次级方向上延伸，与所述主轴形成非零角度，所述方法包括以下步骤：
a)对于每一倾斜部分：
a1)提供所述倾斜部分的外表面的目标粗糙度，
a2)提供所述倾斜部分的机械弱化，
a3)根据所述倾斜部分的机械弱化来确定所述倾斜部分的外表面的最大粗糙度，
b)根据每一倾斜部分的外表面的最大粗糙度来确定总的最大粗糙度，
c)根据所述总的最大粗糙度来确定待制造的零件的主轴相对于增材制造装置的制造压板的平面的定向，及
d)通过增材制造来生产所述零件。
所述方法可以获得具有可接受的表面状态和所述零件的功能所需的机械强度的零件。
所述主轴可以是旋转轴、对称轴或在零件的纵向方向上的轴线。次级方向可以沿着倾斜部分的纵向轴线、旋转轴或对称轴。
粗糙度可以是外表面轮廓的算术平均粗糙度或外表面轮廓的最大粗糙度。
可以通过轮廓仪在接触或非接触的情况下、例如通过激光或视觉轮廓仪来测量粗糙度。
步骤a1)可以包括：提供倾斜部分的顶部外表面的目标粗糙度和倾斜部分的底部外表面的目标粗糙度。顶部外表面可以相对于倾斜部分的纵向平面与底部外表面相对。
在零件的操作温度和操作条件下通过机械疲劳测试确定的疲劳中的机械弱化可以取决于粗糙度，特别是倾斜部分在经受预定机械应力时的粗糙度。举例来说，机械弱化可以是被称为LCF(代表“低循环疲劳”)，其对应于相对于零件的已知参考曲线的单循环疲劳的机械弱化。LCF机械弱化可以通过机械疲劳测试来确定，其中应力循环以低测试频率应用于样本。此LCF机械弱化可以与由于零件经受的温度引起的热膨胀和收缩的现象相关联。
机械弱化可以是被称为HCF(代表(“高循环疲劳”)，其对应于由于涡轮机的振动引起的零件的振动疲劳的机械弱化。HCF机械弱化可以通过疲劳测试但以高测试频率来确定。
机械弱化可以是零件的疲劳曲线相对于零件未经受热机械应力时的参考曲线的百分比。
目标粗糙度可以取决于倾斜部分或所述倾斜部分的区的功能和/或可以根据所述功能来推断出。目标粗糙度可以取决于空气动力学要求。举例来说，当零件为涡轮机的高压压缩机的定子叶片时，零件的被设计成布置在空气流中的区可以具有小于1.6μm的目标算术平均粗糙度。对于这些相同的区，当零件为涡轮机的低压涡轮的喷嘴时，可以具有小于3.2μm的目标算术平均粗糙度。
此外，当倾斜部分为零件的两个部分之间的连接部分时，目标算术平均粗糙度可以小于3.2μm。
制造压板的平面可以基本上垂直于用于熔融零件的层的激光射线的方向，以改进表面状态。
要在步骤b)期间承受的最大粗糙度可以根据目标粗糙度和可维持粗糙度根据所制造的零件的倾斜度来确定。
所述方法可以包括确定第一实验定律，所述确定包括以下步骤：
-供应参考样本，每一参考样本具有主轴且通过增材制造来生产，每一参考样本包括：底部表面，其转向制造装置的制造压板，与主轴形成第一角度；及顶部表面，其与所述底部表面相对且与主轴形成第二角度，
-对于每一参考样本，测量顶部表面的粗糙度和底部表面的粗糙度，
-通过根据第一角度和第二角度对顶部表面和底部表面的粗糙度进行插值来获得所述第一实验定律。
第一角度和第二角度可以是制造角度。
第一实验定律可以取决于参考样本的材料、通过增材制造沉积的层的厚度、例如在包括零件的引擎中使用零件期间的零件的温度、激光射线的功率和/或激光射线的速度。
第一实验定律可以通过多项式插值或任何其它适应函数来获得。
粗糙度可以是粗糙度的平均值。举例来说，具有相同材料、相同的第一角度和相同的第二角度的若干参考样本可以用于测量粗糙度平均值。第一实验定律可以包括针对在粗糙度平均值的大约+2的标准偏差下的粗糙度数据获得的第一曲线和针对在粗糙度平均值的大约-2的标准偏差下的粗糙度数据获得的第二曲线。因此，可以预测同一个角度的粗糙度的可变性。
第一实验定律可以存储在数据库中。
第一角度和第二角度可以是互补的。
步骤c)可以包括使用第一实验定律来确定零件的主轴的定向。举例来说，可以根据总的最大粗糙度来使用第一实验定律的逆，以计算外表面与制造压板的平面之间的角度。
可以根据所述计算的角度和一个或每一倾斜部分与主轴之间的角度来获得主轴的定向。
步骤c)可以包括使用将通过模拟获得的粗糙度和制造角度关联的定律来确定零件的主轴的定向。
所述方法可以包括验证第一实验定律的步骤，其包括以下步骤：
-通过增材制造来生产具有主轴且包括外表面的至少一个样本，所述外表面与主轴形成测试角度，
-测量外表面的粗糙度，
-比较所测量的粗糙度与根据测试角度和第一实验定律计算的粗糙度。
当所测量的粗糙度不同于所计算的粗糙度时，所述方法可以包括调整第一实验定律的步骤。
所述方法可以包括确定第二实验定律，所述确定包括以下步骤：
-对于每一参考样本，测量机械弱化和底部表面和/或顶部表面的粗糙度，
-通过对作为粗糙度的函数的机械弱化进行插值来获得所述第二实验定律。
机械弱化可以是机械弱化的平均值。举例来说，具有相同材料、相同的第一角度和相同的第二角度的若干参考样本可以用于测量机械弱化的平均值。
所述方法可以包括在测量机械弱化之前通过增材制造来制造参考样本。
用于确定第一实验定律的参考样本可以不同于用于确定第二实验定律的参考样本。举例来说，用于确定第二实验定律的参考样本可以包括可以是底部表面或顶部表面的外表面，且测量外表面的粗糙度。
可以针对零件的各种使用温度来确定第二实验定律。
步骤a3)可以包括使用第二实验定律来确定总的最大粗糙度。
步骤a3)可以包括使用将通过模拟获得的粗糙度和制造角度关联的定律来确定总的最大粗糙度。
第二实验定律可以存储在数据库中。
所述方法对于每一倾斜部分可以包括以下步骤：
-比较目标粗糙度与总的最大粗糙度，
-当总的最大粗糙度大于所述倾斜部分的目标粗糙度时，对所述倾斜部分进行机械加工以获得目标粗糙度，随后进行步骤d)。
所述方法可以包括对倾斜部分进行抛光或对倾斜部分进行铣削。此步骤可以获得目标粗糙度。
抛光可以是化学抛光、摩擦精加工(tribofinishing)、研磨膏抛光、砂磨等。
所述方法对于每一倾斜部分可以包括以下步骤：
-比较目标粗糙度与总的最大粗糙度，
-当总的最大粗糙度大于所述倾斜部分的目标粗糙度时，通过在步骤d)之前增加倾斜部分的厚度来修改倾斜部分的尺寸标定。
所述厚度可以取决于用于对零件进行机械加工以获得目标粗糙度的方法，其可以是对零件进行抛光或铣削。
所述方法对于每一倾斜部分可以包括以下步骤：
-比较目标粗糙度与总的最大粗糙度，
-当总的最大粗糙度大于所述倾斜部分的目标粗糙度时，通过修改倾斜部分与主轴之间的角度或通过修改倾斜部分的另一尺寸来修改倾斜部分的尺寸标定，所述另一尺寸可以是所述倾斜部分的长度、厚度或宽度。
可以通过沉积厚度在20微米与60微米之间(例如，等于40微米)的零件的材料粉末的一连串层、通过增材制造来生产零件。
所述零件可以是涡轮机的轴承支撑件或涡轮机的涡轮叶片或涡轮机的压缩机叶片。
本文件还涉及一种包括如前述的用于实施方法的构件的装置。
附图说明
[图1]图1(已描述)展示通过增材制造生产的零件的横截面，
[图2]图2展示涡轮机的轴承支撑件的透视图，
[图3]图3a展示图2的轴承支撑件的横截面的透视图，且图3b展示图3a的横截面的正视图，
[图4]图4展示用于制造图2的轴承支撑件的方法的实例的框图，
[图5]图5展示确定定律的实例的框图，所述定律表征通过增材制造获得的零件的表面状态，
[图6]图6展示用于图5的方法中的参考样本，
[图7]图7展示将粗糙度和制造角度关联的曲线，
[图8]图8展示将机械弱化和粗糙度关联的曲线，
[图9]图9展示在调整其尺寸之后的轴承支撑件的横截面的透视图，
[图10]图10展示轴承支撑件在增材制造装置的制造压板上的布置。
具体实施方式
参考图2和3，涡轮机的轴承支撑件100可以布置在涡轮机的转子与涡轮机的转子轴之间，所述转子和转子轴是同轴的。举例来说，轴承支撑件100包括其中安装有转子轴的内部套环102和其上安装有转子的外部套环104。
轴承支撑件100可以安装在涡轮机的风扇、压缩机或涡轮处。
轴承支撑件100包括将内部套环102连接到外部套环104的连接壁106，所述连接壁相对于内部套环和外部套环的轴线X倾斜。内部套环102通过内部肋108连接到连接壁106，所述内部肋也相对于轴线X倾斜。轴承支撑件100可以包括其它中间套环110，所述其它中间套环以X为其轴线且通过中间肋112连接到连接壁106。中间套环110可以具有相对于轴线X倾斜的轴线。这些中间套环110为穿过轴承支撑件和涡轮的中心的轴之间的力吸收区，所述涡轮固定在外部区上。油可以在轴与轴承支撑件之间循环。
内部肋108和中间肋112中的每一个与轴线X具有不同的角度。这增加了通过常规的生产机器生产轴承支撑件100的复杂性。为了对此进行补救，使用增材制造方法来促进例如轴承支撑件100的零件的生产。然而，此类方法不能控制外表面的粗糙度，尤其是中间肋112和内部肋108的粗糙度。
图4中所展示的增材制造方法200可以获得具有受控表面状态的涡轮机零件。
在下文中，关于轴承支撑件100描述方法200，但所述方法可以应用于任何其它涡轮机零件，例如涡轮机的涡轮叶片或涡轮机的压缩机叶片。
方法200包括提供轴承支撑件的特性的步骤202。举例来说，提供用于内部肋108和中间肋112的每一表面S1、S6、S8、S10和S11的目标粗糙度和机械弱化。
还提供用于连接壁106的表面S2、S5、S9和S12中的每一个的目标粗糙度和机械弱化。
目标粗糙度取决于所讨论的表面的布置和空气动力学要求。举例来说，内部肋108和中间肋112的表面S1、S6、S8、S10和S11可以具有小于3.2μm的目标粗糙度。
粗糙度为由轮廓仪在接触或非接触的情况下测量的轮廓的算术平均粗糙度。
替代地，粗糙度可以是由轮廓仪在接触或非接触的情况下确定的轮廓的最大粗糙度。
机械弱化为疲劳曲线相对于在不存在热机械应力的情况下的参考曲线的百分比。
机械弱化可以是被称为LCF(代表“低循环疲劳”)的机械弱化和/或被称为HCF(代表“高循环疲劳”)的机械弱化。
举例来说，表面S1到S10的机械弱化可以具有在40％与50％之间的机械弱化。
连接表面R1和R3的机械弱化还可以具有在40％与50％之间的机械弱化。
表面S12和连接壁的与表面S1到S10相对的其它表面可以具有小于20％、尤其小于15％的机械弱化。
方法200包括用于根据在前一步骤202处提供的机械弱化来针对表面S1-S11和R1-R3中的每一个确定最大的粗糙度的步骤204。
方法200接下来包括：
-用于根据在步骤204处确定的最大粗糙度且任选地根据所供应的目标粗糙度来确定总的最大粗糙度的步骤206，及
-用于根据在步骤206处确定的总的最大粗糙度来确定轴线X相对于增材制造装置的制造压板的定向的步骤208。
在步骤208处使用第一实验定律500来确定轴线X在制造压板上的定向，所述第一实验定律将零件的外表面的粗糙度和零件相对于制造压板的制造角度关联。
使用将粗糙度和机械弱化关联的第二实验定律600来实施步骤204。
参考图5到8，方法300可以获得第一实验定律500，且方法320可以获得第二实验定律。
所述方法包括通过增材制造来制造多个参考样本402、404和406的步骤302。举例来说，参考样本402、404和406由例如镍或钛的相同材料通过相同的增材制造装置生产。
样本402、404和406中的每一个相对于轴线Z倾斜，所述轴线垂直于制造压板410。样本402、404和406中的每一个分别具有底部表面402D、404D和406D以及与对应的底部表面402D、404D和406D相对的顶部表面402U、404U和406U。每一底部表面402D、404D和406D分别与制造压板410的平面形成大约80°、70°和45°的第一角度α1。
每一顶部表面402U、404U和406D分别与制造压板410的平面形成第二角度α2，所述第二角度与底部表面402D、404D和406D的第一角度α1互补。
方法300包括测量参考样本402、404和406的顶部表面及底部表面中的每一个的粗糙度Rz。粗糙度为由轮廓仪在接触或非接触的情况下测量的轮廓的算术平均粗糙度。
对于每一参考样本402、404和406，用相同的材料来制造若干模型，且测量这些模型中的每一个的相同的角度α1和α2及粗糙度数据。
通过对这些粗糙度数据进行插值而在步骤306处获得第一实验定律500，且所述第一实验定律将粗糙度Rz和制造角度α关联。第一实验定律500包括对粗糙度数据的平均值进行插值的曲线514、对在粗糙度平均值的大约+2的标准偏差下的粗糙度数据进行插值的曲线512，和对在粗糙度平均值的大约-2的标准偏差下的粗糙度数据进行插值的曲线514。
第一实验定律500的曲线510、512和514通过多项式插值来获得。
制造角度α在其小于90°时对应于第一角度α1，且在其大于90°时对应于第二角度α2。
第一实验定律500可以存储在数据库中。
第一实验定律500可以通过方法310来验证，所述方法包括通过增材制造来生产312测试件。举例来说，这些测试件可以包括沿着一平面延伸的外部表面，所述平面以可以不同于第一角度α1和第二角度α2的制造角度相对于制造压板的平面倾斜。举例来说，制造角度可以等于40°、50°、70°和90°。
方法310接下来包括针对每一测试件测量外部表面的粗糙度。将此所测量的粗糙度与针对测试件的制造角度通过第一实验定律500计算的粗糙度进行比较。第一实验定律500可以根据对测试件测量的粗糙度来校正。
为了确定第二实验定律600，方法320包括在各种温度下、例如在20°和750°下测量测试件和/或参考样本的机械弱化。
以与第一实验定律500的构建类似的方式，对于每一参考或测试件，用相同的材料且以相同的角度来制造若干模型，机械弱化数据是针对这些模型中的每一个来测量的。
通过对这些机械弱化数据和机械弱化以及粗糙度Rz进行插值而在步骤324处获得第二实验定律600。
对于大约20°的温度，第二实验定律600包括对机械弱化数据的平均值进行插值的曲线604。
对于大约750°的温度，第二实验定律600包括对机械弱化数据的平均值进行插值的曲线608。
由图8上的正方形、三角形和圆形展示的取样点对应于机械弱化的测量结果。
方法200包括验证轴线X相对于制造压板的定向的步骤210。
此步骤210对于倾斜表面S1-S11和R1-R3中的每一个可以包括以下子步骤：
-比较目标粗糙度与最大粗糙度，
-当总的最大粗糙度大于目标粗糙度S1-S11和R1-R3时，通过增加所述倾斜表面S1-S11和R1-R3的厚度来修改所述倾斜表面的尺寸标定。
步骤210对于倾斜表面S1-S11和R1-R3中的每一个可以包括以下子步骤：
-比较目标粗糙度与最大粗糙度，
-当总的最大粗糙度大于所述倾斜表面S1-S11和R1-R3的目标粗糙度时，通过修改倾斜表面与轴线X之间的角度来修改倾斜部分S1-S11和R1-R3的尺寸标定。
如在图9上所展示，修改肋108的角度，因为将在增材制造结束时获得的总的最大粗糙度不同于表面S1和R1的目标粗糙度。
方法200接下来可以包括以轴承支撑件100的新机械特性(即，肋108的新的倾斜角)返回到步骤202。
最后，方法200包括通过增材制造来生产轴承支撑件100的步骤212。出于此目的，轴承支撑件100将定向成使得轴线X垂直于制造压板410的平面，且使得表面S11转向制造压板。
出于此目的，如图10上所展示，蜂窝状支撑件712安置在零件下方与制造压板410相隔一定距离，以避免轴承支撑件100在制造期间塌陷。这些支撑件712可以手动地或通过机械加工来去除。
图9展示通过增材制造而获得的轴承支撑件100。
方法200可以包括对一个或多个倾斜表面进行机械加工，以获得在步骤210处确定的目标粗糙度。
举例来说，通过机械加工来调整区702的表面，且接下来通过砂磨对所述表面进行抛光。
可仅通过砂磨来对区704、706和710的表面进行抛光。
此外，可以通过铣削或通过抛光(例如化学抛光、摩擦精加工、研磨膏抛光、砂磨等)来实施机械加工。
在步骤210处确定的增加的厚度可以取决于机械加工的类型。
Claims (9)
1.一种用于涡轮机零件(100)的增材制造的方法(200)，所述零件具有主轴(X)和至少一个倾斜部分(106，108，110)，所述至少一个倾斜部分在次级方向上延伸，与所述主轴形成非零角度，所述方法包括以下步骤：
a)对于每一倾斜部分：
a1)提供(202)所述倾斜部分的外表面(S1-S11，R1-R3)的目标粗糙度，
a2)提供(202)所述倾斜部分的机械弱化，
a3)根据所述倾斜部分的机械弱化来确定(204)所述倾斜部分的外表面的最大粗糙度，
b)根据每一倾斜部分的外表面的最大粗糙度来确定(206)总的最大粗糙度，
c)根据所述总的最大粗糙度来确定(208)待制造的零件的主轴相对于增材制造装置的制造压板(410)的平面的定向，及
d)通过增材制造来生产(212)所述零件。
2.根据权利要求1所述的方法(200)，其包括确定(200)第一实验定律(500)，所述确定包括以下步骤：
-供应(302)参考样本(402，404，406)，每一参考样本具有主轴且通过增材制造来生产，每一参考样本包括：底部表面(402D，404D，406D)，其转向所述制造装置的所述制造压板，与所述主轴形成第一角度(α1)；及顶部表面(402U，404U，406U)，其与所述底部表面相对且与所述主轴形成第二角度(α2)，
-对于每一参考样本，测量(304)所述顶部表面的粗糙度和所述底部表面的粗糙度，
-通过根据所述第一角度和所述第二角度对所述顶部表面和所述底部表面的粗糙度进行插值来获得(306)所述第一实验定律。
3.根据权利要求2所述的方法(200)，其特征在于，步骤c)包括使用所述第一实验定律(500)来确定所述零件的主轴的定向。
4.根据权利要求2或3中任一项所述的方法(200)，其包括确定(320)第二实验定律(600)，所述确定包括以下步骤：
-对于每一参考样本，测量(322)机械弱化和所述底部表面和/或所述顶部表面的粗糙度，
-通过根据粗糙度对机械缺点进行插值来获得(324)所述第二实验定律。
5.根据权利要求4所述的方法(200)，其特征在于，步骤b)包括使用所述第二实验定律(600)来确定所述总的最大粗糙度。
6.根据前述权利要求中任一项所述的方法(200)，其对于每一倾斜部分(106，108，110)包括以下步骤：
-比较所述目标粗糙度与所述总的最大粗糙度，
-当所述总的最大粗糙度大于所述倾斜部分的目标粗糙度时，对所述倾斜部分进行机械加工以获得所述目标粗糙度，随后进行步骤d)。
7.根据前一权利要求所述的方法(200)，其包括对所述倾斜部分进行抛光或对所述倾斜部分(106，108，110)进行铣削。
8.根据前述权利要求中任一项所述的方法(200)，其对于每一倾斜部分(106，108，110)包括以下步骤：
-比较所述目标粗糙度与所述总的最大粗糙度，
-当所述总的最大粗糙度大于所述倾斜部分的目标粗糙度时，通过在步骤d)之前增加所述倾斜部分(106，108，110)的厚度来修改所述倾斜部分的尺寸标定。
9.根据前述权利要求中任一项所述的方法(200)，其特征在于，所述零件为涡轮机的轴承支撑件或所述涡轮机的涡轮叶片或所述涡轮机的压缩机叶片。
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