一種高溫合金筋肋結(jié)構(gòu)激光立體成形方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種高溫合金筋肋結(jié)構(gòu)激光立體成形方法，首先建立筋肋結(jié)構(gòu)的三維立體模型，并根據(jù)筋肋結(jié)構(gòu)的所在部位設計三維工藝支撐，然后剖分并編制熔覆控制程序；成形式，首先在需要成形筋肋結(jié)構(gòu)的零件上進行工藝支撐部分的熔覆成形，然后調(diào)整成形工藝參數(shù)，進行筋肋結(jié)構(gòu)部分的均勻穩(wěn)定成形，最后將工藝支撐加工去除即得到一體化的高溫合金筋肋結(jié)構(gòu)。本發(fā)明可一體化制造具有凸耳、凸臺等筋肋結(jié)構(gòu)的高溫合金結(jié)構(gòu)件，為在快速制造領域?qū)崿F(xiàn)工程化奠定了基礎。
【專利說明】一種高溫合金筋肋結(jié)構(gòu)激光立體成形方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于金屬特種成形加工【技術領域】，涉及一種高溫合金尤其是鈦合金的筋肋結(jié)構(gòu)激光立體成形方法。
【背景技術】
[0002]航空航天飛行器上鈦合金零部件較多，特別是艙段等回轉(zhuǎn)體零件，而此類零件的內(nèi)壁或外壁上一般會有加強筋或凸耳、凸臺類結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)如采用傳統(tǒng)工藝制造，一般采用焊接工藝。采用此工藝不僅需要設計特定的工裝夾具，而且還要考慮焊后零部件的變形、校形和熱處理，這將大大增加制造成本。對于性能要求高的大型復雜零件，采用傳統(tǒng)連接方法還很難保證零件的整體性能。采用激光熔覆連接技術，可以一體化制造具有筋肋結(jié)構(gòu)的鈦合金結(jié)構(gòu)件，能提高零件的整體剛度和強度。其次，在新型號研制過程中，鈦合金結(jié)構(gòu)件需要進行模具設計、加工和試制，如鍛造和鑄造，模具的設計和制造不僅周期長而且費用高，導致整個零件的研制周期變長成本增加，另外當設計部門需要修改設計的模型時，后期模具的設計和制造還需要重新制造。而激光熔覆成形技術是在無需專用工裝模具的情況下，通過高功率激光熔化同步輸送的鈦合金粉末，逐點逐層堆積來成形金屬零件的過程。這不僅能減少制造工裝模具的時間和費用，還可以根據(jù)設計圖紙的修改而時時改變成形工藝，達到設計與樣件同步的研制過程。再次，該技術采用增量生長的方式成形零件，可顯著提高材料利用率，而且成形構(gòu)件僅需最終精加工，能大大縮短零件制造和研制周期，提高研制效率降低成本。
[0003]激光快速成形(Laser Rapid Forming,LRF)技術是二十世紀末期興起的一項材料成形新技術，它是在快速原型制造技術基礎上發(fā)展而來的，其基本原理為:先在計算機中建立零件的三維CAD模型，再利用分層切片軟件將模型以一定的厚度分層切片，把零件的三維形狀離散成一系列二維平面，由數(shù)控機床按照每一層的形狀數(shù)據(jù)，控制高能激光束熔化同步送進的材料(一般`為粉狀或絲狀)形成熔覆層，逐層堆積材料，最終獲得三維實體零件或只需要進行少量加工的毛坯。而本發(fā)明采用的工藝技術拓展了激光快速成形技術，即利用工藝支撐的方式制造大型零部件，大大提高制造效率，因此具有很高的加工柔性，在航空航天領域鈦合金大型復雜結(jié)構(gòu)件的制造上具有廣闊的應用前景。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的技術解決問題是:利用激光立體成形技術，采用一種工藝支撐的方法，解決高溫合金尤其是鈦合金筋肋結(jié)構(gòu)的一體化制造難題。
[0005]本發(fā)明的技術解決方案是:先在要成形的筋肋部位設計工藝支撐，再調(diào)整成形工藝參數(shù)制造工藝支撐實體，然后進行筋肋的激光立體成形。具體采用的技術方案如下:
[0006]一種高溫合金筋肋結(jié)構(gòu)的激光熔覆成形方法，其步驟包括:
[0007]I)建立筋肋結(jié)構(gòu)的三維模型并根據(jù)筋肋結(jié)構(gòu)所在的部位設計三維工藝支撐，采用剖分軟件對建立的三維模型進行剖分，根據(jù)剖分結(jié)果編制熔覆控制程序并載入數(shù)控系統(tǒng)；[0008]2)通過所述熔覆控制程序設定每層的剖分高度為0.1-0.2mm，通過數(shù)控系統(tǒng)控制送粉噴嘴的掃描速度為100-200mm/min，送粉系統(tǒng)的送粉速度設定為5_8g/min，熔覆5_10
層，形成基礎熔覆層；
[0009]3)將所述送粉噴嘴的掃描速度調(diào)整為200-300mm/min，送粉系統(tǒng)的送粉速度調(diào)整為6-10g/min，熔覆控制程序中每層的剖分高度調(diào)整為0.lmm-0.3mm，在所述基礎熔覆層上進行工藝支撐部分的均勻穩(wěn)定成形；
[0010]4)將所述送粉噴嘴的掃描速度調(diào)整為300-400mm/min，送粉系統(tǒng)的送粉速度調(diào)整為10-15g/min,熔覆控制程序中每層的剖分高度調(diào)整為0.4mm-0.6mm,進行筋肋結(jié)構(gòu)部分的均勻穩(wěn)定成形；
[0011]5)將工藝支撐加工去除，便得到一體化的高溫合金筋肋結(jié)構(gòu)。
[0012]進一步地，本發(fā)明所稱的筋肋結(jié)構(gòu)，包括加強筋、凸耳、凸臺等類似的臺階類結(jié)構(gòu)。
[0013]進一步地，所述工藝支撐的斜度約10-15°。
[0014]進一步地，進行步驟2)至步驟4)所述熔覆的成形室內(nèi)的氧含量低于50ppm。首先在成形室內(nèi)充入氬氣以排除空氣，氬氣流量10-15L/min，當成型室內(nèi)的氧含量約在1000ppm時，開啟凈化系統(tǒng)使氧含量低于50ppm。
[0015]進一步地，所述送粉系統(tǒng)采用的高溫合金粉末采用等離子旋轉(zhuǎn)電極法生產(chǎn)，粒度約100目-200目。
[0016]進一步地，進行步驟2)和步驟3)所述熔覆時設定激光功率參數(shù)為700-1000W，進行步驟4)所述熔覆時設定激光`功率參數(shù)為2000-2500W。
[0017]進一步地,所述高溫合金為鈦合金。
[0018]一種大尺寸鈦鋁合金的激光立體成形裝置，包括激光器、送粉系統(tǒng)、數(shù)控系統(tǒng)、反射聚焦鏡、送粉噴嘴、機床臺面、成形室、凈化系統(tǒng)和水冷系統(tǒng)；其中反射聚焦鏡、送粉噴嘴和機床臺面置于成形室內(nèi)；所示激光器用于產(chǎn)生激光束，所述反射鏡用于將產(chǎn)生的激光束聚焦并形成金屬熔池，所述送粉系統(tǒng)用于將高溫合金粉末經(jīng)過送粉噴嘴匯聚于所述金屬熔池中，所述數(shù)控系統(tǒng)用于控制所述送粉噴嘴和所述機床臺面的運動，所述凈化系統(tǒng)用于降低成形室內(nèi)的氧含量，所述水冷系統(tǒng)用于給激光器和機床臺面進行冷卻。
[0019]本發(fā)明利用激光立體成形技術，采用工藝支撐的方法制造高溫合金筋肋結(jié)構(gòu)，根據(jù)快速成形原理采用高功率激光束直接將同步輸送的高溫合金粉末熔化，然后快速凝固，隨著激光束和送粉噴嘴的同步運動，連續(xù)逐層熔覆出致密的高性能金屬結(jié)構(gòu)件。本發(fā)明首先制造工藝支撐，然后進行筋肋結(jié)構(gòu)成形，實現(xiàn)了筋肋結(jié)構(gòu)和其它部分如鈦合金艙段壁等的一體化成形，能大大提高零件的整體強度和剛度。與傳統(tǒng)焊接工藝相比，采用該工藝方法可以一體化制造具有筋肋結(jié)構(gòu)的鈦合金艙段結(jié)構(gòu)件等零件，為高溫合金復雜結(jié)構(gòu)件在快速制造領域?qū)崿F(xiàn)工程化奠定了基礎。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0020]圖1為實施例中激光立體成形設備的組成結(jié)構(gòu)示意圖；
[0021]圖2為實施例中鈦合金筋肋結(jié)構(gòu)的激光熔覆成形方法的步驟流程圖；
[0022]圖3a為實施例1中頂部有凸臺的鈦合金件示意圖；
[0023]圖3b為圖3a所示零件的工藝支撐示意圖；[0024]圖3c為圖3a所示零件的熔覆成形過程示意圖。
[0025]圖4a為實施例2中具有環(huán)筋結(jié)構(gòu)的鈦合金艙段試驗件側(cè)壁剖面示意圖；
[0026]圖4b為圖4a所示零件的工藝支撐示意圖；
[0027]圖4c為圖4a所示零件的熔覆成形過程示意圖。
[0028]圖中標號說明:1_激光器、2-送粉系統(tǒng)、3-數(shù)控系統(tǒng)、4-反射聚焦鏡、5-送粉噴嘴、6-鈦合金半成品零件、7-水冷機床臺面、8-成形室、9-凈化系統(tǒng)、10-水冷系統(tǒng)、11-透鏡；A-頂部有凸臺的鈦合金件、Al-凸臺、A2-工藝支撐、B具有環(huán)筋結(jié)構(gòu)的鈦合金艙段試驗件、B1-環(huán)筋、B2-工藝支撐、a -工藝支撐的斜度。
【具體實施方式】
[0029]下面通過具體實施例和附圖，對本發(fā)明做詳細的說明。
[0030]本發(fā)明利用激光立體成形技術采用工藝支撐的方法一體化制造具有筋肋結(jié)構(gòu)的鈦合金艙段，該方法所用設備為激光立體成形設備，圖1為該設備的結(jié)構(gòu)組成示意圖。如該圖所示，該激光熔覆成形設備包括激光器1、送粉系統(tǒng)2、數(shù)控系統(tǒng)3、反射聚焦鏡4、送粉噴嘴5、鈦合金半成品零件6、水冷機床臺面7、成形室8、凈化系統(tǒng)9和水冷系統(tǒng)10。其中，反射聚焦鏡4、送粉噴嘴5、鈦合金半成品零件6和水冷機床臺面7置于成形室8內(nèi)，水冷機床臺面7用于固定需要成形的鈦合金半成品零件材料并進行縱向運動，激光器I用于產(chǎn)生激光束，數(shù)控系統(tǒng)3用于控制送粉噴嘴5的二維運動和水冷機床臺面7的縱向運動，反射聚焦鏡4用于將激光束聚焦并照射在鈦合金半成品零件6上形成金屬熔池，送粉系統(tǒng)2用于將鈦合金粉末經(jīng)過送粉噴嘴5匯聚于激光焦點光斑形成的熔池中，成形室8內(nèi)充滿氬氣，凈化系統(tǒng)9用于降低成形室8內(nèi)的氧`含量，水冷系統(tǒng)10用于給激光器I和水冷機床臺面7進行冷卻。
[0031]優(yōu)選地，激光器I采用4KW 二氧化碳快軸流激光器，采用激光立體成形技術制造零件時，使用的鈦合金粉末采用等離子旋轉(zhuǎn)電極法生產(chǎn)，粒度約90-200 u m。
[0032]采用上述設備制備鈦合金筋肋結(jié)構(gòu)的步驟如圖2所示，具體說明下:
[0033]第一步:初始化激光成形設備
[0034]如圖1所示，將要成形材料所用鈦合金板材用工裝固定在水冷機床7上，然后封閉成型室。此時成形室內(nèi)為空氣，由于鈦合金的熔覆需要在氧含量低于50ppm才能進行熔覆，所以需要先充入氬氣以排除空氣，流量10-15L/min。當成型室內(nèi)的氧含量約在1000ppm時，開啟凈化系統(tǒng)進一步降低氧含量(因為凈化系統(tǒng)在氧含量較高時工作容易損壞凈化系統(tǒng))，當氧含量低于50ppm時便可以開啟熔覆程序。首先打開激光器1，將高純CO2、高純He、高純N2的壓力調(diào)節(jié)至0.5MPa左右，使激光器I產(chǎn)生的激光束經(jīng)過反射鏡4后在鈦合金半成品零件6上形成一束光斑并形成熔池。
[0035]第二步:熔覆工藝支撐結(jié)構(gòu)
[0036]利用UG軟件建立工藝支撐的三維模型，斜度約10-15°。首先打開UG軟件，建立名稱為zhicheng.prt的文件,然后建立直角坐標系，再建立工藝支撐的三維模型,將三維模型與要成形的半成品鈦合金件在UG軟件中合并為一體，然后將模型保存為zhicheng.stl格式后存盤退出UG系統(tǒng)。之后采用激光成形設備自帶的剖分軟件進行三維模型的剖分，打開剖分軟件(專用軟件)，導入zhicheng.stl文件，設置好剖分參數(shù)，將剖分軟件自動生成CNC程序輸入機床控制計算機3。每層的剖分高度設定為0.1-0.2mm ;開啟設備運行鍵后，激光器和送粉器以及機床同時啟動，激光束和送粉噴嘴沿著剖分軟件生成的運動路徑進行運動，粉末輸送到激光焦點上并經(jīng)熔化和凝固后形成熔覆層，這樣隨著機床的運動便開始了連續(xù)的熔覆過程。打開送粉器2，粉末經(jīng)過送粉噴嘴5后匯聚于激光光斑的焦點上，其運行速度為100-200mm/min ;設定送粉速度為5_8g/min，送粉氣體流量5_6L/min。熔覆5_10層后調(diào)整送粉噴嘴5的掃描速度為200-300mm/min，送粉速度調(diào)整為6_10g/min，調(diào)整熔覆程序中每層的剖分高度為0.1-0.3mm，開始穩(wěn)定快速熔覆成形。
[0037]第三步:完成鈦合金艙段環(huán)筋結(jié)構(gòu)的成形
[0038]當整個工藝支撐部分熔覆完成后，開始環(huán)筋部分的熔覆成形，采用激光成形設備自帶的剖分軟件再次對三維模型未成形部分進行剖分，打開剖分軟件(專用軟件)，導入zhicheng.stl文件，設置好剖分參數(shù)，將剖分軟件自動生成CNC程序輸入機床控制系統(tǒng)計算機3。每層的剖分高度設定為0.4mm-0.6mm ;調(diào)整送粉噴嘴的掃描速度為300-400mm/min，送粉速度10_15g/min，開始穩(wěn)定快速熔覆成形環(huán)筋部分，達到環(huán)筋的尺寸要求時，即完成了艙段環(huán)筋結(jié)構(gòu)的成形毛坯。
[0039]之后關閉成形室8的進氣閥門和激光器1，調(diào)整數(shù)控系統(tǒng)3為手動模式，將水冷機床臺面7降低至原始位置，打開成形室8門對其進行通風換氣，20min后操作人員進入成形室，待成形樣品冷卻后清除多余鈦合金粉末，打開工裝卡具將成形好的毛坯從水冷機床臺面7上取下，即為一體化激光成形筋肋結(jié)構(gòu)的鈦合金艙段毛坯零件。
[0040]實施例1:
[0041]本實施例制造寬60mm、高100mm、厚10mm、頂部有15mm凸臺的鈦合金工藝樣件A,如圖3a所示，圖中Al為凸臺。具體制造步驟如下:
[0042]1.選取厚度約60`mmX IOmmX IOmm的TC4鈦合金板材作為基板,模擬半成品零件，
用工裝卡具固定在機床上；
[0043]2.開啟激光器，設定激光功率參數(shù)為700W，高純CO2、高純He、高純N2的壓力調(diào)節(jié)至0.5MPa左右，冷卻水流量約20L/min ；
[0044]3.將鈦合金粉末裝入送粉器；
[0045]4.利用UG軟件建立鈦合金工藝樣件I以及工藝支撐IB的三維模型，工藝支撐A2的形狀如圖3b所示，其斜度a為10°，并采用成形設備自帶的剖分軟件進行三維模型的剖分，每層的剖分高度設定為0.1mm,送粉噴嘴的掃描速度設定為100mm/min,送粉速度5g/min ；
[0046]5.熔覆10層后調(diào)整送粉噴嘴的掃描速度為250mm/min，送粉速度調(diào)整為7g/min，調(diào)整熔覆程序中每層的剖分高度為0.2mm，開始穩(wěn)定快速熔覆成形；
[0047]6.工藝支撐部分熔覆完成后的形狀如圖3c左邊圖所示，然后采用成形設備自帶的剖分軟件再次對三維模型未凸臺部分進行剖分，每層的剖分高度設定為0.4_，送粉噴嘴的掃描速度設定為300mm/min，送粉速度10g/min ;功率為2500W，送粉氣體流量8L/min ；
[0048]7.在300-400mm/min之間微調(diào)整送粉噴嘴的掃描速度使生長速度穩(wěn)定，當熔覆成形完成時，停止設備；
[0049]8.關閉成形室進氣閥門和激光器，將水冷機床臺面降低至原始位置，工藝樣件冷卻后從水冷機床臺面上取下，基板上成形的鈦合金毛坯即為帶有工藝支撐的凸臺鈦合金工藝樣件，其形狀如圖3c中間圖所示，將圖中工藝支撐部分加工去除后，便得到寬60mm、高100mm、厚10mm、頂部有15mm凸臺的鈦合金工藝樣件,如圖3c右邊圖所示。
[0050]實施例2:
[0051]本實施例制造具有環(huán)筋結(jié)構(gòu)的鈦合金艙段試驗件B，圖4a是帶環(huán)筋艙段側(cè)壁縱向剖面圖，其中BI為環(huán)筋位置。其具體制造步驟如下:
[0052]1.將已成形鈦合金艙段的半成品用工裝卡具固定在機床上；
[0053]2.開啟激光器，設定激光功率參數(shù)為1000W，高純CO2、高純He、高純N2的壓力調(diào)節(jié)至0.5MPa左右，冷卻水流量約20L/min ；
[0054]3.將鈦合金粉末裝入送粉器；
[0055]4.利用UG軟件建立環(huán)筋的工藝支撐的三維模型，并與鈦合金艙段模型合并為一體，工藝支撐B2的形狀如圖4b所示，其斜度a為15°采用成形設備自帶的剖分軟件進行三維模型的剖分，每層的剖分高度設定為0.2mm,送粉噴嘴的掃描速度設定為200mm/min,送粉速度8g/min ；
[0056]5.熔覆10層后調(diào)整送粉噴嘴的掃描速度為300mm/min，送粉速度調(diào)整為10g/min，調(diào)整熔覆程序中每層的剖分高度為0.1mm，開始穩(wěn)定快速熔覆成形；
[0057]6.工藝支撐部分熔覆完成后的形狀如圖4c左邊圖所示，然后采用成形設備自帶的剖分軟件再次對三維模型未凸臺部分進行剖分，每層的剖分高度設定為0.6_，送粉噴嘴的掃描速度設定為400mm/min，送粉速度15g/min ;功率為2000W，送粉氣體流量8L/min ；
[0058]7.在300-400mm/`min之間微調(diào)整送粉噴嘴的掃描速度使生長速度穩(wěn)定，當熔覆成形完成時，停止設備；
[0059]8.關閉成形室進氣閥門和激光器，將水冷機床臺面降低至原始位置，鈦合金艙段冷卻后從水冷機床臺面上取下，即為帶有工藝支撐的鈦合金艙段試驗件，其形狀如圖4c中間圖所示，將圖中工藝支撐部分加工去除后，即得到具有環(huán)筋結(jié)構(gòu)的鈦合金艙段試驗件，如圖4c右邊圖所示。
[0060]以上實施例僅用以說明本發(fā)明的技術方案而非對其進行限制，本領域的普通技術人員可以對本發(fā)明的技術方案進行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明的精神和范圍，本發(fā)明的保護范圍應以權利要求所述為準。
【權利要求】
1.一種高溫合金筋肋結(jié)構(gòu)的激光熔覆成形方法，其步驟包括: 1)建立筋肋結(jié)構(gòu)的三維模型并根據(jù)筋肋結(jié)構(gòu)所在的部位設計三維工藝支撐，采用剖分軟件對建立的三維模型進行剖分，根據(jù)剖分結(jié)果編制熔覆控制程序并載入數(shù)控系統(tǒng)； 2)通過所述熔覆控制程序設定每層的剖分高度為0.1-0.2_，通過數(shù)控系統(tǒng)控制送粉噴嘴的掃描速度為100-200mm/min，送粉系統(tǒng)的送粉速度設定為5_8g/min，熔覆5_10層，形成基礎熔覆層； 3)將所述送粉噴嘴的掃描速度調(diào)整為200-300mm/min，送粉系統(tǒng)的送粉速度調(diào)整為6-10g/min，熔覆控制程序中每層的剖分高度調(diào)整為0.lmm-0.3mm，在所述基礎熔覆層上進行工藝支撐部分的均勻穩(wěn)定成形； 4)將所述送粉噴嘴的掃描速度調(diào)整為300-400mm/min，送粉系統(tǒng)的送粉速度調(diào)整為10-15g/min,熔覆控制程序中每層的剖分高度調(diào)整為0.4mm-0.6mm,進行筋肋結(jié)構(gòu)部分的均勻穩(wěn)定成形； 5)將工藝支撐加工去除，便得到一體化的高溫合金筋肋結(jié)構(gòu)。
2.如權利要求1所述的方法，其特征在于:所述筋肋結(jié)構(gòu)為加強筋、凸耳或凸臺。
3.如權利要求1所述的方法，其特征在于:所述工藝支撐的斜度為10-15°。
4.如權利要求1所述的方法，其特征在于:進行步驟2)至步驟4)所述熔覆的成形室內(nèi)的氧含量低于50ppm。
5.如權利要求4所述的方法，其特征在于:首先在成形室內(nèi)充入氬氣以排除空氣，氬氣流量10-15L/min,當成型室內(nèi)的氧含量約在1000ppm時，開啟凈化系統(tǒng)使氧含量低于50ppmo
6.如權利要求1所述的方法，其特征在于:所述送粉系統(tǒng)采用的高溫合金粉末采用等離子旋轉(zhuǎn)電極法生產(chǎn)，粒度為100-200目。
7.如權利要求1所述的方法，其特征在于:進行步驟2)和步驟3)所述熔覆時設定激光功率參數(shù)為700-1000W，進行步驟4)所述熔覆時設定激光功率參數(shù)為2000-2500W。
8.如權利要求1至7中任一項所述的方法，其特征在于:所述高溫合金為鈦合金。
9.一種高溫合金筋肋結(jié)構(gòu)的激光熔覆成形裝置，其特征在于，包括激光器、送粉系統(tǒng)、數(shù)控系統(tǒng)、反射聚焦鏡、送粉噴嘴、機床臺面、成形室、凈化系統(tǒng)和水冷系統(tǒng)；其中反射聚焦鏡、送粉噴嘴和機床臺面置于成形室內(nèi)；所示激光器用于產(chǎn)生激光束，所述反射鏡用于將產(chǎn)生的激光束聚焦并形成金屬熔池，所述送粉系統(tǒng)用于將高溫合金粉末經(jīng)過送粉噴嘴匯聚于所述金屬熔池中，所述數(shù)控系統(tǒng)用于控制所述送粉噴嘴和所述機床臺面的運動，所述凈化系統(tǒng)用于降低成形室內(nèi)的氧含量，所述水冷系統(tǒng)用于給激光器和機床臺面進行冷卻。
10.如權利要求9所述的裝置，其特征在于:所述激光器采用4KW二氧化碳快軸流激光器。
【文檔編號】C23C24/10GK103498141SQ201310395305
【公開日】2014年1月8日 申請日期:2013年9月3日 優(yōu)先權日:2013年9月3日
【發(fā)明者】吳復堯, 劉黎明, 許沂, 王斌, 程衛(wèi)文 申請人:航天特種材料及工藝技術研究所