一种薄壁夹层冷却结构激光选区熔化成形及后处理方法技术

本发明专利技术涉及增材制造技术领域，公开了一种薄壁夹层冷却结构激光选区熔化成形及后处理方法，包括以下步骤：(1)基于增材制造技术的设计优化并建立三维模型；(2)将建立的模型按照要求进行摆放；(3)截取局部件进行成形和后处理试验，根据液流结果对模型进行迭代优化；(4)添加支撑；(5)激光选区熔化成形；(6)清理粉末并进行灌蜡保护(7)采用电火花线切割、机械加工和手工打磨等方法去除外部支撑，完成后进行脱蜡处理；(8)热处理及采用化学抛光对薄壁夹层内表面进行光整，使内腔光洁度满足要求。

【技术实现步骤摘要】
一种薄壁夹层冷却结构激光选区熔化成形及后处理方法
本专利技术涉及增材制造
，具体是一种薄壁夹层冷却结构激光选区熔化成形及后处理方法。
技术介绍
薄壁夹层冷却结构是有效保证火箭发动机推力室在高温高压环境下正常服役的主要结构形式，主要应用于燃烧室、收扩段和扩张段。其中燃烧室为推进剂混合燃烧的场所，燃料与氧化剂在此部位充分混合并燃烧，产生高温燃气。收扩段是推力室中关键部位，呈双钟型结构，一端与燃烧室连接，另外一端与扩展段相连，其主要功能是实现将燃气热能转化为动能。发动机工作时，推力室身部喉部工作环境为高温高压环境，工作环境极其恶劣，工作温度高达3500K，高温燃气冲刷速度超过1000m/s。传统的制造工艺方法无法直接整体成形夹层冷却结构，采用内外壁钎焊工艺制造。上述加工工艺存在如下问题：第一，性能稳定性差。推力室夹层冷却身部采用内外壁钎焊工艺，经常出现由于钎焊料漫流不均匀引起冷却通道堵塞或鼓包的问题，影响产品使用性能。另外身部采用分段钎焊后拼焊工艺，由于各段钎焊后变形导致各段拼焊时对接精度差、焊缝质量差，降低了发动机质量及稳定性。第二，合格率低。推力室夹层冷却组件内外壁装配时，需将内壁胀形使内外壁贴合，而由于材料回弹，胀形后小端内外壁钎焊间隙较大，导致钎焊质量较差，在后续进行液压试验考核时，钎焊缝较弱区域会出现打压鼓包等问题，导致产品报废。第三，加工周期长。力室夹层冷却组件由于采用传统工艺无法整体成形，因此需分为多段结构，各段分别钎焊后再拼焊成整体结构，结构及工艺流程复杂，成形过程中涉及锻造、热处理、机械加工、胀形、钎焊、电子束焊接等十几道工序，导致生产周期较长，整个生产周期耗时近4个月，不利于发动机的快速研制。
技术实现思路
本专利技术解决的技术问题是：本专利技术提供了一种薄壁夹层冷却结构激光选区熔化成形及后处理方法，能够实现薄壁夹层冷却结构的整体成形，成形质量高，可靠性高。本专利技术的技术解决方案是：一种薄壁夹层冷却结构激光选区熔化成形及后处理方法，包括步骤如下：(1)根据增材制造技术建立薄壁夹层冷却结构的三维模型；(2)在模型处理软件中，将步骤(1)中建立的三维模型的小端向上摆放；(3)截取模型中的局部件进行成形和后处理试验，根据液流结果对模型进行迭代优化，得到的薄壁夹层冷却结构身部三维模型；(4)根据步骤(3)中确定的三维模型，添加回转体内壁随形点阵支撑和外壁支撑；(5)在惰性气体环境中，按照步骤(4)得到的带支撑的三维模型进行激光选区熔化成形，得到带有基板和支撑的薄壁夹层冷却结构构件；(6)对步骤(5)中得到的带有基板和支撑的薄壁夹层冷却构件的内腔粉末进行清理，并进行灌蜡保护；(7)采用机械加工和手工打磨的方法去除步骤(6)中灌蜡保护的薄壁夹层冷却结构构件的外壁支撑，然后采用电火花线切割分离基板和薄壁夹层冷却结构构件，之后再采用机械加工去除内壁随形点阵支撑和加工端面，再进行脱蜡处理；(8)对步骤(7)得到的去除外部支撑的薄壁夹层冷却结构构件进行热处理和表面光整，得到薄壁夹层冷却结构。所述的薄壁夹层冷却结构包括内壁、外壁、肋壁、出口集液环和入口集液环，外壁两端分别设置出口集液环、入口集液环，肋壁处于内壁和外壁之间，肋壁呈直通式或螺旋倾角式两种结构，内外壁厚均不超过5mm，冷却通道为长径比超过100的流道。步骤(1)中，根据薄壁夹层冷却结构的结构强度、液流性能，消除薄壁夹层冷却结构模型中存在的连接结构和焊缝，并进行增材制造方法进行修改，获得薄壁夹层冷却结构，再导出STL格式三维模型，导出精度优于0.008mm。步骤(3)的具体方法为：步骤3.1，使用建模软件在薄壁夹层冷却结构的顶部、喉部和底部分别提取特征局部件模型；步骤3.2，修改特征局部件中的夹层冷却通道结构的肋宽、肋高和通道宽度，建立肋宽为1.0mm～2.5mm、肋高为2.0mm～4.0mm、尺寸呈0.1mm递增的系列冷却通道尺寸模型；步骤3.3，对系列夹层冷却通道尺寸模型进行激光选区熔化成形，得到实物后，再采用化学抛光试剂对冷却通道进行抛光处理，在0.5MPa的压力下进行液流试验，获得满足液流试验要求的结构模型及化学抛光后处理工艺参数；步骤3.4，对化学抛光后的冷却通道尺寸进行测量，通过力学计算，获得最优的冷却通道结构尺寸模型；步骤3.5，根据步骤3.3和步骤3.4的结果对步骤(1)中获得的三维模型进行修改，获得最终的薄壁夹层冷却结构身部三维模型。步骤(4)中，回转体内壁随形点阵支撑用于防止内壁变形，点阵胞元的尺寸随内壁的回转半径呈线性变化，点阵胞元的尺寸最小不小于2mm；点阵胞元尺寸和回转半径关系公式为：L＝R/(ksinα)；其中，L为点阵支撑的胞元尺寸，R为内壁(2)的回转半径，k为常数，α为回转体内壁沿轴向切线与水平面的夹角。步骤(5)中，激光选区熔化成形的参数为：激光功率为280～320W，扫描速度为800～1100mm/s，线间距为0.10～0.13mm，光斑直径为90～110μm，铺粉层厚为0.03～0.06mm，相位角为67°。步骤(6)中，采用0.6Mpa～0.8Mpa的压缩空气配合多轴超声振动平台对成形的构件内腔进行粉末清理；蜡的蜡液成分为50％石蜡和50％硬脂酸，灌蜡温度为60℃～70℃。步骤(7)中，线切割为高速往复走丝电火花线切割，脉冲宽度设定为8～28μs，脉冲间隔为112～170μs，波形为矩形脉冲；采用车床加工对回转面外部支撑进行去除，采用铣床对构件端面支撑和余量进行加工；脱蜡的方法为：先在0.6±0.05MPa压力和160℃～170℃温度的脱蜡炉中蒸除，再使用100℃的高温蒸汽吹除残余蜡液。步骤(8)中，热处理制度为：在60min内将温度升至600～700℃，保温60min，然后，再在60min内升温至1170℃，保温2-3h，充气冷却。步骤(8)中，表面光整方法为化学抛光，抛光液为盐酸、硝酸、氢氟酸的混合溶液，抛光液在额定0.1MPa压力下在薄壁夹层冷却结构构件中均匀流动，抛光时间30～35min。本专利技术与现有技术相比的优点在于：(1)本专利技术工艺设计时通过在回转体薄壁夹层冷去结构内部添加随形变胞元尺寸点阵支撑，保证了回转薄壁的结构强度，使回转体在成形及后处理机械加工过程中不易变形，使薄壁基层冷却构件高质量、高精度、一体化成形成为可能；同时采用专用的化学抛光工装，保证抛光液在薄壁夹层冷却构件内部均匀流动，以达到高长径比流道均匀抛光、液流效果良好的目的，实现薄壁夹层冷却构件换热功能性的关键环节。(2)本专利技术通过内壁添加随形变胞元尺寸点阵支撑，保证了回转薄壁的结构强度，使回转体在成形及后处理机械加工过程中不易变形，使薄壁夹层冷却构件高质量、高精度、一体化成形成为可能，同时保证薄壁夹层冷却构件成形质量。(3)本专利技术采用现有的工艺制备薄壁夹层冷却构件，钎焊缝强度只为基材强度的50％，可靠性不高，采用增材制本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种薄壁夹层冷却结构激光选区熔化成形及后处理方法，其特征在于，包括步骤如下：/n(1)根据增材制造技术建立薄壁夹层冷却结构的三维模型；/n(2)在模型处理软件中，将步骤(1)中建立的三维模型的小端向上摆放；/n(3)截取模型中的局部件进行成形和后处理试验，根据液流结果对模型进行迭代优化，得到的薄壁夹层冷却结构身部三维模型；/n(4)根据步骤(3)中确定的三维模型，添加回转体内壁随形点阵支撑和外壁支撑；/n(5)在惰性气体环境中，按照步骤(4)得到的带支撑的三维模型进行激光选区熔化成形，得到带有基板和支撑的薄壁夹层冷却结构构件；/n(6)对步骤(5)中得到的带有基板和支撑的薄壁夹层冷却构件的内腔粉末进行清理，并进行灌蜡保护；/n(7)采用机械加工和手工打磨的方法去除步骤(6)中灌蜡保护的薄壁夹层冷却结构构件的外壁支撑，然后采用电火花线切割分离基板和薄壁夹层冷却结构构件，之后再采用机械加工去除内壁随形点阵支撑和加工端面，再进行脱蜡处理；/n(8)对步骤(7)得到的去除外部支撑的薄壁夹层冷却结构构件进行热处理和表面光整，得到薄壁夹层冷却结构。/n

【技术特征摘要】
1.一种薄壁夹层冷却结构激光选区熔化成形及后处理方法，其特征在于，包括步骤如下：
(1)根据增材制造技术建立薄壁夹层冷却结构的三维模型；
(2)在模型处理软件中，将步骤(1)中建立的三维模型的小端向上摆放；
(3)截取模型中的局部件进行成形和后处理试验，根据液流结果对模型进行迭代优化，得到的薄壁夹层冷却结构身部三维模型；
(4)根据步骤(3)中确定的三维模型，添加回转体内壁随形点阵支撑和外壁支撑；
(5)在惰性气体环境中，按照步骤(4)得到的带支撑的三维模型进行激光选区熔化成形，得到带有基板和支撑的薄壁夹层冷却结构构件；
(6)对步骤(5)中得到的带有基板和支撑的薄壁夹层冷却构件的内腔粉末进行清理，并进行灌蜡保护；
(7)采用机械加工和手工打磨的方法去除步骤(6)中灌蜡保护的薄壁夹层冷却结构构件的外壁支撑，然后采用电火花线切割分离基板和薄壁夹层冷却结构构件，之后再采用机械加工去除内壁随形点阵支撑和加工端面，再进行脱蜡处理；
(8)对步骤(7)得到的去除外部支撑的薄壁夹层冷却结构构件进行热处理和表面光整，得到薄壁夹层冷却结构。


2.根据权利要求1所述的一种薄壁夹层冷却结构激光选区熔化成形及后处理方法，其特征在于：所述的薄壁夹层冷却结构包括内壁(2)、外壁(1)、肋壁(3)、出口集液环(4)和入口集液环(5)，外壁(1)两端分别设置出口集液环(4)、入口集液环(5)，肋壁(3)处于内壁(2)和外壁(1)之间，肋壁(3)呈直通式或螺旋倾角式两种结构，内外壁厚均不超过5mm，冷却通道为长径比超过100的流道。


3.根据权利要求1或2所述的一种薄壁夹层冷却结构激光选区熔化成形及后处理方法，其特征在于：步骤(1)中，根据薄壁夹层冷却结构的结构强度、液流性能，消除薄壁夹层冷却结构模型中存在的连接结构和焊缝，并进行增材制造方法进行修改，获得薄壁夹层冷却结构，再导出STL格式三维模型，导出精度优于0.008mm。


4.根据权利要求3所述的一种薄壁夹层冷却结构激光选区熔化成形及后处理方法，其特征在于：步骤(3)的具体方法为：
步骤3.1，使用建模软件在薄壁夹层冷却结构的顶部、喉部和底部分别提取特征局部件模型；
步骤3.2，修改特征局部件中的夹层冷却通道结构的肋宽、肋高和通道宽度，建立肋宽为1.0mm～2.5mm、肋高为2.0mm～4.0mm、尺寸呈0.1mm递增的系列冷却通道尺寸模型；
步骤3.3，对系列夹层冷却通道尺寸模型进行激光选区熔化成形，得到实物后，再采用化学抛光试剂对冷却通道进行抛光处理，在0.5MPa的压力下进行液流试验，获得满足液流试...

【专利技术属性】
技术研发人员：李护林，杨欢庆，王云，彭东剑，白静，余文涛，郑伟，
申请(专利权)人：西安航天发动机有限公司，
类型：发明
国别省市：陕西;61