【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及增材制造钛合金成形，特别是涉及一种针对激光选区熔化成形钛合金点阵叶轮的轻量化方法。
技术介绍
1、压气机叶轮具有复杂结构和形状，包括各种曲线和曲面，整体加工难度较大。
2、目前，传统cnc加工设备昂贵，无法快速适应临时变更的加工需求，在叶轮设计或需求发生变化时，需要重新编程和调整机床；铸造通常需要经过大量的后续加工(如切削、打磨等)才能达到最终的设计要求，增加了生产成本和时间；锻造需要专用的模具和工装设备，模具成本高且制造周期长；焊接通常在焊接接头处可能存在裂纹、夹渣等缺陷，影响叶轮的性能和使用寿命，焊接过程中会产生热应力和变形，影响叶轮的形状和尺寸精度，焊接后的叶轮通常需要经过打磨、修整等后续加工才能达到最终的设计要求。
3、传统制造方法对于叶轮制造具有复杂的流程，需要较长的生产周期，且传统制造方式已经将叶轮减重达到了极限，而近年来随着数值模拟发展的拓扑优化的方式也不适用于叶轮的减重，因为叶轮不能改变其外形原有结构，拓扑优化会使原有外形结构发生变化。压气机叶轮轻量化设计能提升其工作效率和服役寿命，传统制造方式已经无法满足目前航空航天对产品轻质高强高性能的迫切需求。
技术实现思路
1、为了克服现有技术的不足，本专利技术的目的是提供一种针对激光选区熔化成形钛合金点阵叶轮的轻量化方法，通过设计匹配的成形工艺参数实现了点阵结构与叶轮的完整成形，点阵结构的设计使叶轮达到了20％的减重效果，提升了叶轮在服役过程中的工作效率和使用寿命，为航空航天领域轻量化
2、为实现上述目的，本专利技术提供了如下方案：
3、一种针对激光选区熔化成形钛合金点阵叶轮的轻量化方法，包括以下步骤：
4、通过基于tpms经典隐式函数gyroid函数进行参数化建模，得到具有特定结构的点阵模型；
5、根据ug三维建模软件设计得到压气机叶轮的实心叶轮模型；
6、对所述实心叶轮模型进行数值模拟，施加旋转载荷以确定所述实心叶轮模型在高速旋转的工况下叶轮应力和变形的分布趋势；
7、根据所述叶轮应力和变形的分布趋势，对所述实心叶轮模型进行内部空腔设计，确定所述实心叶轮模型的内部填充区域和外壁厚度；
8、将所述具有特定结构的点阵模型对所述实心叶轮模型进行实体填充，得到点阵填充叶轮模型；
9、设定slm成形点阵叶轮工艺参数，对所述点阵填充叶轮模型进行选择性激光熔化成形，得到激光选区熔化仿真结果；
10、根据所述激光选区熔化仿真结果，对所述点阵填充叶轮模型进行排粉孔设计，得到点阵结构压气机叶轮。
11、优选地，在通过基于tpms经典隐式函数gyroid函数进行参数化建模中，通过改变所述gyroid函数的参数来控制点阵结构的孔隙率，所述孔隙率在35％～85％之间调节。
12、优选地，所述gyroid函数为：
13、
14、当t＝0时，所述点阵模型的孔隙率为50％。
15、优选地，在对所述实心叶轮模型进行数值模拟，施加旋转载荷以确定所述实心叶轮模型在高速旋转的工况下叶轮应力和变形的分布趋势中，所述叶轮应力最大集中在所述实心叶轮模型的叶片位置，所述叶轮变形最大集中在所述实心叶轮模型的叶片边缘导流位置。
16、优选地，根据所述叶轮应力和变形的分布趋势，对所述实心叶轮模型进行内部空腔设计，确定所述实心叶轮模型的内部填充区域和外壁厚度，包括：根据所述叶轮应力最大集中在所述实心叶轮模型的叶片位置，确定所述叶轮的设计中轴和轮毂处的壁厚为3mm，随后将内部填充区域进行单独填充点阵模型，随后再与叶轮壳体进行合并，避免点阵模型结构在内部填充时出现不连续和破损的情况。
17、优选地，将所述具有特定结构的点阵模型对所述实心叶轮模型进行实体填充，包括：选用尺寸大小为3mm、孔隙率为50％的点阵模型进行实体填充，并对填充区域保留0.5mm厚度进行光顺连接处理，以保证点阵模型结构的随形填充的连续性和光滑性。
18、优选地，所述slm成形点阵叶轮工艺参数包括但不限于激光功率和扫描速度，对所述点阵模型进行slm成形的工艺参数为激光功率210w、扫描速度1200mm/s，成形过程中不进行轮廓扫描；对所述实心叶轮模型进行slm成形的工艺参数为激光功率190w、扫描速度1250mm/s，成形过程中对叶轮轮廓进行轮廓扫描。
19、优选地，所述排粉孔设置在所述点阵填充叶轮模型的底部，且所述排粉孔对称排布，两个所述排粉孔的大小为4mm、深度为3.5mm。
20、根据本专利技术提供的具体实施例，本专利技术公开了以下技术效果：
21、(1)本专利技术提供了一种针对激光选区熔化成形钛合金点阵叶轮的轻量化方法，利用激光选区熔化技术，对压气机叶轮进行内部空腔结构设计，并对空腔进行点阵结构填充，并在所提供的工艺参数下，实现了点阵结构和叶轮壳体的完美结合。
22、(2)本专利技术所提供的点阵结构的设计能够降低叶轮成形过程中的变形，使成形表面粗糙度能够达到8μm，致密度能够达到99.96％，实现了20％的减重效果，实现了降本增效的作用。
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1.一种针对激光选区熔化成形钛合金点阵叶轮的轻量化方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种针对激光选区熔化成形钛合金点阵叶轮的轻量化方法，其特征在于，在通过基于TPMS经典隐式函数Gyroid函数进行参数化建模中，通过改变所述Gyroid函数的参数来控制点阵结构的孔隙率，所述孔隙率在35％～85％之间调节。
3.根据权利要求2所述的一种针对激光选区熔化成形钛合金点阵叶轮的轻量化方法，其特征在于，所述Gyroid函数为：
4.根据权利要求1所述的一种针对激光选区熔化成形钛合金点阵叶轮的轻量化方法，其特征在于，在对所述实心叶轮模型进行数值模拟，施加旋转载荷以确定所述实心叶轮模型在高速旋转的工况下叶轮应力和变形的分布趋势中，所述叶轮应力最大集中在所述实心叶轮模型的叶片位置，所述叶轮变形最大集中在所述实心叶轮模型的叶片边缘导流位置。
5.根据权利要求4所述的一种针对激光选区熔化成形钛合金点阵叶轮的轻量化方法，其特征在于，根据所述叶轮应力和变形的分布趋势，对所述实心叶轮模型进行内部空腔设计，确定所述实心叶轮模型的内部填充
6.根据权利要求1所述的一种针对激光选区熔化成形钛合金点阵叶轮的轻量化方法，其特征在于，将所述具有特定结构的点阵模型对所述实心叶轮模型进行实体填充，包括：选用尺寸大小为3mm、孔隙率为50％的点阵模型进行实体填充，并对填充区域保留0.5mm厚度进行光顺连接处理，以保证点阵模型结构的随形填充的连续性和光滑性。
7.根据权利要求1所述的一种针对激光选区熔化成形钛合金点阵叶轮的轻量化方法，其特征在于，所述SLM成形点阵叶轮工艺参数包括但不限于激光功率和扫描速度，对所述点阵模型进行SLM成形的工艺参数为激光功率210W、扫描速度1200mm/s，成形过程中不进行轮廓扫描；对所述实心叶轮模型进行SLM成形的工艺参数为激光功率190W、扫描速度1250mm/s，成形过程中对叶轮轮廓进行轮廓扫描。
8.根据权利要求1所述的一种针对激光选区熔化成形钛合金点阵叶轮的轻量化方法，其特征在于，所述排粉孔设置在所述点阵填充叶轮模型的底部，且所述排粉孔对称排布，两个所述排粉孔的大小为4mm、深度为3.5mm。
...【技术特征摘要】
1.一种针对激光选区熔化成形钛合金点阵叶轮的轻量化方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种针对激光选区熔化成形钛合金点阵叶轮的轻量化方法，其特征在于，在通过基于tpms经典隐式函数gyroid函数进行参数化建模中，通过改变所述gyroid函数的参数来控制点阵结构的孔隙率，所述孔隙率在35％～85％之间调节。
3.根据权利要求2所述的一种针对激光选区熔化成形钛合金点阵叶轮的轻量化方法，其特征在于，所述gyroid函数为：
4.根据权利要求1所述的一种针对激光选区熔化成形钛合金点阵叶轮的轻量化方法，其特征在于，在对所述实心叶轮模型进行数值模拟，施加旋转载荷以确定所述实心叶轮模型在高速旋转的工况下叶轮应力和变形的分布趋势中，所述叶轮应力最大集中在所述实心叶轮模型的叶片位置，所述叶轮变形最大集中在所述实心叶轮模型的叶片边缘导流位置。
5.根据权利要求4所述的一种针对激光选区熔化成形钛合金点阵叶轮的轻量化方法，其特征在于，根据所述叶轮应力和变形的分布趋势，对所述实心叶轮模型进行内部空腔设计，确定所述实心叶轮模型的内部填充区域和外壁厚度，包括：根据所述叶轮应力最大集中在所述实心叶轮模型的叶片位置，确定所述叶轮的...
【专利技术属性】
技术研发人员：刘征，魏取龙，姜丽红，王冠刚，崔俊华，赵明杰，曾一达，郭正华，赵刚要，张树国，
申请(专利权)人：南昌航空大学，
类型：发明
国别省市：
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