金属3D打印制作高温合金飞行器异形舵轴

3D打印快讯
2019
10/08
09:31
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来源:中国兵器工业集团

新一代战机、无人作战平台及航天防务产品服役条件日益苛刻,武器飞行速度逐渐增加,飞行过程中经历严酷的力热环境,使其对产品结构设计与制造提出了迫切的轻量化、结构功能化、快速响应、低成本的制造要求。
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舵轴产品实物

飞行器高温合金舵轴整体外形为“L”型转弯异形结构,由两段折线型变截面中空结构及中间连接结构三部分组成,零件最大方向尺寸460mm,最大外径为69mm。传统工艺将整体舵轴拆分为三段,分别进行机加、焊接、再机加等工序。工序繁琐、材料利用率低,产品一次合格率低,制造成本居高不下。随着新一代武器装备系统的研制,苛刻的服役条件对飞行器结构及性能提出了更高的要求。不仅需要对传统结构形式、材料选择与成形工艺总结分析的基础上进行创新,更需要将材料、结构设计、制造工艺进行高度一体化融合。

增材制造技术是基于离散-堆积原理,综合计算机图形处理、数字化信息和控制、机电控制和材料技术,采用材料逐层累加的方法实现零件快速自由成形制造的技术。该技术既可用于产品原型的快速开发制造,也可直接用于结构复杂、可靠性高的金属零件的直接制造。激光选区熔化成形技术是金属材料增材制造技术的典型代表性技术,近年来,该技术不断取得突破,发展尤其迅速,主要用于高温合金、钛合金、铝合金等结构复杂产品生产以及小批量定制生产方面,成本、效率和质量优势突出。高性能金属结构件激光选区熔化技术应用已较为成熟,它实现了材料加工领域由“减法”到“加法”的革命性转变,与传统的加工制造方法相比具有明显优势,是极具发展前景的快速成形技术。

采用激光选区熔化成形技术替代传统机加、焊接制造工艺,实现异形舵轴整体结构一体化成形,一方面,激光选区熔化成形过程属于快速凝固,合金组织晶粒细化,零件强度和塑性远远超过传统制造工艺。另一方面,快速成形可有效简化生产工艺,缩短产品生产周期,提高材料利用率,提高生产效率,降低生产成本。

因此,开展异形舵轴整体结构激光选区熔化成形技术工艺研究,完成异形结构快速成形,对新型号的研制和增材制造技术工程化应用具有重要意义。

技术方案
本方案的目的是提供一种针对飞行器异形舵轴整体快速成形的工艺方法,通过合理工艺支撑结构,实现异形舵轴整体结构的快速成形,解决舵轴分段制造工序复杂、成形困难、合格率低等问题。

实施步骤
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制作流程图
第一步,模型准备
对舵轴三维模型进行处理,三段整体求和,在舵轴长端和短端外型面添加2mm余量,所有内型面添加0 .5mm余量。在舵轴表面四周添加0 .1mm深“U”型基准线,作为精加工画线基准。根据舵轴结构特点和成形方向,在舵轴长端底部添加实体工艺支撑,实体厚度20mm,在实体中添加多个菱形镂空支撑,提高成形效率和粉末利用率。
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舵轴分段结构图



第二步,切片文件准备
将处理后的零件模型导入Magics切片软件,成形平台选择EOS M290,将零件摆放于平台对角线位置,修复模型错误,在悬空部位添加块状、肋状、圆柱支撑结构,块状支撑分块大小为6mm×6mm,间距0 .6mm,肋状支撑厚度0 .3mm ,间隔0 .5mm,圆柱支撑直径2mm。对零件及支撑进行切片,选择GH4169成形参数,激光功率为300W,扫描速度为950mm/s,扫描间距为0 .11mm,保存切片文件。
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支撑结构图


第三步,原材料准备
根据成形零件高度准备100公斤GH4169合金粉末 ,对粉末进行进行120℃,2-4小时真空烘干,粉末烘干后使用200目筛网进行粉末筛分。

第四步,基板准备
基板表面进行机械加工,机加后对基板进行吹砂处理,要求基板表面粗糙度和平整度符合使用要求。

第五步,打印设备准备
将切片文件导入EOS M290设备。清理成形平台、供粉系统及收粉系统。将经过处理的GH4169高温合金粉末加入供粉系统,用酒精将基板擦拭干净,安装基板,将基板四周螺丝拧紧,按照操作规程调平基板并进行铺粉测试,打开压缩空气和液氩清洗成形腔,至成形腔内氧含量降至0 .1%以下。


第六步,快速成形
准备工作完成后,打开设备成形舱清洗,待成形腔内氧含量降至0 .1%以下,打开循环风机,风速调节为4 .8,达到要求后,点击开始按钮进行打印。成形过程中每隔60min记录零件成形高度和零件状态等过程参数。


第七步,后处理
打印完成后取出产品,清理零件表面以及支撑内部残留粉末。

第八步,热处理
零件取出后,进行固溶+时效热处理。固溶制度960℃±10℃,保温2小时,空冷或快冷;时效制度720℃±10℃,保温8小时,炉冷至620℃,然后620℃±10℃,保温8小时,空冷。
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完成毛坯

第九步,线切割
沿成形基板表面进行线切割,将零件与基板分离,取下零件。

第十步,水切割
利用水切割方法去除零件底部带有菱形镂空实体支撑结构。

第十一步,二次后处理
去除零件多余网格和肋状支撑,打磨零件表面毛刺和缺陷,对零件进行吹砂,清理表面浮尘,去除层间纹路。

第十二步,特检
对零件进行X光和荧光检测,确保零件表面及内部无裂纹、空洞及未熔合缺陷。


第十三步,精加工
根据零件设计图,以舵轴表面四周基准线为基准,对舵轴进行精加工,得到最终产品实物。

金属3D打印制作异形舵轴整体结构加工方案,充分利用增材制造技术高柔性、快速响应的特点,通过合理工艺支撑结构和摆放位置,实现异形舵轴的一体化成形,零件强度和塑性远远超过传统制造工艺,简化生产工序,提高生产效率。与传统制造工艺相比,快速成形单件舵轴产品生产周期缩短50%,材料利用率提高30%,加工成本降低30%,有效保证了某型号飞行器自主研制需求。

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