通过控制LMD工艺预制熔合不良缺陷的方法技术

本发明专利技术提供一种通过控制LMD工艺来预制熔合不良缺陷的方法，其中，获得包括成形区和预制缺陷区的模型，预制缺陷区具有预设缺陷；对模型进行分层切片处理，对于预制缺陷区的每一沉积层，预设缺陷具有在垂直方向上的最大尺寸a0；对于成形区，采用LMD工艺的预定成形工艺参数进行成形；对于预制缺陷区，控制成形工艺参数如下：a0＜D时，相对于成形区，在沉积层内改变成形路径之间的扫描间距及送粉率，借此预制熔合不良缺陷；a0≥D时，相对于成形区，在沉积层内降低激光的能量输入，借此预制熔合不良缺陷；其中，D是激光在预制缺陷区的沉积层内的光斑直径。通过上述方法，可以在任意位置预制熔合不良缺陷。

The method of prefabricating bad fusion defects by controlling LMD process

【技术实现步骤摘要】
通过控制LMD工艺预制熔合不良缺陷的方法
本专利技术涉及一种通过控制激光熔化沉积（LMD）工艺预制熔合不良缺陷的方法。
技术介绍
增材制造（AM）技术逐渐成熟，已广泛应用于航空航天、医疗、汽车、核电等领域。LMD技术（例如，采用同步送粉方式）是常见的一种AM技术，该技术通过载粉气输送汇聚球形粉末，使用高能激光束将同步输送汇聚的金属粉末熔化，形成移动的非稳态金属熔池，在高温度梯度下小熔池快速凝固，逐层熔化堆积，最终形成实体零件，一般适用于航空航天国防装备大型复杂金属结构件低成本、短周期快速成形，或高附加值零部件快速修复，如航空发动机安装节系统、后节平台、整体叶盘、涡轮叶片等零件。LMD金属成形/修复过程涉及温度场、应力场等多场耦合，是一个复杂的非平衡态凝固的过程，不稳定性因素多，不可避免地会产生不同类型和尺寸的缺陷，常见的有气孔、裂纹、熔合不良等。作为典型缺陷的熔合不良缺陷因为金属材料之间未熔化结合在一起而形成。AM制造或修复过程中，熔池道间或层间的搭接不良，或者，在修复界面结合面处，都容易造成熔合不良或未熔合缺陷，缺陷位置应力集中比较严重，危害性仅次于裂纹，会使材料的机械性能明显变差，严重影响构件的使用寿命。AM制件由于组织和性能具有各向异性的特点，不同于传统的铸造、锻造、焊接等制件，产生的熔合不良缺陷亦有所差异，同传统制件相比存在检测精度不同、可达性差、检测盲区大等问题，因而现有缺陷检测和评价方法基本不适用于AM制件。因此，制备具有人工缺陷的AM标块、缺陷试样或缺陷零件，不仅能为准确地进行缺陷的无损检测做准备，同时能对AM中产生的缺陷精确地进行定性和定量研究，精确模拟不同类型或尺寸的缺陷对AM成形件力学性能的影响，进一步研究和验证缺陷对AM零件可靠性的影响，对航空航天等领域AM零件的应用具有重大的意义。对于制备熔合不良缺陷金属制件，目前主要有两种方法，一种是通过控制焊接工艺，制造出具有一定尺寸的熔合不良缺陷；第二种方法是利用激光选区熔化(SLM)直接设计熔合不良缺陷轮廓，直接成形内部具有熔合不良缺陷的制件。第一种方法制备的熔合不良缺陷试样已经对样品的组织、性能等进行了不同程度的破坏，不能有效模拟实际零件制造过程产生的熔合不良缺陷特征。第二种方法制备的熔合不良缺陷一般不具备连续性组织结构，仅适用于部分熔合不良缺陷，不能完全模拟实际零件制造过程产生的熔合不良缺陷特征，同时若尺寸较小则容易被边界轮廓熔化的金属填充，无法成形。以上两种方法均不能准确模拟制件凝固过程中产生熔合不良缺陷的特征，不能准确表征熔合不良缺陷处组织结构特点，不能准确有效地评价缺陷与力学性能的影响关系、缺陷与零件可靠性的关系，目前金属增材制造成形/修复件典型人工缺陷的制备方法和手段尚不成熟，本提案提供了一种LMD航空发动机合金构件中熔合不良类缺陷的控制方法。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种通过控制LMD工艺预制熔合不良缺陷的方法。本专利技术的另一目的是提供一种预制熔合不良缺陷的方法，通过该方法预制的熔合不良缺陷可以模拟实际凝固过程中产生的缺陷，而且能保留缺陷处组织结构的连续完整特征。本专利技术提供一种通过控制LMD工艺来预制熔合不良缺陷的方法，其中，获得包括成形区和预制缺陷区的模型，所述预制缺陷区具有预设缺陷；对所述模型进行分层切片处理，对于所述预制缺陷区的每一沉积层，所述预设缺陷具有在垂直方向上的最大尺寸a0，所述垂直方向与LMD工艺的激光扫描方向垂直，其中，a0在区间范围内取值，所述区间范围是期望预制的熔合不良缺陷在所述垂直方向上的最大尺寸的可变范围；对于所述成形区，采用LMD工艺的预定成形工艺参数进行成形；对于所述预制缺陷区，控制成形工艺参数如下：对于每一沉积层，a0＜D时，相对于成形区，在沉积层内改变成形路径之间的扫描间距及送粉率，借此预制所述熔合不良缺陷；对于每一沉积层，a0≥D时，相对于成形区，在沉积层内降低激光的能量输入，借此预制熔合不良缺陷；其中，D是激光在所述预制缺陷区的沉积层内的光斑直径。在一个实施方式中，设定a0=(w1+w2)/2；其中，w1、w2分别是所述区间范围的下限值、上限值。在一个实施方式中，预设期望预制的熔合不良缺陷的位置、形状、数量和尺寸，借此确定具有所述预设缺陷的所述预制缺陷区在所述模型中的位置、形状、数量和尺寸，其中，期望预制的熔合不良缺陷的尺寸包括在所述垂直方向上的最大尺寸。在一个实施方式中，a0＜D时，所述预制缺陷区在所述沉积层内包括相邻的第k条成形路径和第k+1条成形路径，所述预设缺陷位于所述第k条成形路径和所述第k+1条成形路径之间，在所述预设缺陷的所述垂直方向的第一侧的成形路径依次为，所述第k条成形路径，第k-1条成形路径，第k-2条成形路径，直到第1条成形路径，在所述预设缺陷的所述垂直方向的第二侧的成形路径依次为，所述第k+1条成形路径，第k+2条成形路径，直到最后一条成形路径，其中，k为大于2的任意自然数；对于所述预制缺陷区，控制成形工艺参数如下：h(k)=a0+D；h(k-1)、h(k+1)预设成D的20%-80%，在保持所述预制缺陷区的沉积层的层厚不变的情况下，f(k)、f(k+1)分别根据h(k-1)和h(k+1)设置；其中，h(k-1)是第k-1条成形路径和第k条成形路径在所述沉积层内的预定位置形成的扫描间距，h(k)是第k条成形路径和第k+1条成形路径在所述沉积层内的所述预定位置形成的扫描间距，h(k+1)是第k+1条成形路径和第k+2条成形路径在所述沉积层内的所述预定位置形成的扫描间距，所述预定位置与所述预设缺陷在所述沉积层内的最大尺寸对应，f(k)是对应第k条成形路径的送粉率，f(k+1)是对应第k+1条成形路径的送粉率。在一个实施方式中，所述第k-1条成形路径和所述第k+2条成形路径位于所述预制缺陷区的沉积层内；对于所述预制缺陷区，进一步控制成形工艺参数如下：h(k-2)=a*h(k-1)；h(k+2)=b*h(k+1)；f(k-1)=c*f(k)；f(k+2)=d*f(k+1)；其中，a、b、c、d为大于1的常数，h(k-2)是第k-2条成形路径和第k-1条成形路径在所述沉积层内的所述预定位置形成的扫描间距，h(k+2)是第k+2条成形路径和第k+3条成形路径在所述沉积层内的所述预定位置形成的扫描间距，f(k-1)是对应第k-1条成形路径的送粉率，f(k+2)是对应第k+2条成形路径的送粉率。在一个实施方式中，控制成形工艺参数如下：对于所述预制缺陷区，t0=100-200μm，P0=600-1000W，D=0.8-1mm；其中，t0为层厚，P0为激光功率。在一个实施方式中，a0≥D时，设定P2≤0.1*P1；其中，P2是对应所述预制缺陷区的激光功率，P1是对应所述成形区的所述预定成形工艺参数中的预定激光功率。在一个实施方式中，LMD工艺采用同步送粉方式。上述方法通过控制LMD工艺可以在LMD成形件中预制熔合不良缺陷，通过控制成形工艺参数，可以在指定位置制备相应尺寸的熔合不良缺陷，获得本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种通过控制LMD工艺来预制熔合不良缺陷的方法，其特征在于，/n获得包括成形区和预制缺陷区的模型，所述预制缺陷区具有预设缺陷；/n对所述模型进行分层切片处理，对于所述预制缺陷区的每一沉积层，所述预设缺陷具有在垂直方向上的最大尺寸a0，所述垂直方向与LMD工艺的激光扫描方向垂直，其中，a0在区间范围内取值，所述区间范围是期望预制的熔合不良缺陷在所述垂直方向上的最大尺寸的可变范围；/n对于所述成形区，采用LMD工艺的预定成形工艺参数进行成形；/n对于所述预制缺陷区，控制成形工艺参数如下：/n对于每一沉积层，a0＜D时，相对于所述成形区，在沉积层内改变成形路径之间的扫描间距及送粉率，借此预制所述熔合不良缺陷；/n对于每一沉积层，a0≥D时，相对于所述成形区，在沉积层内降低激光的能量输入，借此预制熔合不良缺陷；/n其中，D是激光在所述预制缺陷区的沉积层内的光斑直径。/n

【技术特征摘要】
1.一种通过控制LMD工艺来预制熔合不良缺陷的方法，其特征在于，
获得包括成形区和预制缺陷区的模型，所述预制缺陷区具有预设缺陷；
对所述模型进行分层切片处理，对于所述预制缺陷区的每一沉积层，所述预设缺陷具有在垂直方向上的最大尺寸a0，所述垂直方向与LMD工艺的激光扫描方向垂直，其中，a0在区间范围内取值，所述区间范围是期望预制的熔合不良缺陷在所述垂直方向上的最大尺寸的可变范围；
对于所述成形区，采用LMD工艺的预定成形工艺参数进行成形；
对于所述预制缺陷区，控制成形工艺参数如下：
对于每一沉积层，a0＜D时，相对于所述成形区，在沉积层内改变成形路径之间的扫描间距及送粉率，借此预制所述熔合不良缺陷；
对于每一沉积层，a0≥D时，相对于所述成形区，在沉积层内降低激光的能量输入，借此预制熔合不良缺陷；
其中，D是激光在所述预制缺陷区的沉积层内的光斑直径。


2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，
设定a0=(w1+w2)/2；
其中，w1、w2分别是所述区间范围的下限值、上限值。


3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，
预设期望预制的熔合不良缺陷的位置、形状、数量和尺寸，借此确定具有所述预设缺陷的所述预制缺陷区在所述模型中的位置、形状、数量和尺寸，其中，期望预制的熔合不良缺陷的尺寸包括在所述垂直方向上的最大尺寸。


4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，
a0＜D时，所述预制缺陷区在所述沉积层内包括相邻的第k条成形路径和第k+1条成形路径，所述预设缺陷位于所述第k条成形路径和所述第k+1条成形路径之间，在所述预设缺陷的所述垂直方向的第一侧的成形路径依次为，所述第k条成形路径，第k-1条成形路径，第k-2条成形路径，直到第1条成形路径，在所述预设缺陷的所述垂直方向的第二侧的成形路径依次为，所述第k+1条成形路径，第k+2条成形路径，直到最后一条成形路径，其中，k为大于2的任意自然数；
对于所述预制缺陷区，控制成形工艺参数如下：
h(k)=a0+D；
h(...

【专利技术属性】
技术研发人员：付俊，雷力明，李雅莉，周新民，付鑫，
申请(专利权)人：中国航发上海商用航空发动机制造有限责任公司，中国航发商用航空发动机有限责任公司，
类型：发明
国别省市：上海;31