金屬3D打印制作高溫合金飛行器異形舵軸

來(lái)源：中國(guó)兵器工業(yè)集團(tuán)

新一代戰(zhàn)機(jī)、無(wú)人作戰(zhàn)平臺(tái)及航天防務(wù)產(chǎn)品服役條件日益苛刻,，武器飛行速度逐漸增加，飛行過(guò)程中經(jīng)歷嚴(yán)酷的力熱環(huán)境,，使其對(duì)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與制造提出了迫切的輕量化,、結(jié)構(gòu)功能化、快速響應(yīng),、低成本的制造要求,。

舵軸產(chǎn)品實(shí)物

飛行器高溫合金舵軸整體外形為“L”型轉(zhuǎn)彎異形結(jié)構(gòu)，由兩段折線型變截面中空結(jié)構(gòu)及中間連接結(jié)構(gòu)三部分組成,，零件最大方向尺寸460mm,，最大外徑為69mm。傳統(tǒng)工藝將整體舵軸拆分為三段,，分別進(jìn)行機(jī)加,、焊接,、再機(jī)加等工序。工序繁瑣,、材料利用率低,，產(chǎn)品一次合格率低，制造成本居高不下,。隨著新一代武器裝備系統(tǒng)的研制,，苛刻的服役條件對(duì)飛行器結(jié)構(gòu)及性能提出了更高的要求。不僅需要對(duì)傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式,、材料選擇與成形工藝總結(jié)分析的基礎(chǔ)上進(jìn)行創(chuàng)新,，更需要將材料、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),、制造工藝進(jìn)行高度一體化融合,。

增材制造技術(shù)是基于離散-堆積原理，綜合計(jì)算機(jī)圖形處理,、數(shù)字化信息和控制,、機(jī)電控制和材料技術(shù)，采用材料逐層累加的方法實(shí)現(xiàn)零件快速自由成形制造的技術(shù),。該技術(shù)既可用于產(chǎn)品原型的快速開(kāi)發(fā)制造，也可直接用于結(jié)構(gòu)復(fù)雜,、可靠性高的金屬零件的直接制造,。激光選區(qū)熔化成形技術(shù)是金屬材料增材制造技術(shù)的典型代表性技術(shù)，近年來(lái),，該技術(shù)不斷取得突破,，發(fā)展尤其迅速，主要用于高溫合金,、鈦合金,、鋁合金等結(jié)構(gòu)復(fù)雜產(chǎn)品生產(chǎn)以及小批量定制生產(chǎn)方面，成本,、效率和質(zhì)量?jī)?yōu)勢(shì)突出,。高性能金屬結(jié)構(gòu)件激光選區(qū)熔化技術(shù)應(yīng)用已較為成熟，它實(shí)現(xiàn)了材料加工領(lǐng)域由“減法”到“加法”的革命性轉(zhuǎn)變,，與傳統(tǒng)的加工制造方法相比具有明顯優(yōu)勢(shì),，是極具發(fā)展前景的快速成形技術(shù)。

采用激光選區(qū)熔化成形技術(shù)替代傳統(tǒng)機(jī)加,、焊接制造工藝,，實(shí)現(xiàn)異形舵軸整體結(jié)構(gòu)一體化成形，一方面,，激光選區(qū)熔化成形過(guò)程屬于快速凝固,，合金組織晶粒細(xì)化,，零件強(qiáng)度和塑性遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)傳統(tǒng)制造工藝。另一方面,，快速成形可有效簡(jiǎn)化生產(chǎn)工藝,，縮短產(chǎn)品生產(chǎn)周期，提高材料利用率,，提高生產(chǎn)效率,，降低生產(chǎn)成本。

因此,，開(kāi)展異形舵軸整體結(jié)構(gòu)激光選區(qū)熔化成形技術(shù)工藝研究,，完成異形結(jié)構(gòu)快速成形，對(duì)新型號(hào)的研制和增材制造技術(shù)工程化應(yīng)用具有重要意義,。

技術(shù)方案
本方案的目的是提供一種針對(duì)飛行器異形舵軸整體快速成形的工藝方法,，通過(guò)合理工藝支撐結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)異形舵軸整體結(jié)構(gòu)的快速成形,，解決舵軸分段制造工序復(fù)雜,、成形困難、合格率低等問(wèn)題,。

實(shí)施步驟

制作流程圖

第一步,，模型準(zhǔn)備
對(duì)舵軸三維模型進(jìn)行處理，三段整體求和,，在舵軸長(zhǎng)端和短端外型面添加2mm余量,，所有內(nèi)型面添加0 .5mm余量。在舵軸表面四周添加0 .1mm深“U”型基準(zhǔn)線,，作為精加工畫線基準(zhǔn),。根據(jù)舵軸結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和成形方向，在舵軸長(zhǎng)端底部添加實(shí)體工藝支撐,，實(shí)體厚度20mm,，在實(shí)體中添加多個(gè)菱形鏤空支撐，提高成形效率和粉末利用率,。

舵軸分段結(jié)構(gòu)圖

第二步,，切片文件準(zhǔn)備
將處理后的零件模型導(dǎo)入Magics切片軟件，成形平臺(tái)選擇EOS M290,，將零件擺放于平臺(tái)對(duì)角線位置,，修復(fù)模型錯(cuò)誤，在懸空部位添加塊狀,、肋狀,、圓柱支撐結(jié)構(gòu)，塊狀支撐分塊大小為6mm×6mm,，間距0 .6mm,，肋狀支撐厚度0 .3mm ,間隔0 .5mm,，圓柱支撐直徑2mm。對(duì)零件及支撐進(jìn)行切片,，選擇GH4169成形參數(shù),，激光功率為300W，掃描速度為950mm/s,，掃描間距為0 .11mm,，保存切片文件。

支撐結(jié)構(gòu)圖

第三步,，原材料準(zhǔn)備
根據(jù)成形零件高度準(zhǔn)備100公斤GH4169合金粉末 ,對(duì)粉末進(jìn)行進(jìn)行120℃,，2-4小時(shí)真空烘干，粉末烘干后使用200目篩網(wǎng)進(jìn)行粉末篩分,。

第四步,，基板準(zhǔn)備
基板表面進(jìn)行機(jī)械加工，機(jī)加后對(duì)基板進(jìn)行吹砂處理,，要求基板表面粗糙度和平整度符合使用要求,。

第五步，打印設(shè)備準(zhǔn)備
將切片文件導(dǎo)入EOS M290設(shè)備,。清理成形平臺(tái),、供粉系統(tǒng)及收粉系統(tǒng)。將經(jīng)過(guò)處理的GH4169高溫合金粉末加入供粉系統(tǒng),，用酒精將基板擦拭干凈,，安裝基板，將基板四周螺絲擰緊,，按照操作規(guī)程調(diào)平基板并進(jìn)行鋪粉測(cè)試，打開(kāi)壓縮空氣和液氬清洗成形腔,，至成形腔內(nèi)氧含量降至0 .1％以下,。


第六步，快速成形
準(zhǔn)備工作完成后,，打開(kāi)設(shè)備成形艙清洗,，待成形腔內(nèi)氧含量降至0 .1％以下，打開(kāi)循環(huán)風(fēng)機(jī),，風(fēng)速調(diào)節(jié)為4 .8,，達(dá)到要求后，點(diǎn)擊開(kāi)始按鈕進(jìn)行打印,。成形過(guò)程中每隔60min記錄零件成形高度和零件狀態(tài)等過(guò)程參數(shù),。


第七步，后處理
打印完成后取出產(chǎn)品,，清理零件表面以及支撐內(nèi)部殘留粉末,。

第八步,，熱處理
零件取出后，進(jìn)行固溶+時(shí)效熱處理,。固溶制度960℃±10℃,，保溫2小時(shí)，空冷或快冷,；時(shí)效制度720℃±10℃,，保溫8小時(shí)，爐冷至620℃,，然后620℃±10℃,，保溫8小時(shí)，空冷,。

完成毛坯

第九步,，線切割
沿成形基板表面進(jìn)行線切割，將零件與基板分離,，取下零件,。

第十步，水切割
利用水切割方法去除零件底部帶有菱形鏤空實(shí)體支撐結(jié)構(gòu),。

第十一步,，二次后處理
去除零件多余網(wǎng)格和肋狀支撐，打磨零件表面毛刺和缺陷,，對(duì)零件進(jìn)行吹砂,，清理表面浮塵，去除層間紋路,。

第十二步,，特檢
對(duì)零件進(jìn)行X光和熒光檢測(cè)，確保零件表面及內(nèi)部無(wú)裂紋,、空洞及未熔合缺陷,。


第十三步，精加工
根據(jù)零件設(shè)計(jì)圖,，以舵軸表面四周基準(zhǔn)線為基準(zhǔn),，對(duì)舵軸進(jìn)行精加工，得到最終產(chǎn)品實(shí)物,。

金屬3D打印制作異形舵軸整體結(jié)構(gòu)加工方案,，充分利用增材制造技術(shù)高柔性、快速響應(yīng)的特點(diǎn),，通過(guò)合理工藝支撐結(jié)構(gòu)和擺放位置,，實(shí)現(xiàn)異形舵軸的一體化成形，零件強(qiáng)度和塑性遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)傳統(tǒng)制造工藝，簡(jiǎn)化生產(chǎn)工序,，提高生產(chǎn)效率,。與傳統(tǒng)制造工藝相比，快速成形單件舵軸產(chǎn)品生產(chǎn)周期縮短50％,，材料利用率提高30％,，加工成本降低30％，有效保證了某型號(hào)飛行器自主研制需求,。