CN111451505A - 一种金属点阵结构变密度梯度材料的激光选区熔化制备工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明属于增材制造领域，涉及一种金属点阵结构变密度梯度材料的激光选区熔化制备工艺，其制备方法是：(1)选取适用于激光选区熔化的金属球形粉末作为原材料；(2)使用三维建模软件构建所需的变密度梯度点阵结构模型，将模型用专用软件切片后导入激光选区熔化成形设备；(3)设定合适的激光选区熔化成形工艺参数，整个成形过程在氩气或氮气氛围下进行；(4)加工完成后将点阵结构连带基板进行退火处理，退火后经线切割，表面清理，喷砂即得。通过本发明得到的变密度梯度点阵结构，表面质量良好，比强度高，在保证结构功能性与可靠性的同时，也满足了结构轻量化的需求。
Description
技术领域
本发明涉及一种金属激光选区熔化制备工艺，特别涉及一种金属点阵结构变密度梯度材料的激光选区熔化制备工艺。
背景技术
航空发动机在工作时，由于热膨胀、离心应变、振动等因素，高速运转的叶片叶尖与机匣之间需预留一定的间隙，防止叶片与机匣产生直接接触从而降低发动机的使用寿命。但预留的间隙也不能过大，否则径向气流损失过大，降低发动机效率。针对此问题，目前最普遍的解决方法是在机匣内表面热喷涂可磨耗封严涂层，此举可有效减少叶尖与机匣之间的间隙，在发动机运行过程中形成理想的径向气流间隙，获得最大压差，从而提高发动机效率并降低油耗。研究表明，发动机各部位使用可磨耗封严涂层后效率可提高2％以上，油耗可降低2.5％以上。但是，热喷涂可磨耗封严涂层技术也存在着热喷涂参数较难调节、工序繁杂、制备周期长、容易脱落、使用寿命短等问题。
近年来，随着航空发动机的发展，现代航空发动机对推力和推重比提出了更高的要求，对结构功能一体化零件的需求越来越明确。点阵结构变密度梯度材料作为一种结构性梯度材料，具有轻质、高强及良好的隔热性，不仅能满足发动机中可磨耗封严材料基本的功能性和可靠性，同时可以大大满足结构轻量化的需求。然而，传统的点阵制造工艺，例如熔模铸造法、冲孔网冲压法很难制备出变密度的点阵结构，且这些制造工艺对模具的要求很高，制造周期长，难以加工出精度符合要求的点阵结构。同时，即使采用传统工艺制备出精度符合条件的变密度点阵结构，如何与机匣进行连接，连接处的可靠性如何，均是高精密的发动机中无法忽视的问题。
激光选区熔化成形技术(Selective Laser Melting，SLM)是一种相对成熟的增材制造工艺，其基本原理是通过专用软件对待成形零件的三维数模进行切片分层，获得各截面的轮廓数据后，利用高能激光束逐层选择性地熔化金属粉末，通过逐层铺粉，逐层熔化凝固堆积，即可制造出三维实体零件。该技术对成形零件的形状无要求，特别适合加工具有复杂结构的难加工金属。激光选区熔化成形技术的不断发展，为高质量变密度梯度点阵结构的制备提供了可能。
发明内容
本发明的目的正是针对上述技术需求，提供了一种金属点阵结构变密度梯度材料的激光选区熔化制备工艺。在保证激光选区熔化粉末颗粒原材料合格的前提下，构建出变密度梯度点阵结构三维模型，选用合适的成形工艺参数，在机匣内表面直接成形得到表面质量良好、强度硬度符合要求的变密度梯度点阵结构。通过该制备工艺得到的变密度梯度点阵结构，可满足发动机机匣与可磨耗封严材料结构功能一体化的需求，同时最大限度的实现了结构的轻量化。
一种金属点阵结构变密度梯度材料的激光选区熔化制备工艺技术方案包括以下步骤：
1、选用粉末粒度在15～53μm的激光选区熔化的金属球形粉末作为原材料，粉末颗粒应具备良好的球形度及表面光洁度，且整体无目视可见的夹杂。
2、使用三维建模软件构建所需的变密度梯度点阵结构模型，在该点阵结构中，每个点阵单元的支杆倾角应≥30°，避免出现悬垂结构，且沿垂直于扫描截面的激光选区熔化成形方向，每层点阵结构的扫描截面逐渐减小，即致密度逐渐降低。
3、建模完成后，将其保存为STL或3MF格式文件，使用专用切片软件将该模型文件进行切片。
4、在进行成形工作之前，应将基板升温至35～200℃预热，并保证成形舱为氩气或氮气氛围，氧含量≤0.1％。
5、成形工艺参数具体为：铺粉厚度在20～90μm，激光功率在150～750W，扫描速度在500～3000mm/s，光斑直径在0.08～0.2mm，扫描间距0.08～0.3mm。
6、成形完毕后，连带基板将构件进行去应力退火，退火温度一般选择300～900℃，保温时间1～4h。
7、将点阵结构从基板上切下，用酒精、丙酮等有机溶剂将零件表面的油渍、污渍清洗干净，打磨抛光后喷砂即得。
8、最终成形的变密度梯度点阵结构具有较高的成形精度及表面质量，且每个点阵单元结构表面质量良好，基本无台阶效应及毛边现象。
通过本方法成形得到金属点阵结构变密度梯度材料作为可磨耗封严材料，能够取得以下有益效果：
1、由于激光选区熔化成形技术的特点，制得的金属变密度梯度点阵结构具有高精度和良好的表面质量，并且点阵结构密度的连续变化消除了结构突变的影响。同时，变密度梯度点阵结构在孔隙率方面实现梯度变化：底部实体部分有助于提高与机匣内表面的结合能力，而低密度区域在保证材料比强度、隔热性及耐磨损性的同时，可满足材料轻量化的需求。
2、采用激光选区熔化成形技术制备变密度梯度点阵结构，不需要额外制备模具、夹具，加工效率高，并提高了原材料的利用率。
3、采用与机匣成分相近的材料作为激光选区熔化成形原材料，且变密度梯度点阵结构与机匣接触面为实体，增大了接触面积，均有利于提升机匣与可磨耗封严材料的界面结合强度。
4、该结构同时具备材料自身特性及点阵结构和梯度结构的优异性能，实现了结构功能一体化的需求。
附图说明
图1为实施例1中采用激光增材制造技术制备的钛合金变密度梯度点阵结构设计模型。
图2为实施例1中采用激光增材制造技术制备的钛合金变密度梯度点阵结构设计模型。
具体实施方式
以下将结合附图和实施例对本发明技术方案作进一步的详述。
实施例一
一种金属点阵结构变密度梯度材料的激光选区熔化制备工艺，包括以下步骤：
步骤一：选用TC4钛合金作为激光选区熔化成形用原材料，TC4粉末粒度范围在15～53μm，球形度≥90％，流动性≤38s/50g，各项化学成分含量：Al：5.5～6.5％；V：3.4～4.5％，Fe≤0.25％；H≤0.012％；C≤0.05％；O≤0.1％；Ti：余量。
步骤二：使用AutoCAD软件构建所需的变密度梯度点阵结构模型，如图1、图2所示，每个点阵单元支杆的倾角为45°。将其保存为STL格式，利用Magics Materialise切片软件将三维模型切片后导入激光选区熔化成形设备，每层切片的厚度为0.02mm；
步骤三：选用德国EOS公司生产的型号M290设备进行激光选区熔化成形，成形基板选用锻造TC4钛合金，基板预热温度设置为120℃，并在成形舱内充入氩气作为保护气体，以保证成形舱氧含量≤0.1％。成形参数确定为：铺粉层厚40～60μm，激光功率300～400W，扫描速度1000～1600mm/s，光斑直径0.1～0.15mm，扫描间距0.1～0.2mm。
步骤四：成形完毕，将点阵结构件连带基板进行去应力退火，退火温度选择600～700℃，保温时间2～4h。之后通过线切割去除基板，用酒精将成形件表面的油渍、污渍清洗干净，打磨抛光后喷砂即得。
综上所述，采用本发明技术方案，最终得到的变密度梯度点阵结构具有较高的成形精度及表面质量，且每个点阵单元结构表面质量良好，基本无台阶效应及毛边现象。在保证结构件功能性和可靠性的同时，最大化的实现了结构件轻量化的需求。
Claims (10)
1.一种金属点阵结构变密度梯度材料的激光选区熔化制备工艺，其特征在于，包括以下步骤：
(1)选用适用于激光选区熔化的金属粉末作为原材料；
(2)使用三维建模软件构建所需的变密度梯度点阵结构模型，再将该模型用专用软件切片后导入激光选区熔化设备；
(3)设定合适的激光选区熔化工艺参数，整个成形过程在氩气或氮气氛围下进行；
(4)加工完成后将点阵结构连带基板进行退火处理，退火后经线切割取件，表面清洗，打磨抛光后喷砂即得。
2.根据权利要求1所述的一种金属点阵结构变密度梯度材料的激光选区熔化制备工艺，其特征在于，步骤(1)中，所述的金属粉末，粉末粒度范围在15-53μm，粉末颗粒应具备良好的球形度及表面光洁度，且整体无目视可见的夹杂。
3.根据权利要求1所述的一种金属点阵结构变密度梯度材料的激光选区熔化制备工艺，其特征在于，步骤(2)中，使用三维软件构建变密度梯度点阵结构模型，并将其保存为STL或3MF格式的文件，再使用专用切片软件将该模型文件进行切片。
4.根据权利要求1所述的一种金属点阵结构变密度梯度材料的激光选区熔化制备工艺，其特征在于，步骤(2)中，变密度梯度点阵中的每个点阵单元的支杆的倾角应≥30°，避免出现悬垂结构。
5.根据权利要求1所述的一种金属点阵结构变密度梯度材料的激光选区熔化制备工艺，其特征在于，步骤(2)中，设计的变密度梯度点阵结构模型中，沿垂直于扫描截面的激光选区熔化成形方向，每层点阵结构的扫描截面逐渐减小，致密度逐渐降低。
6.根据权利要求1所述的一种金属点阵结构变密度梯度材料的激光选区熔化制备工艺，其特征在于，步骤(3)中，在成形之前，应将基板升温至35-200℃预热，并保证成形舱内为氩气或氮气氛围，氧含量≤0.1％。
7.根据权利要求1所述的一种金属点阵结构变密度梯度材料的激光选区熔化制备工艺，其特征在于，步骤(3)中，金属粉末的每层铺粉厚度在20-90μm，激光功率在150-750W，扫描速度在500-3000mm/s，光斑直径在0.08-0.2mm，扫描间距0.08-0.3mm。
8.根据权利要求1所述的一种金属点阵结构变密度梯度材料的激光选区熔化制备工艺，其特征在于，步骤(4)中，退火温度一般选择300-900℃。
9.根据权利要求8所述的一种金属点阵结构变密度梯度材料的激光选区熔化制备工艺，其特征在于，步骤(4)中，退火后保温时间1-4h。
10.根据权利要求1所述的一种金属点阵结构变密度梯度材料的激光选区熔化制备工艺，其特征在于，步骤(4)中，表面清洗是指选用酒精、丙酮等有机溶剂将零件表面的油渍、污渍清洗干净。
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