钛合金整体叶盘选区激光熔化直接增材方法技术

本发明专利技术公开了一种钛合金整体叶盘选区激光熔化直接增材方法，包括以下步骤：1）设计出叶盘实体的三维模型，然后对该三维模型进行切片分层，得到各截面的轮廓数据，根据轮廓数据生成填充扫描路径，并将所述填充扫描路径导入激光器；2）启动激光器使得多个激光头发射激光束，按照所述填充扫描路径进行选区激光熔化；3）每进行一定预设时间的选区激光熔化后使激光器暂停发射激光束，保持所述激光头位置不变，采用定位装置确定并记录未成型叶盘的当前位置；待未成型叶盘降温至室温后将其取出进行去应力退火；随后将未成型叶盘放回所述当前位置，并重新是激光器发射激光束继续选区激光熔化；如此反复，直至完成整体叶盘的选区激光熔化。化。化。

【技术实现步骤摘要】
钛合金整体叶盘选区激光熔化直接增材方法


[0001]本专利技术涉及高温用钛合金
，尤其是涉及一种航空发动机钛合金整体叶盘复合制造方法。

技术介绍

[0002]航空发动机是飞机的“心脏”，也被誉为“工业皇冠上的明珠”。为了提高航空发动机的推重比，整体叶盘应运而生。整体叶盘是把发动机转子的叶片和轮盘设计成一个整体，采用整体加工或焊接（叶片和轮盘材料可以不同）方法制造而成，无需加工榫头和榫槽。这种整体结构的优点是：叶盘的轮缘径向高度、厚度和叶片原榫头部位尺寸均可大大减小，减重效果明显；发动机转子部件的结构大为简化；消除了分体结构榫齿根部缝隙中气体的逸流损失；避免了叶片和轮盘装配不当造成的微动磨损、裂纹以及锁片损坏带来的故障，从而有利于提高发动机工作效率，可靠性得以进一步提升。因此，研制航空发动机用高性能整体叶盘是新一代飞行器发展的重要方向，而发展高性能整体叶盘制造技术，已经成为发展先进大推力发动机关键件制造技术的重大而迫切的需求。
[0003]用于制造整体叶盘的三大技术包括：数控铣削（HSC）、线性摩擦焊（LFW）、电解加工（ECM）。但是三种技术各有缺陷：采用数控铣削技术从整体叶盘毛坯到叶盘零件的制造过程中，材料切除率超过90%，材料利用率较低，机加工量大，周期长，切断了金属流线，影响了整体叶盘的使用性能。采用线性摩擦焊技术焊接的叶盘，叶片在叶盘上的位置和扭角不能保证完全一致，该加工方法也存在周期长，残余应力大，且焊接精度和焊缝质量影响整体叶盘的质量和工作可靠性等问题。电解加工技术仅限于可展直纹曲面的加工,材料利用率也较低。因此，急需一种材料利用率高、成形效率高、周期短、产品质量高的制造技术应用于成型整体叶盘。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的，即在于创新性的将选区激光熔化技术（Selective Laser Melting，SLM）应用于成型钛合金整体叶盘，选区激光熔化技术逐层累积成形的特点几乎可以实现任何复杂结构的成形，是一种适用于成型钛合金整体叶盘的快速成型技术。
[0005]本专利技术的技术方案具体为，一种钛合金整体叶盘选区激光熔化直接增材方法，其特征在于包括以下步骤：1）设计出叶盘实体的三维模型，然后对该三维模型进行切片分层，得到各截面的轮廓数据，根据轮廓数据生成填充扫描路径，并将所述填充扫描路径导入激光器；2）将叶盘基体置入加工室中，启动激光器使得多个激光头发射激光束，按照所述填充扫描路径进行选区激光熔化；3）每进行一定预设时间的选区激光熔化后使激光器暂停发射激光束，保持所述激光头位置不变，采用定位装置确定并记录未成型叶盘的当前位置；待未成型叶盘降温至室温后将其取出进行去应力退火；随后将未成型叶盘放回所述当前位置，并重新是激光器发
射激光束继续选区激光熔化；如此反复，直至完成整体叶盘的选区激光熔化。
[0006]进一步优选的，所述定位装置包括内置在每个所述激光头内的低功率激光笔，多个低功率激光笔对应发出多束定位激光以确定并记录未成型叶盘的当前位置。
[0007]进一步优选的，所述一定预设时间为熔化550
‑
550g钛合金粉末。
[0008]进一步优选的，所述多个激光头为2
‑
4个。
[0009]进一步优选的，所述填充扫描路径为将扫描平面划分为多个尺寸相同、相互拼接的方格，各层的所述方格在水平面上的投影对应重合，每层扫描平面的方格由多个子图形拼接而成；其中，第4N+1层由一大一小两个正方形和以大正方形的边长为长、小正方向的边长为宽的两个矩形拼接而成，每个子图形内扫描路径为与一边垂直与另一边平行的平行线，且正方形与矩形的平行线相互垂直；第4N+2层由四个小正方形的子图形拼接而成，每个子图形内扫描路径为与小正方形的一条对角线平行，且四个小正方形的扫描路径对应拼成正方形；第4N+3层与第4N+1层一样由一大一小两个正方形和以大正方形的边长为长、小正方向的边长为宽的两个矩形的四个子图形拼接而成，但其大、小正方形的位置与第4N+1层对调且对应扫描路径平行线旋转90
°
；第4N+4层由四个小正方形的子图形拼接而成，每个子图形内扫描路径为与小正方形的一条对角线平行，且小正方形内的扫描路径与第4N+2层对应的小正方形内的扫描路径垂直；其中N为自然数。
[0010]进一步优选的，所述加工室包括粉料缸和成型缸，在步骤2）和3）中，所述选区激光熔化包括：将原料粉末放入粉料缸，将叶盘基体放到成形缸，采用铺粉装置把原料粉末平推到叶盘基体表面上形成预定厚度的原料粉末，激光头发射激光束按当前层的填充扫描路径，选区熔化未成形叶盘表面上的原料粉末，加工出当前层；随后，暂停发射激光束，控制未成形叶盘下降一个加工层厚的距离，粉料缸中原料粉末上升一定的距离，铺粉装置在已加工好的当前层上形成铺粉厚度的原料粉末，重新发射激光束按下一层的填充扫描路径，选区熔化未成形叶盘表面上的原料粉末，如此层层加工，直到整个整体叶盘加工完毕。
[0011]进一步优选的，所述选区激光熔化时，采用波长500nm以下的短波长激光，激光功率为800W以上。
[0012]进一步优选的，所述选区激光熔化时，激光功率为800
‑
1000W，扫描速度为700
‑
1100mm/s，光斑直径为80
‑
100μm。
[0013]进一步优选的，所述步骤3）中的去应力退火为，以10℃/min升温到580
‑
620℃后保温1.5
‑
2.5h。
[0014]本专利技术与现有技术相比的优势在于：首先，本专利技术不同于传统选区激光熔化的一体成型模式，在选区激光熔化过程每熔化500~550g钛合金粉末就从选区激光熔化设备中取出来进行去应力退火，以消除工件中的残余应力，可以解决选区激光熔化的一体成型所导致的叶盘不同厚度位置残余应力不同，难以同时消除的问题。
[0015]其次，本专利技术采用例如500nm短波长的蓝光激光器，控制束斑直径、扫描速度等激光扫描的工艺参数以获得高功率激光，补偿钛合金粉末对于激光强烈的不利反射作用。
[0016]再者，本专利技术重新设计了分层分区扫描路径，采用分层交错的扫描路径，能够使搭接区残余应力维持在较低水平且分布趋于平均，且有效避免两组扫描线重叠，减少搭接区域微孔与隆起。
附图说明
[0017]图1为本专利技术选区激光熔化成形设备的结构示意图。
[0018]图2
‑
5分别为本专利技术选区激光熔化第4N+1层
‑
第4N+4层激光扫描路径的示意图。
[0019]图6为填充发动机整体叶盘截面的分区扫描路径示意图。
[0020]具体实施方式
[0021]以下将结合本专利技术实施例中的附图对本专利技术实施例中的技术方案进行描述。
[0022]本专利技术制备钛合金整体叶盘选区激光熔化直接增材方法，包括以下步骤：1）设计出叶盘实体的三维模型，然后对该三维模型进行切片分层，得到各截面的轮廓数据，根据轮本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种钛合金整体叶盘选区激光熔化直接增材方法，其特征在于包括以下步骤：1）设计出叶盘实体的三维模型，然后对该三维模型进行切片分层，得到各截面的轮廓数据，根据轮廓数据生成填充扫描路径，并将所述填充扫描路径导入激光器；2）将叶盘基体置入加工室中，启动激光器使得多个激光头发射激光束，按照所述填充扫描路径进行选区激光熔化；3）每进行一定预设时间的选区激光熔化后使激光器暂停发射激光束，保持所述激光头位置不变，采用定位装置确定并记录未成型叶盘的当前位置；待未成型叶盘降温至室温后将其取出进行去应力退火；随后将未成型叶盘放回所述当前位置，并重新是激光器发射激光束继续选区激光熔化；如此反复，直至完成整体叶盘的选区激光熔化。2.根据权利要求1所述的钛合金整体叶盘选区激光熔化直接增材方法，其特征在于，所述定位装置包括内置在每个所述激光头内的低功率激光笔，多个低功率激光笔对应发出多束定位激光以确定并记录未成型叶盘的当前位置。3.根据权利要求1所述的钛合金整体叶盘选区激光熔化直接增材方法，其特征在于，所述一定预设时间为熔化550
‑
550g钛合金粉末。4.根据权利要求1所述的钛合金整体叶盘选区激光熔化直接增材方法，其特征在于，所述多个激光头为2
‑
4个。5.根据权利要求1所述的钛合金整体叶盘选区激光熔化直接增材方法，其特征在于，所述填充扫描路径为将扫描平面划分为多个尺寸相同、相互拼接的方格，各层的所述方格在水平面上的投影对应重合，每层扫描平面的方格由多个子图形拼接而成；其中，第4N+1层由一大一小两个正方形和以大正方形的边长为长、小正方向的边长为宽的两个矩形拼接而成，每个子图形内扫描路径为与一边垂直与另一边平行的平行线，且正方形与矩形的平行线相互垂直；第4N+2层由四个小正方形的子图形拼接而成，每个子图形内扫描路径为与小正方形的一条对角线平行，且四个小正方形的扫描路径对应拼成正方形；第4N+3层与第4N+1层...

【专利技术属性】
技术研发人员：ꢀ五一IntClB二二F一零二八，
申请(专利权)人：北京煜鼎增材制造研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：