一种基于选区激光熔化技术的隔热板结构及其成型方法技术

本发明专利技术涉及燃气轮机的增材制造技术领域，尤其是涉及一种带有随形晶格的隔热板结构及其基于选区激光熔化技术的成型方法。所述成型方法包括：1)利用随形拓扑设计软件构建隔热板结构模型，2)将步骤1)构建获得的结构模型转化成3D打印可读取的格式文件，沿着成型方向切片，打印设备保存每一层信息并记录；3)采用镍基合金粉末进行选区激光熔化加工，设置合适工艺参数，按照步骤2)保存的每一层信息，进行激光加工；4)将步骤3)激光加工后的零件进行后处理后获得隔热板结构。通过本发明专利技术成型方法制备获得的隔热板结构，金属实体体积小，重量轻。单位时间内传递热量减少，强化隔热。最终，能使整体结构因为热应力导致的变形小，从而提高寿命。命。

【技术实现步骤摘要】
一种基于选区激光熔化技术的隔热板结构及其成型方法


[0001]本专利技术涉及燃气轮机的增材制造
，尤其是涉及一种用于冷热端部件之间的隔热板结构及其成型方法。

技术介绍

[0002]在燃气轮机领域，压气机的基材一般为钛合金或者不锈钢合金，均无法承受超过700℃以上的气氛环境，而与之相近的透平进口温度一般超过1000℃。目前，一般采用隔热板腔结构来阻止经过透平导叶的高温气流的热量传递，防止压气机端温度过高。由于整个隔热板结构一端需要接触高温气流的同时，会承受由于冷热两端的巨大温差带来的热应力，所以隔热板绝大部分采用了导热系数较高的高温合金。
[0003]从设计上考虑，防止形变需要强化隔热板结构而增加厚度，而增加厚度会强化导热，使得从热量更快速的从高温端传至低温端，这两者相互矛盾。根据目前成熟的工程经验，一般利用折中方法各自牺牲一部分性能，而很难找到成功的解决方法。
[0004]同时，由于传统机械加工的限制，对于隔热板自身实体部分内部结构束手无策，使得选区激光工融化技术得以发挥其结构功能一体化成型的优势。

技术实现思路

[0005]鉴于以上所述现有技术的缺点，本专利技术的目的在于提供一种隔热板结构及其成型方法，通过设计随形晶格结构能够实现强化阻热，利用选区激光融化技术进行加工，用于解决现有技术中的问题。
[0006]本专利技术是通过以下技术方案实现的：
[0007]本专利技术一方面提供一种隔热板结构的成型方法，所述成型方法包括如下步骤：
[0008]1)利用随形拓扑设计软件构建隔热板结构模型，所述隔热板结构模型包括构建第一壳体和围绕第一壳体外围构建的第二壳体；所述第一壳体包括相对设置的第一热端壳体和第一冷端壳体，所述第一热端壳体和第一冷端壳体围合形成第一空腔；所述第一壳体和第二壳体之间形成第二空腔；在所述第二空腔中构建晶格，构建后获得隔热板结构模型；
[0009]2)将步骤1)构建获得的隔热板结构模型转化成3D打印可读取的格式文件，设置每层高度，沿着成型方向切片，打印设备保存每一层信息进行记录；
[0010]3)采用镍基合金粉末进行选区激光熔化，设置选区激光熔化加工过程的加工工艺参数，按照步骤2)保存的每一层信息，并进行激光加工；
[0011]4)将步骤3)激光加工后的零件进行后处理后获得隔热板结构。
[0012]在本专利技术的一些实施方式中，所述步骤1)中，所述第二空腔的厚度为隔热板结构模型厚度的50％以上。
[0013]在本专利技术的一些实施方式中，所述步骤1)中，所述第二空腔的厚度为隔热板结构模型厚度的10～20％。
[0014]在本专利技术的一些实施方式中，所述步骤1)中，所述晶格的形状选自杆状支撑结构、
立方体、螺旋24面体结构、金刚石菱形体结构、蜂窝状结构、金字塔角锥体结构、Schwarz曲面、Neovius曲面结构中的一种或多种的组合。
[0015]在本专利技术的一些实施方式中，构建后的第二壳体包括与第一热端壳体相对设置的第二热端壳体以及与第一冷端壳体相对设置的第二冷端壳体。
[0016]在本专利技术的一些实施方式中，构建后的所述第二热端壳体和第二冷端壳体的外表面为圆形；在所述第二壳体上构建出料孔。
[0017]在本专利技术的一些实施方式中，构建后的所述第二热端壳体和第二冷端壳体的外表面分别为对称的2个半圆形，其中，在两半圆形结构的对称面上构建镂空结构。
[0018]在本专利技术的一些实施方式中，所述步骤2)中每层高度为20～50微米。
[0019]在本专利技术的一些实施方式中，所述步骤3)中，所述镍基合金粉末的粒径为10～60微米；粉末粒径分布的中位数D50为35微米；粉末球化率为95％以上。
[0020]在本专利技术的一些实施方式中，所述步骤3)中，所述选区激光熔化是在惰性气体的氛围下进行；其中，氧含量浓度低于100ppmV。
[0021]在本专利技术的一些实施方式中，所述步骤3)中，所述选区激光熔化采用选区激光熔化打印设备，所述选区激光熔化打印设备的基板预热温度为200～400℃。
[0022]在本专利技术的一些实施方式中，所述步骤3)中，所述选区激光熔化加工过程的加工工艺参数包括：
[0023]激光功率为100～400W；
[0024]扫描速度为800～1500mm/s；
[0025]光斑直径为0.05～0.1mm；
[0026]激光搭接为0～1mm；
[0027]X轴、Y轴的偏移均为0.05～0.15％；
[0028]光斑补偿为0.05mm～0.13mm。
[0029]在本专利技术的一些实施方式中，所述步骤4)中，所述后处理步骤包括激光加工后的零件经过除粉、线切割使其与成型基板分离；再通过热处理、喷砂、机加工抛光制备获得隔热板结构。
[0030]本专利技术另一方面提供一种隔热板结构，采用本专利技术所述的成型方法获得。所述隔热板结构包括第一壳体和围绕第一壳体外围设置的第二壳体；所述第一壳体包括相对设置的第一热端壳体和第一冷端壳体，所述第一热端壳体和第一冷端壳体围合设有第一空腔；所述第一壳体和第二壳体之间设有第二空腔；在所述第二空腔中设有晶格，所述晶格的延伸方向与第二空腔的延伸方向一致或呈一定角度。
[0031]在本专利技术的一些实施方式中，所述第一空腔的厚度为隔热板结构厚度的50％以上。
[0032]在本专利技术的一些实施方式中，所述第二空腔的厚度为隔热板结构厚度的10～20％。
[0033]在本专利技术的一些实施方式中，所述晶格的形状选自杆状支撑结构、立方体、螺旋24面体结构、金刚石菱形体结构、蜂窝状结构、金字塔角锥体结构、Schwarz曲面、Neovius曲面结构中的一种。
[0034]在本专利技术的一些实施方式中，所述第二壳体包括与第一热端壳体相对设置的第二
热端壳体以及与第一冷端壳体相对设置的第二冷端壳体。
[0035]在本专利技术的一些实施方式中，所述第二热端壳体和第二冷端壳体的外表面为圆形；所述第二壳体上设有出料孔。
[0036]在本专利技术的一些实施方式中，所述第二热端壳体和第二冷端壳体的表面分别为对称的2个半圆形，其中，两半圆形结构的对称面上设有镂空结构。
附图说明
[0037]图1为本专利技术隔热板结构的剖面结构示意图。
[0038]图2为本专利技术隔热板结构的一实施例的从一个角度的立体结构示意图。
[0039]图3为本专利技术隔热板结构的一实施例的从另一个角度的立体结构示意图。
[0040]图4为本专利技术隔热板结构的一实施例的主视结构示意图。
[0041]图5为本专利技术隔热板结构的另一实施例的主视结构示意图。
[0042]图6为本专利技术隔热板结构的另一实施例的立体结构示意图。
[0043]图7为对比例1的隔热抗变性能图。
[0044]图8为本专利技术隔热板结构实施例2的隔热抗变性能图。
[0045]图9为本专利技术隔热板结构实施例3的隔热抗变性能图。
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种隔热板结构的成型方法，所述成型方法包括如下步骤：1)利用随形拓扑设计软件构建隔热板结构模型，所述隔热板结构模型包括构建第一壳体和围绕第一壳体外围构建的第二壳体；所述第一壳体包括相对设置的第一热端壳体和第一冷端壳体，所述第一热端壳体和第一冷端壳体围合形成第一空腔；所述第一壳体和第二壳体之间形成第二空腔；在所述第二空腔中构建晶格，构建后获得隔热板结构模型；2)将步骤1)构建获得的隔热板结构模型转化成3D打印可读取的格式文件，设置每层高度，沿着成型方向切片，打印设备保存每一层信息进行记录；3)采用镍基合金粉末进行选区激光熔化，设置选区激光熔化加工过程的加工工艺参数，按照步骤2)保存的每一层信息，并进行激光加工；4)将步骤3)激光加工后的零件进行后处理后获得隔热板结构。2.如权利要求1所述的隔热板结构的成型方法，其特征在于，所述步骤1)中，所述第一空腔的厚度为隔热板结构模型厚度的50％以上；所述步骤1)中，所述第二空腔的厚度为隔热板结构模型厚度的10～20％；和/或，所述步骤1)中，所述晶格的形状选自杆状支撑结构、立方体、螺旋24面体结构、金刚石菱形体结构、蜂窝状结构、金字塔角锥体结构、Schwarz曲面、Neovius曲面结构中的一种或多种的组合；和/或，构建后的第二壳体包括与第一热端壳体相对设置的第二热端壳体以及与第一冷端壳体相对设置的第二冷端壳体；3.如权利要求2所述的隔热板结构的成型方法，其特征在于，构建后的所述第二热端壳体和第二冷端壳体的外表面为圆形；在所述第二壳体上构建出料孔；和/或，构建后的所述第二热端壳体和第二冷端壳体的外表面分别为对称的2个半圆形，其中，在两半圆形结构的对称面上构建镂空结构。4.如权利要求1所述的隔热板结构的成型方法，其特征在于，所述步骤2)中每层高度为20～50微米；所述步骤3)中，所述镍基合金粉末的粒径为10～60微米；粉末粒径分布的中位数D50为35微米；粉末球化率为95％以上；和/或，所述步骤3)中，所述选区激光熔化是在惰性气体的氛围下进行；其中，氧含量浓度低于100ppmV；和/或，所述步骤3)中，所述选区激光熔化采用选区激光熔化打印设备，所述选区激...

【专利技术属性】
技术研发人员：王韦昊，翟梓融，武颖娜，杨锐，
申请(专利权)人：上海科技大学，
类型：发明
国别省市：