CN106947856A - 一种延长构件服役寿命的制造方法及强化方法 - Google Patents

Abstract

针对现有技术的缺陷，本发明提出一种延长构件服役寿命的制造及强化方法。所述方法通过激光增材制造的方式处理特殊构件，通过对构件实际工况的载荷分析，通过调节送粉速度及材料生长方向，在构件不同区域生成最优的抗载荷晶粒尺寸和晶粒排布，从而达到增加构件服役寿命的目的。

Description

一种延长构件服役寿命的制造方法及强化方法

技术领域

本发明涉激光增材制造及激光喷丸领域，特指一种通过激光增材制造方式制造涡轮发动机叶片、叶轮等具有复杂曲面的构件，并通过激光冲击强化改善其表面应力状况并延长其实用寿命的延长构件服役寿命的制造方法及强化方法。

技术背景

激光增材制造技术和激光喷丸技术是目前最为先进的制造和表面强化技术。随着现代机械装备性能的逐步提升，对构件的性能、寿命、以及体积的要求越来越高，传统的组装式构件已不能满足小体积高性能的设计要求。高性能机械设备的关键部件如涡轮发动机整体叶盘、方程式赛车汽缸等关键部件的整体制造已成为趋势。传统的制造方法只能形成晶粒统一排布的产品，在产品不同区域形成不同的晶粒排布需要经过若干附加工艺，这无疑增加了生产成本，且生成的新晶粒层往往较薄，难以满足现代机械的高性能要求。

激光增材制造技术由于其热制造的本质，其产品表面残余应力难以满足抗疲劳制造的要求。激光喷丸技术能够完美的解决这一问题，激光喷丸技术能够精确的调控材料表面的残余应力，并大幅延长构件的使用寿命。然而在实际应用中，构件往往存在薄壁单元，并具有复杂曲面，若不根据零件的尺寸参数调整激光能量则在构件薄壁处易产生塑性变形甚至开裂，致使零件失效。针对现有技术的不足，本发明提出一种根据材料尺寸参数调节激光能量的方法，该方法与增材制造技术相结合，优化了增材制造件的产品性能，针对构件不同的区域做出激光能量优化，解决了激光喷丸薄壁件变形的问题。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明提出一种延长构件服役寿命的制造方法及强化方法。

一种构件制造方法，其特征在于，通过激光增材制造的方式制造特殊构件，通过对构件实际工况的载荷分析，通过调节送粉速度及材料生长方向，在构件不同区域生成最优的抗载荷晶粒尺寸和晶粒排布，从而达到增加构件服役寿命的目的。

一种构件激光冲击强化的方法，其特征在于：首先获取待冲击构件的尺寸及微观组织分布，根据构件表面不同冲击点对应的零件厚度及晶粒排布选取不同的激光能量E(T，γ，VF),其中T为冲击点处的构件厚度，γ为晶粒排布因数(0.5-0.9)，VF为体积能量参数其取值范围为：1200J/cm³-1800J/cm³，(E为T、γ和VF的函数)，从而对不同区域采用不同的激光功率密度进行冲击。

其实施过程如下：

制造部分：

如图1所示某型叶片，可将叶片表面大致划分为4个区域，叶片前缘，叶片后缘，叶片顶部及叶身，其中叶片前缘及叶片后缘边缘区域在工作中的不光受到叶片运转过程中离心力产生的拉伸载荷，还会受到气流对其产生的压缩载荷，因此在这两部分的制造过程中保证其晶粒排布方向偏向气流流向，如图2所示。而叶身及叶片顶部区域主要受到的离心力产生的拉伸载荷，所以其晶粒排布采用平行于叶身纵向方向的柱状晶排布。在激光增材制造过程中，首先设定送粉速度为V1，纵向逐层制造叶身部分，形成纵向的柱状晶排布，待叶身部分生长完毕后调整叶身姿态，调节送粉速度为V2，分别进行叶片前缘和叶片后缘的增材制造，形成前缘等轴晶和后缘等轴晶。在叶片的增材制造的过程中，首先，通过同轴送粉的方式激光烧结形成厚度为T1的基底，基底的厚度及尺寸根据不同的零件选定，基底凝固后，采用激光喷丸在基底表面形成残余压应力。喷丸处理后再通过同轴送粉的方式激光烧结第二层材料，第二层材料烧结完成后再采用激光喷丸调控其表面应力。其过程如图1所示。S1增材制造形成基底，S2在基底上制造第二层材料，S3激光冲击成形的材料判断零件是否制造完毕，是则进行S4热处理，将零件加热到再结晶起始温度点以上后冷却，以获得更加细化的晶粒，否则重复进行S2-S3直至零件制造完毕。

强化部分:

图3为叶片截面图，从图中可以看出，叶片前缘和叶片后缘的的厚度较小，而叶片中部的厚度较大，为防止在叶片较薄区域产生冲击变形，必须根据叶片表面不同厚度区域进行激光能量优化，冲击点处采用的激光能量密度E＝(T,γ,VF)表1为积能量参数为1800J/cm³时叶片表面冲击点的厚度及其采用的激光能量大小。

本发明的优点在于：

1.通过优化送粉速度及晶粒排布向制造特殊构件，使在特殊工况下的构件具有较高的抗疲劳破坏能力；

2.在制造过程中对每层材料进行激光冲击强化，增强了每层材料界面之间的结强度，同时在材料内部引入了残余压应力，提高了整体构件的抗疲劳特性；

3.热处理工艺保证了构件具有更加细化的晶粒结构；

4.根据不同体积参数和晶粒参数优化激光冲击参数，防止了激光冲击薄壁部分产生的产品变形时效，保证了一定层深的表面残余压应力

附图说明

图1是某型发动机叶片结构示意图；

图2是叶片表面晶粒排布图；

图3是激光冲击能量分布图；

图4是激光冲击示意图；

图5是激光增材制造流程图。

具体实施例

以下实施例用来说明本发明，但不是限制本发明。下面结合附图详细说明本发明提出的方法的细节和实施情况。

如图1所示某型叶片1，可将叶片1表面大致划分为4个区域，叶片前缘3，叶片后缘5，叶片顶部4及叶身2，其中叶片前缘3及叶片后缘边缘5在工作中的不仅受到离心力产生的拉伸载荷，还会受到气流对其产生的压缩载荷，因此在这两部分的制造过程中使其晶粒排布方向偏向气流流向并形成质地较密的等轴晶，如图2所示(前缘等轴晶8，后缘等轴晶6)。而叶身2主要受到的离心力产生的拉伸载荷，所以其晶粒排布采用平行于叶身2纵向方向的柱状晶排布9。叶片顶部4为易损耗区域，因此采用晶粒较细的顶部柱状晶7。在激光增材制造过程中，先纵向逐渐生长叶身2，待叶身2生长完毕后调整叶身姿态，再分别进行叶片前缘3和叶片后缘5的增材制造。在激光增材制造过程中，首先设定送粉速度为V1，纵向逐层制造叶身2，形成纵向的柱状晶排布9，调节送粉速度为V2,进行叶顶的制造，形成晶粒较细的顶部柱状晶7。待叶身2及叶片顶部4生长完毕后调整叶身2姿态，调节送粉速度为V3，分别进行叶片前缘3和叶片后缘5的增材制造，形成前缘等轴晶8和后缘等轴晶6。在叶片的增材制造的过程中，首先，通过同轴送粉的方式激光烧结形成厚度为T1的基底，基底的厚度及尺寸根据不同的零件选定，基底凝固后，采用激光喷丸在基底表面形成残余压应力。喷丸处理后再通过同轴送粉的方式激光烧结第二层材料，第二层材料烧结完成后再采用激光喷丸调控其表面应力。其过程如图1所示。S1增材制造形成基底，S2在基底上制造第二层材料，S3激光冲击成形的材料判断零件是否制造完毕，是则进行S4热处理，将零件加热到再结晶起始温度点以上后冷却，以获得更加细化的晶粒，否则重复进行S2-S3直至零件制造完毕。

强化部分:

图3为叶片截面图，从图中可以看出，叶片前缘3和叶片后缘5的厚度较小，而叶片中部的厚度较大，为防止在叶片较薄区域产生冲击变形，必须根据叶片表面不同厚度区域进行激光能量优化，根据冲击点处的材料参数，采用不同的激光能量E(T,γ,VF)，叶片的厚度从叶片顶部4往下逐渐递增因此激光攻击功率密度也逐渐递增(前缘功率密度11，后缘功率密度12)，叶顶功率密度10根据叶片顶部4不同区域的厚度值进行变化。表1为叶片表面冲击路径R1、R2、R3的厚度及其采用的激光能量。

制定好激光能量参数后，将叶片1装夹在机械手13上机械手13根据叶片1表的曲率变化不断调整叶片1姿态，保证激光16垂直入射叶片1待冲击区域，在叶片1表面黏贴黑漆作为吸收层，涂水机器人14在叶片表面形成均匀的水膜，激光16由激光头15射出作用于工件表面，进行喷丸。

表1

Claims (3)

1.一种延长构件服役寿命的制造方法，其特征在于，通过激光增材制造的方式制造所述构件，通过对构件实际工况的载荷分析，通过调节送粉速度及材料生长方向，在构件不同区域生成最优的抗载荷晶粒尺寸和晶粒排布，从而达到增加构件服役寿命的目的。

2.一种延长构件服役寿命的强化方法，其特征在于：首先获取所述构件的尺寸及微观组织分布，根据构件表面不同冲击点对应的零件厚度及晶粒排布选取不同的激光能量，所确定的激光能量函数为E(T，γ，VF),其中T为冲击点处的构件厚度，γ为晶粒排布因数，VF为体积能量参数，从而对不同区域采用不同的激光功率密度进行冲击。

3.如权利要求2所述的一种延长构件服役寿命的强化方法，其特征在于：其中的晶粒排布因数取值范围为0.5-0.9，其中的体积能量参数其取值范围为：1200J/cm³-1800J/cm³。