一种金属弯管激光选区熔化成形方法与流程

本发明属于增材制造技术领域，涉及一种金属弯管激光选区熔化成形方法，具体来说是一种大尺寸高温合金弯管结构的激光选区熔化成形工艺以及成形过程中的变形控制方法。

背景技术：

航天发动机管路系统中存在大量高温合金弯管结构，目前对于大尺寸弯管结构件主要采用铸造+机械加工方法，由于其材料及结构特点，机械加工难度较大、铸造缺陷难以控制，同时存在工序繁多、材料利用率低、生产周期长等缺点，现有的制造工艺组合已难以满足航天发动机大尺寸高温合金弯管结构件的制造需求。

激光选区熔化成形(selectivelasermelting，简称slm)技术属于增材制造领域，采用高能激光熔化处于松散状态的粉末薄层，通过逐层铺粉、逐层熔凝堆积的方式，成形出具有一定致密度的三维零件。采用slm技术制备航天发动机管路系统中的高温合金弯管结构，在加工效率、产品性能等方面具有显著优势，但是对于大尺寸弯管结构，slm成形过程中经常存在以下技术问题：①弯管结构一般呈90°左右的正交构型，拐弯角度较大，摆放姿态设置不合理，将影响成形过程的稳定进行，同时导致大量的内部支撑，后续支撑的去除难度较大；②对于大尺寸弯管结构，管口部位经常呈现悬臂结构，按照传统设计辅助支撑的方法难以控制管口部位的形状尺寸，容易出现翘曲变形的现象。

技术实现要素：

本发明所解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种大尺寸高温合金弯管结构的激光选区熔化成形方法以及变形控制技术，实现大尺寸弯管结构的整体、快速制造。

本发明的技术解决方案是：一种金属弯管激光选区熔化成形方法，该方法包括如下步骤：

(1)、将金属弯管三维模型导入到激光选区熔化成形模型处理软件，调整姿态和位置，使得金属弯管各段的中心线与水平面之间的夹角均保持在45°以上；

(2)、增加外部辅助结构模型，为调整好姿态和位置的合金弯管三维模型提供支撑，共同构成激光选区熔化成形模型；

(3)、采用激光选区熔化成形方法，对激光选区熔化成形模型进行成形处理，得到带外部辅助支撑结构的金属弯管。

(4)、去除合金弯管的外部辅助支撑结构，得到合金弯管。

所述步骤(1)和步骤(2)之间增加如下步骤：在与外部辅助结构模型相连接的金属弯管管口端面处，将金属弯管沿中心线方向延伸一段，该段作为成形加工余量；在步骤(4)再去除该成形加工余量得到合金弯管。

所述外部辅助支撑结构包括两种类型的支撑结构复合而成，分别为刚性实体支撑和网格支撑结构。

所述网格支撑结构的网格间距0.5～0.9mm，网格分区5～6mm，网格齿高0.4～0.8mm，齿顶宽0.2～0.4mm，齿底宽0.4～0.8mm。

所述合金弯管结构耐受温度超过650℃。

所述合金弯管结构的直径大于100mm。

所述金属弯管三维模型为三角面片化模型，三角面片弦高0.02～0.05mm。

所述金属为gh4169合金。

所述步骤(3)中激光选区熔化成形的工艺参数为：激光功率为320～340w，扫描速度1000～1200mm/s扫描间距为0.06～0.08mm、轮廓功率240～260w、轮廓扫描速度1200～1500。

所述步骤(4)采用线切割方法去除支撑。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

(1)、本发明采用激光选区熔化成形技术，相比现有铸造弯管，实现了大尺寸高温合金弯管结构的整体、快速制造，极大地提高了生产效率。

(2)、本发明通过优化摆放姿态，相比现有技术，实现了管路内部无辅助支撑，解决了内部支撑难以去除的问题。

(3)、本发明提出了“局部高刚度化”的复合型支撑结构，与现有的网格辅助支撑工艺方案相比，提高了大尺寸弯管结构管口易变形部位的整体刚度，实现了成形过程中管口的翘曲变形控制。

(4)、本发明提出的复合型支撑结构，与现有的网格支撑参数相比，针对大尺寸弯管结构的管口特点，通过对网格支撑的网格间距、网格分区、齿顶参数进行优化设计，实现了网格刚度和后续可去除性的合理匹配。

附图说明

图1为本发明实施例金属弯管激光选区熔化成形流程图；

图2为本发明实施例摆放姿态设计图；

图3为本发明实施例复合型支撑结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明进行说明。

本发明通过对大尺寸高温合金弯管结构的激光选区熔化成形进行工艺摸索，形成了以下成形工艺及变形控制方法。其主要的设计思想为：通过优化设计摆放姿态，避免弯管内表面添加辅助支撑，解决内部支撑无法去除的难题，保证内部流道的表面质量；提出“局部高刚度化”的复合型支撑结构，提高管口易变形部位的刚度，实现管口部位成形精度的有效控制。

如图1所示，本发明的一种金属弯管激光选区熔化成形方法，包括如下步骤：

(1)、将金属弯管三维模型导入到激光选区熔化成形模型处理软件，调整姿态和位置，使得金属弯管各段的中心线与水平面之间的夹角均保持在45°以上，在与外部辅助结构模型相连接的金属弯管管口端面处，将金属弯管沿中心线方向延伸一段，该段作为成形加工余量，本实施例中，管口端面设置0.8～1.5mm加工余量。所述金属弯管三维模型为三角面片化模型，三角面片弦高0.02～0.05mm。本发明实施例将弯管的.stl文件导入magics软件，通过旋转、位移使弯管摆放姿态为图2的状态。

(2)、增加外部辅助结构模型，为调整好姿态和位置的合金弯管三维模型提供支撑，共同构成激光选区熔化成形模型。

所述外部辅助支撑结构包括两种类型的支撑结构复合而成，分别为刚性实体支撑和网格支撑结构。如图3所示，复合型支撑结构，在管口易变形部位设计了随型实体支撑结构，其他部位配合采用网格支撑结构，实现管口部位成形精度的有效控制。网格支撑结构的网格间距0.5～0.9mm，网格分区5～6mm，网格齿高0.4～0.8mm，齿顶宽0.2～0.4mm，齿底宽0.4～0.8mm。

本实施例中通过magics软件设计“局部高刚度化”的复合型支撑，其中高刚性实体支撑按照管口端面形状随型生成，支撑包覆角度θ＝45°～50°；管口其余区域设计为“block”网格支撑。

(3)、采用激光选区熔化成形方法，对激光选区熔化成形模型进行成形处理，得到带外部辅助支撑结构的合金弯管。

通过400w光纤激光器实现大尺寸高温合金弯管结构件的成形，成形过程中采用分区随机扫描策略，缓解成形过程中的应力累积。。激光选区熔化成形的工艺参数为：激光功率为320～340w，扫描速度1000～1200mm/s扫描间距为0.06～0.08mm、轮廓功率240～260w、轮廓扫描速度1200～1500，见表1：

表1成形工艺参数

(4)、采用线切割工艺去除合金弯管的外部辅助支撑结构和成形加工余量，得到合金弯管。

所述合金弯管结构的直径大于100mm。

所述金属为gh4169合金，由此制成的合金弯管结构耐受温度超过650℃。

本发明未进行详细描述部分属于本领域技术人员的公知常识。