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激光增材制造技术在涡轮叶片中的应用

2018/2/12    来源:互联网    作者:陶云亚  薛伟鹏  唐洪飞  苏云亮  黄顺洲  赵晓明      
关键字:航空发动机  涡轮叶片  增材制造  3D打印  激光选区熔融  毛坯  气膜孔  
基于激光增材制造技术可快速、精确地制造出任意复杂形状零件的特点,以带复杂冷却内腔结构的航空发动机涡轮叶片为研究对象,对激光增材制造技术在涡轮叶片制备过程中的工程应用特点和难点进行了研究,并提出相应解决措施。研究结果显示,激光增材制造技术在降低零件制造成本和减少零件交货周期方面具有显著优势,但在材料力学性能、表面粗糙度、位置及型面公差、气膜孔收缩率及机械加工定位点等方面依然存在挑战。

4.2 叶身表面质量

    采用激光增材制造成形的叶片毛坯如图4所示。可见,其叶身外表面存在波纹,表面凹凸明显,且纹路走向基本一致。经检测,表面粗糙度在3.2~12.0μm之间,超出设计要求(≯3.2 μm)。

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    图4 毛坯图

    经分析,引起毛坯表面波纹及粗糙度超差的原因主要有:

    (1) 激光光斑具有一定直径(直径为0.08~0.12mm),激光沿理论轮廓的熔融过程中,光斑边缘的低温区会在外轮廓面上形成熔融分界面,产生不完全熔融区域,导致成形后的毛坯表面粗糙;

    (2) 激光在熔融过程中,光斑的实际行进路线为折线,熔融完成的轮廓面上会形成突点或毛刺,影响粗糙度;

    (3) 分层熔融过程中,由于层与层之间的熔融分界面叠加、错位而形成走向大致相同的波纹线;

    (4) 目标模型成形完毕后,需要将零件表面的支撑结构与目标模型分离,分离过程中会影响目标模型局部表面的质量。

    针对粗糙度过大问题,分别采用抛光和吹砂的方法对毛坯进行处理,处理后的毛坯见图5。经粗糙度轮廓仪检测,抛光后表面粗糙度达到了0.10μm的量级,吹砂处理后的毛坯叶身表面粗糙度在0.16~0.32μm之间,叶身质量明显改善。

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    图5 抛光和吹砂后的毛坯表面

4.3 叶身型面轮廓

    经检测,导向叶片毛坯前缘偏差最大达到0.2mm,叶背偏差最大升至0.3mm,见图6、图7。轮廓度超出规定范围,尤其是局部表面凹凸严重,可能会引起气动性能大幅衰减。

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    图6 毛坯三维成像图

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    图7 叶片截面检测结果

责任编辑:张纯子
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