一種具有點陣冷卻結構的導向葉片制備方法與流程

本發明屬于導向葉片制備技術領域，特別涉及一種具有點陣冷卻結構的導向葉片制備方法。

背景技術：

燃氣渦輪發動機的效率隨著渦輪入口溫度的提高而增加，目前的燃氣溫度已經遠高于葉片材料的溫度極限，必須對渦輪葉片進行有效的冷卻才能保證燃氣渦輪的正常工作。燃氣輪機中的高溫部件，如燃燒室、渦輪、尾噴管等的工作環境非常惡劣，由此造成高溫部件的可靠性差、壽命短。據美國權威部門的統計，燃氣輪機中的故障有60％以上出現在高溫部件，并有不斷上升的趨勢。我國的一些燃氣輪機高溫部件的壽命只有幾百小時，高溫部件的材料費及加工費高昂，由此帶來的經濟損失十分嚴重。

目前，燃氣輪機最常采用冷卻結構是內部冷卻結合氣膜冷卻，即在葉片表面制備出數量多而密的氣膜孔，從葉片內腔向外噴出小股冷氣在葉片外表面形成氣膜，隔離熱源并帶走熱量，同時葉片內腔通過冷卻氣流冷卻，以降低葉片實際的工作溫度。為達到優良的冷卻效果，先進燃氣輪機的葉片冷卻結構已經非常復雜，但冷卻效果仍顯不足，由于冷效不足，易造成導孔處熱障涂層剝落，導孔、緣板、葉身等處出現裂紋等缺陷，繼續保持原有散熱結構的前提下，提高構件的冷卻能力已十分困難。

點陣結構具有較高的表面積，且能通過金屬桿單元和內部連通結構的流體對流傳熱，具有十分良好的主動傳熱特性，因此，采用點陣結構這種新型的、高效的冷卻方式，有望進一步提高燃氣輪機導向葉片的冷卻效率，提高構件使用壽命，延長翻修周期。

渦輪導向葉片傳統制造技術為精密鑄造。由于受到蠟模、型芯制備、澆鑄等工藝技術限制，精密鑄造在制造超復雜結構時澆鑄成形困難，細微結構難以充填成形，工藝出現微小波動，就會導致成批報廢。而對于帶有點陣結構的導向葉片，采用鑄造工藝制造更加困難，幾乎無法制造。

技術實現要素：

為克服上述困難，本發明提供了一種利用激光選區熔化成形技術制備帶有點陣結構的導向葉片制備方法。

本發明技術方案的具體內容是：

采用激光選區熔化快速成型技術制備具有點陣結構的導向葉片，點陣結構由點陣單元組成，每個點陣單元呈四面體或金字塔或kagome構型，點陣結構充滿導向葉片葉身內腔，制備過程包括以下步驟：

(1)建立具有點陣結構的導向葉片的三維cad模型；

(2)根據點陣單元中的桿件的方向設計點陣結構導向葉片激光選區熔化成形方向，確保點陣結構中所有桿件與成形面的夾角≥45°，所有桿件均不添加成形輔助支撐；

(3)根據步驟(2)中所確定具有點陣結構的的導向葉片成形方向以及導向葉片的結構特點，對導向葉片中不能滿足自支撐的部位，添加成形輔助支撐；

(4)在成形方向上對具有點陣結構的導向葉片進行分層切片處理，分割成厚度均勻的切片，切片包括導向葉片的橫截面輪廓和加工路徑，并將切片信息文件導入激光選區熔化快速成形設備中；

(5)在激光選區熔化快速成形設備的粉末桶內裝入合金粉末，并將成形基板置于激光選區熔化成形設備的成形腔內的可升降平臺上；

(6)對激光選區熔化成形設備的成形腔中充入高純氬氣；

(7)使用激光選區熔化快速成形設備中的刮粉裝置，在成形基板上均勻鋪設一層合金粉末；

(8)激光按步驟(4)所設計的加工路徑，熔化指定區域的合金粉末，激光掃描到的地方，合金粉末熔化形成熔池，激光離開，熔池迅速凝固得到一層沉積層。制備過程中始終保持激光選區熔化設備中的風扇處于開啟狀態；

(9)完成步驟(8)后，成形基板下降一個層厚的距離，刮粉裝置在步驟(8)中形成的沉積層上，再均勻鋪設一層合金粉末；

(10)重復上述步驟(8)和(9)，直到新型冷卻結構導向葉片制備完成，待導向葉片溫度降至室溫后取出；

(11)若添加了成形輔助支撐，去除成形輔助支撐。

步驟(3)中所述的添加成形輔助支撐，是指對導向葉片結構中與成形面夾角＜45°的部位添加成形輔助支撐。

步驟(4)中所述的切片厚度為：0.02～0.05mm。

步驟(5)中所選用的合金粉末呈球形或近球形，直徑≤53μm。

步驟(5)中所選用的成形基板為45號鋼。

步驟(6)中所述氧含量為：≤20ppm。

步驟(7)中所述的粉末層厚度為：0.02～0.05mm。

步驟(8)中所述激光功率為：100～500w，掃描間距為：0.12mm，光斑直徑為：0.1～0.5mm。

步驟(9)中所述成形基板下降高度為：0.02～0.05mm，步驟(9)中所述的粉末層厚度為：0.02～0.05mm。

步驟(11)中所述的支撐去除為手工去除。

本發明具有的優點和有益效果

本發明首先利用計算機得到帶有點陣結構導向葉片的cad數值模型，然后在確保點陣結構能順利成形的條件下，確定導向葉片的成形方向，再利用分層軟件在導向葉片的成形方向上進行分層切片，并生成掃描路徑，最后激光根據設定的掃描路徑，逐點熔化沉積合金粉末，并逐層堆積，形成帶有新型冷卻結構的導向葉片。本制備方法經濟、快速，特別適合用于復雜點陣結構的制備。

附圖說明

圖1是本發明中向葉片點陣填充位置示意圖，其中，1葉身內腔示意圖；2緣板外壁示意圖；

圖2是本發明點陣單元中一種典型結構示意圖。

具體實施方式

以下結合實例對本發明做進一步闡述，但本發明并不局限于具體實施例。

采用激光選區熔化技術制備帶有點陣結構的導向葉片，該方法的步驟是：

利用三維繪圖軟件(solidworks等)建立帶有點陣結構的導向葉片的三維cad模型；

根據葉片中點陣單元的方向，調整具有新型冷卻結構的導向葉片的成形方向，保證所有點陣單元中桿件與成形面夾角≥45°。

根據步驟(2)中所確定的導向葉片成形方向，以及導向葉片的結構特點，對導向葉片中與成形面夾角＜45°的懸空部位添加成形輔助支撐；

(1)在成形方向上對導向葉片進行分層切片處理，均勻分割成厚度約為0.02～0.05μm的切片，切片包括導向器葉片的橫截面輪廓信息和加工路徑，并將切片文件導入激光選區熔化快速成形設備中；

(2)在激光選區熔化快速成形設備的粉末桶內裝入直徑≤53μm，球形或近球形的合金粉末，并將厚度約為50mm厚的45號鋼成形基板置于激光選區熔化成形設備的成形腔內的可升價平臺上；

(3)對激光選區熔化成形設備的成形腔中充入高純氬氣，直至成形腔內氣體氧含量≤20ppm。

(4)使用激光選區熔化快速成形設備中的刮粉裝置，在成形基板上均勻鋪設厚度為0.02～0.05mm厚的一層合金粉末；

(5)激光按步驟(4)所預設的加工路徑，熔化指定區域的合金粉末，激光掃描到的地方，合金粉末熔化形成熔池，激光離開，熔池迅速凝固得到一層沉積層。激光掃描速度：5m·s^～1，激光功率為：100～500w，掃描間距為：0.12mm，光斑直徑為：0.1～0.5mm。制備過程中始終保持激光選區熔化設備中的風扇處于開啟狀態；

(6)完成步驟(8)后，成形基板下降0.02～0.05mm，刮粉裝置在步驟(8)中形成的沉積層上，再均勻鋪設厚度為0.02～0.05mm的合金粉末；

(7)重復上述步驟(8)和(9)，直到具有新型冷卻結構的導向葉片制備完成，待導向葉片溫度降至室溫后取出；

(8)采用手工去除方式，將成形輔助支撐去除。

實施例

利用激光選區熔化制備葉腔內帶有點陣結構的k640導向葉片：

(1)利用三維繪圖軟件(solidworks等)建立帶有點陣結構的導向葉片的三維cad模型；

(2)根據具有新型冷卻結構的導向葉片中點陣的結構特點，調整導向葉片成形方向，保證導向葉片中所有點陣單元均能在不添加支撐的條件下順利成形；

(3)根據步驟(2)中所確定的導向葉片成形方向，以及導向葉片的結構特點，對導向葉片中與成形面夾角＜45°的懸空部位添加成形輔助支撐；

(4)在成形方向上對導向葉片進行分層切片處理，均勻分割成厚度約為0.02～0.05μm的切片，切片包括導向器葉片的橫截面輪廓信息和加工路徑，并將切片文件導入激光選區熔化快速成形設備中；

(5)在激光選區熔化快速成形設備的粉末桶內裝入直徑≤53μm，球形或近球形的k640合金粉末，并將厚度約為50mm厚的45號鋼成形基板置于激光選區熔化成形設備的成形腔內的可升價平臺上；

(6)對激光選區熔化成形設備的成形腔中充入高純氬氣，直至成形腔內氣體氧含量≤20ppm；

(7)使用激光選區熔化快速成形設備中的刮粉裝置，在成形基板上均勻鋪設厚度為0.03mm厚的一層合金粉末；

(8)激光按步驟(4)所預設的加工路徑，熔化指定區域的合金粉末，激光掃描到的地方，合金粉末熔化形成熔池，激光離開，熔池迅速凝固得到一層沉積層。激光掃描速度：5m·s^～1，激光功率為：300w，掃描間距為：0.12mm，光斑直徑為：0.2mm。制備過程中始終保持激光選區熔化設備中的風扇處于開啟狀態；

(9)完成步驟(8)后，成形基板下降0.03mm，刮粉裝置在步驟(8)中形成的沉積層上，再均勻鋪設厚度為0.03mm的k640合金粉末；

(10)重復上述步驟(8)和(9)，直到新型冷卻結構導向葉片制備完成，待導向葉片溫度降至室溫后取出；

(11)采用手工去除方式，去除成形輔助支撐。

以上所述僅為本發明的優選實施例，并非因此限制本發明的專利范圍，凡是利用本發明說明書內容所做的等效結構或等效流程變換，或直接或間接運用在其他相關技術領域，均同理包括在本發明的專利保護范圍內。