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。