一种大尺寸双层薄壁隔热屏零件的激光选区熔化成形方法 |
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| 申请号 | CN202410434938.8 | 申请日 | 2024-04-11 | 公开(公告)号 | CN118023543A | 公开(公告)日 | 2024-05-14 |
| 申请人 | 中国航发沈阳黎明航空发动机有限责任公司; | 发明人 | 王健; 董文启; 马慧君; 薛丽媛; 王焕臣; | ||||
| 摘要 | 本 发明 涉及一种大尺寸双层薄壁 隔热 屏零件的激光选区 熔化 成形方法，属于金属 增材制造 技术领域，包括建模；修复，其中零件竖直摆放，零件顶部尖端指向与成形设备的刮刀铺粉方向相同，保持两列 螺柱 与 基板 垂直；零件下表面设置有随形空腔结构自 支撑 ；采用镜像式竖直摆放的方式摆放，两个零件中间设置有第一长条形板状支撑将二者连接；螺柱上设置多个第二长条形板状支撑；零件表面位于螺柱一侧设置有斜网格支撑；切片与填充；零件成形；清粉后去应 力 退火 ，线切割将零件与基板分离后去支撑，并进行打磨 抛光 及 喷砂 。本发明能够提高零件的成形效率，降低制造成本且适合大批量生产，可推广到其它增材零件的控形及高效率制造。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种大尺寸双层薄壁隔热屏零件的激光选区熔化成形方法，其特征在于，具体包括以下步骤： |
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| 说明书全文 | 一种大尺寸双层薄壁隔热屏零件的激光选区熔化成形方法技术领域背景技术[0002] 航空发动机的尾喷口单元体涉及气动、冷却、密封、运动机构等复杂科学问题，且大部分零件为运动构件，需承受较强的气动载荷及热载荷，此时隔热屏零件对喷管零件运动过程中的冷却及整机性能具有较大影响，为提高其隔热效果，隔热屏零件设计越发复杂，出现了双层薄壁结构，其表面分布有一定数量螺柱，不同区域排布有大量气膜孔，同时零件边缘分布有包边。在前期采用传统加工工艺制备单层壁隔热屏，通过钣金件氩弧焊焊接包边及螺柱焊焊接各螺柱，配合电火花打孔实现零件的最终制备，但存在薄壁隔热屏零件变形严重的问题，导致装配误差较大。经过模型迭代后，隔热屏零件优化为双层壁结构，传统加工方法已不能实现其高效和高质量制造，需采用增材制造技术中的激光选区熔化成形方法制备。 [0003] 增材制造技术又称为3D打印技术，基于数字化驱动，通过逐层沉积的方式实现物体的三维成形。但隔热屏为截面大于等于300mm×300mm的大尺寸复杂双层壁结构，成形过程中容易发生变形。目前已经采用3d打印技术进行大尺寸双层薄壁隔热屏零件的制备，但目前的方法存在的主要问题就是成形过程中零件容易出现热变形，不能保证零件的尺寸精度。 发明内容[0004] 针对传统加工技术存在的不足，基于大尺寸薄壁结构零件的高精度、高效率、低成本的制造目的，本发明提供一种大尺寸双层薄壁隔热屏零件的激光选区熔化成形方法，采用激光选区熔化成形技术制备隔热屏零件，通过增材制造工艺实现隔热屏类零件的制造，实现从传统工艺向激光选区熔化成形工艺的过渡。该方法针对难成形加工合金及复杂结构零件具有一定的优势，可以实现复杂双层壁结构隔热屏的制备，同时一体化制造也可以保障隔热屏的优异力学性能。 [0005] 一种大尺寸双层薄壁隔热屏零件的激光选区熔化成形方法，具体包括以下步骤：步骤一：采用建模软件对大尺寸双层薄壁隔热屏零件进行三维建模，导出stl格式文件； 步骤二：采用3D模型修复软件对步骤一中建立的三维模型进行模型修复，其中零件竖直摆放，零件顶部尖端指向与成形设备的刮刀铺粉方向相同，保持两列螺柱与基板垂直；竖直摆放时零件下表面设置有随形空腔结构自支撑； 步骤三：采用镜像式竖直摆放的方式摆放零件，两个零件中间设置有多个第一长条形板状支撑将二者连接； 零件表面的螺柱上设置多个第二长条形板状支撑，第二长条形板状支撑竖直布置，采用第二长条形板状支撑固定各螺柱的头部，其数量与螺柱的列数相对应，沿每列螺柱竖直摆放； 零件表面位于螺柱一侧设置有斜网格支撑； 步骤四：利用3D模型修复软件将添加第二长条形板状支撑和斜网格支撑后的隔热屏模型进行切片与填充，生成.cli格式的加工文件； 步骤五：将步骤四所述加工文件导入激光选区熔化成形设备进行零件成形，采用蛇形的扫描策略；隔热屏、随形空腔结构自支撑、斜网格支撑、第二长条形板状支撑采用相同成形参数； 步骤六：将成形后的零件表面斜网格支撑内的粉末清理干净，直至用橡胶锤敲击后没有粉末落下； 步骤七：对成形后的整体进行去应力退火； 步骤八：采用线切割将第二长条形板状支撑、隔热屏零件与激光选区熔化成形设备的基板分离，采用线切割将零件与第一长条形板状支撑、第二长条形板状支撑分离； 步骤九：手工去除零件上的所有斜网格支撑；去除支撑过程要防止零件变形，不能出现缺损或磕、碰伤； 步骤十：将零件表面整体打磨抛光，零件表面不得存在肉眼可见的表面的气孔、微裂纹、未熔合缺陷； 步骤十一：对零件表面进行喷砂处理，零件表面喷砂均匀，零件表面不允许有污渍，无磕、碰伤。 [0006] 所述步骤一中导出的文件中三角公差值设置为0.0025。 [0007] 所述随形空腔结构自支撑的结构侧边留有前后对应即对称分布的自支撑的尖角形清粉孔，一共有两处。 [0008] 所述步骤三中，对称摆放两个大尺寸双层薄壁隔热屏，两个隔热屏“背对背”。 [0009] 所述斜网格支撑的侧表面为镂空结构。 [0010] 所述斜网格支撑与零件的螺柱的接触面均为锯齿形，且插入零件0.1mm。 [0011] 所述步骤四中切片的层厚设置为30μm，光斑补偿值设置为0.05mm，填充间距为0.10mm。 [0012] 所述步骤五中的成形参数包括：激光功率为200W，激光扫描速度为900mm/s，激光选区熔化成形的首层粉末曝光烧结2次；成形前5层的铺粉比例设置为300％，之后的铺粉比例设置为180％；每层铺粉开始时扫描方向顺时针旋转67°；在零件成形过程中，零件隔热屏的扫描路径为先扫内核，再扫外轮廓；随形空腔结构自支撑和第二长条形板状支撑只扫内核，且隔层扫描；斜网格支撑仅为单道隔层扫描； 斜网格支撑在零件成形过程中从零件侧面的非气膜孔区域开始生长。 [0013] 随形空腔结构自支撑的壁厚为2mm。 [0014] 本发明的有益效果是：本发明提供了适用于大尺寸双层薄壁隔热屏零件的激光选区熔化成形工艺，通过镜像对称排列竖直摆放，随形空腔结构自支撑、斜网格支撑、长条形板状实体支撑设置相结合，同时考虑了支撑的清粉和去除，配合相应的成形工艺参数，实现大尺寸薄壁结构零件的高精度、高效率、低成本的制造，保证大尺寸双层薄壁隔热屏零件的尺寸精度，同时方便支撑的清粉和去除，提高零件的成形效率，降低制造成本且适合大批量生产，可推广到其它增材零件的控形及高效率制造。 [0015] 本发明提供的方法已经进行了验证，方案可靠，可支持现场相似零件的制备。 [0016] 通过本发明提供的大尺寸双层薄壁隔热屏零件的激光选区熔化成形方法，可用于现场扩张段隔屏、侧壁隔热屏等零件的制备。本发明从支撑数量最少、粉末使用量最低、支撑易去除、确保零件成形尺寸等多个角度出发进行整体的工艺设计，既保证了零件的尺寸精度，又可实现零件的低成本、高效率制备，具有巨大的潜在效益。附图说明 [0017] 图1为本发明实施例要加工的大尺寸双层薄壁隔热屏零件的示意图； [0018] 图2为图1中零件的双层壁的示意图； [0019] 图3为图2中的A部放大图； [0020] 图4为本发明实施例加工时支撑添加示意图； [0021] 图5为图4中的B部放大图； [0022] 图6为图1中零件的随形空腔结构自支撑图； [0023] 其中，1‑零件，2‑螺柱，3‑气膜孔，4‑随形空腔结构自支撑，5‑第一长条形板状支撑，6‑第二长条形板状支撑，7‑斜网格支撑。 具体实施方式[0024] 为了更好的解释本发明，以便于理解，下面结合附图，通过具体实施方式，对本发明的技术方案和效果作详细描述。 [0025] 由于隔热屏为截面大于等于300mm×300mm的大尺寸复杂双层壁结构，成形过程中容易发生变形，因此加工方法需要特别注意支撑的设置保证零件尺寸满足设计要求，同时也要考虑支撑的数量、去除难易、成形周期和成本。 [0026] 本实施例提供一种大尺寸双层薄壁隔热屏零件的激光选区熔化成形方法，所要加工的大尺寸双层薄壁隔热屏零件的外轮廓尺寸为479mm×305mm×33mm。如图1‑3所示，隔热屏零件为平面结构，且为双层薄壁结构，同时其表面分布有一定数量螺柱2，不同区域排布有大量气膜孔3，同时零件边缘分布有包边。具体包括以下步骤，实现隔热屏的高效和高质量制备： [0027] 步骤一：首先，采用建模软件对大尺寸双层薄壁隔热屏零件1进行三维建模，导出stl格式文件，三角公差值设置为0.0025。 [0028] 步骤二：采用Magics软件对步骤一中建立的三维模型进行模型修复，包括封闭未封闭的三角面片、改变方向错误的三角面片、删除多余的三角面片；其中为保证隔热屏的双层壁内表面的粗糙度满足设计要求，同时兼顾隔热屏侧面气膜孔3的质量，因此零件1不能呈45°方向摆放，本方法中将零件1竖直摆放，零件1顶部尖端指向与成形设备的刮刀铺粉方向相同，保持两列螺柱2与基板垂直。如图6所示，竖直摆放时零件1下表面设置有随形空腔结构自支撑4，随形空腔结构自支撑4上表面与隔热屏下表面完全贴合起到支撑作用。随形空腔结构自支撑4可实现无支撑成形，同时空腔结构可以保证更高的成形效率和较低的粉末消耗，空腔结构侧边留有前后对应且对称分布的自支撑的尖角形清粉孔两处，方便成形结束后粉末清理过程中的进气和出气，实现更高效率清粉。 [0029] 步骤三：其次，需要考虑通过合理的支撑添加抑制隔热屏成形过程中的热变形。通过对隔热屏的支撑工艺进行优化，如图4所示，采用镜像式竖直摆放的方式，具体的，对称摆放两个大尺寸双层薄壁隔热屏，两个隔热屏“背对背”，中间设置有五个第一长条形板状支撑5将二者连接。在成形过程中两个零件1可以互相抑制对方的变形，实现系统内的应力自抵消，保证各螺柱2的位置度，固定各螺柱2的头部。 [0030] 为保证各螺柱2的位置度，零件1表面的螺柱2上设置三个第二长条形板状支撑6，第二长条形板状支撑6竖直布置，采用第二长条形板状支撑6固定各螺柱2的头部，其数量与螺柱2的列数相对应，第二长条形板状支撑6沿每列螺柱2竖直摆放。如图5所示，螺柱2采用斜网格支撑7与第二长条形板状支撑6相结合的设计，所述隔热屏表面位于螺柱2一侧设置有斜网格支撑7，保证螺柱2的成形。斜网格支撑7的设置原则就是基于竖直面斜着生长达到支撑螺柱2的目的，区别于第一长条形板状支撑5和第二长条形板状支撑6的竖直生长。斜网格支撑7的这种设置可以节约成形时间，保证螺柱2精度。所述斜网格支撑7的侧表面为镂空结构，方便去除支撑内的残留粉末。 [0031] 斜网格支撑7与零件1的螺柱2的接触面均为锯齿形，且插入零件0.1mm，方便去除的同时又能保障连接牢固，有效抑制了螺柱2的变形。隔热屏各螺柱2采用斜网格支撑7与第二长条形板状支撑6相结合的设计，其中斜网格支撑7可以保证螺柱2的成形。 [0032] 步骤四：利用Magics软件将添加第二长条形板状支撑6和斜网格支撑7后的隔热屏模型进行切片与填充，层厚设置为30μm，光斑补偿值设置为0.05mm，生成.cli格式的加工文件。 [0033] 步骤五：将步骤四所述加工文件导入激光选区熔化成形设备进行零件1成形，采用蛇形的扫描策略。隔热屏、随形空腔结构自支撑4、斜网格支撑7、第二长条形板状支撑6采用相同成形参数，激光功率为200W，激光扫描速度为900mm/s，填充间距为0.10mm，激光选区熔化成形的首层粉末曝光烧结2次，保证激光烧结后的零件1实体与基板充分连接。成形前5层的铺粉比例设置为300％，之后的铺粉比例设置为180％；每层铺粉开始时扫描方向顺时针旋转67°，最大程度减少重合次数，防止零件1产生内应力和裂纹，保证零件1成形的精度。 [0034] 在零件1成形过程中，零件1隔热屏的扫描路径为先扫内核，再扫外轮廓；随形空腔结构自支撑4和第二长条形板状支撑6只扫内核，且隔层扫描；斜网格支撑7仅为单道隔层扫描。通过该扫描方式可以保证零件1的成形精度和成形效率，同时支撑也更容易去除，提高制造效率。 [0035] 斜网格支撑7在零件1成形过程中从零件1侧面的非气膜孔3区域开始生长，避免对气膜孔3质量产生影响。随形空腔结构自支撑4壁厚为2mm。 [0036] 步骤六：将成形后的零件1表面及斜网格支撑7内粉末清理干净，直至用橡胶锤敲击后没有粉末落下。 [0037] 步骤七：对成形后的整体进行去应力退火。 [0038] 步骤八：采用线切割将第二长条形板状支撑6、隔热屏零件1与激光选区熔化成形设备的基板分离，采用线切割将零件1与第一长条形板状支撑5、第二长条形板状支撑6分离。 [0039] 步骤九：手工去除零件1上的所有斜网格支撑7，去除支撑过程要防止零件1变形，不能出现缺损或磕、碰伤。 [0040] 步骤十：将零件1表面整体打磨抛光，零件1表面不得存在肉眼可见的表面的气孔、微裂纹、未熔合缺陷。 [0041] 步骤十一：对零件1表面进行喷砂处理，表面喷砂均匀，零件1表面不允许有污渍，无磕、碰伤。 [0042] 本发明提供的上述采用激光选区熔化成形方法制备隔热屏零件1，可以弥补传统加工技术的不足，针对成形难加工合金及复杂结构零件1具有一定的优势，可以实现复杂双层壁结构隔热屏的制备，同时一体化制造也可以保障隔热屏的优异力学性能。 |
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