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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。

1 引言

    先进航空发动机燃气涡轮在约1700℃的极端高温下运行,需采用不同类型的冷却技术以实现发动机涡轮叶片在超过材料熔点环境下可靠工作。因此,高效冷却涡轮叶片通常具有复杂的内腔结构,其加工精度要求也高,是目前航空发动机制造领域中的瓶颈。激光增材制造技术(也称3D打印),是一项颠覆传统的新型加工技术,它不需要传统的刀具、夹具及多项加工工序,利用三维设计数据在一台设备上即可快速、精确地制造出任意复杂形状的零件,大大减少加工工序,缩短加工周期。但增材制造也存在着表面质量不够精细、设备成形尺寸有限、需要增加支撑结构、设计自由度不足、材料组织各向异性、材料组织热应力以及CAD工具处理复杂结构能力受限等不足之处。因此,有必要对激光增材制造技术在涡轮叶片中的应用进行探索研究,为涡轮叶片的制造寻找一条捷径。

    根据成形原理的不同,激光增材制造技术可分为激光选区烧结(SLS)、激光选区熔融(SLM)、激光近净成形(LENS)、电子束熔融(EBM)等。目前,有关激光增材制造涡轮叶片的国外文献并不多见,从已公开的文献可知,激光增材制造技术前景广阔,可用于实现叶片复杂冷却结构成形,使叶片更加轻量化,甚至可重塑叶片设计规范;而国内航空发动机涡轮叶片领域中增材制造研究尚属空白。本研究为国内首次开展结合增材制造技术的涡轮叶片设计及试验验证研究,针对激光选区熔融技术在涡轮叶片制备过程中的技术特点及难点,对涡轮叶片成形过程中涡轮叶片材料性能数据获取、叶身表面质量、叶身型面轮廓、气膜孔收缩及机加定位点等一系列问题进行了分析,并相应地提出了可行的解决措施。研究内容涵盖了采用增材制造技术制造涡轮叶片的全过程,可为增材制造技术在涡轮叶片中的推广应用提供技术参考。

2 成形方法

    涡轮叶片采用粉末床激光选区熔融成形技术制造,如图1所示。使用激光束熔化粉末材料,利用分层的思想,将计算机中的NX模型直接成形为三维实体零件。

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    图1 粉末床选区熔融成形

    熔融过程中,将激光、光学、温度控制和材料相联系。成形过程分为三步:①首先在粉体床上铺一薄层粉体并压实,可根据需要在激光熔融前进行预热;②激光照射粉体层、熔融粉体,形成所设计零件一层的形状;③粉体床下降一个薄层厚度距离,重复上述过程直到原型零件完成。该方法可满足近乎无限复杂结构的零件加工,但对于构型复杂的零件,为确保零件合格,必要时需进行工艺支撑设计、零件结构优化以及摆放方位研究等补充工作。

3 叶片结构

    选择某型涡轮工作叶片和导向叶片进行激光增材制造技术应用研究,叶片结构模型见图2。工作叶片为单层壁,冷气内腔为3腔结构,气膜孔直径为0.4~0.8 mm。导向叶片为单层壁,冷气内腔为2腔结构,气膜孔直径为0.5~1.0 mm。激光增材制造原材料选择Inconel718粉末。

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    图2 涡轮叶片实体模型

4 制造结果及分析

    从力学性能、叶身表面质量、叶身型面轮廓、气膜孔及机加定位点5个方面,对激光增材制造技术在涡轮叶片中的应用进行阐述,并给出相应技术分析。

4.1 力学性能

    根据要求,对叶身横向、竖向及45°方向的薄壁试样,在25℃(常温)及200℃条件下进行拉伸性能检测。试样尺寸(横向和竖向厚度为1.5 mm,45°方向为1.6 mm)见图3,检测结果见表1。表中:H 表示横向(与激光烧结层平行),S表示竖向(与激光烧结层垂直),45℃表示横纵等分线方向,-1、-2分别表示试样1和试样2。可见,25℃及200℃下的拉伸强度均较高。根据材料性能数据对工作叶片进行强度评估,发现叶身强度储备满足强度设计要求。

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    图3 试样尺寸

    表1 试样25℃和200℃拉伸性能检测结果

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责任编辑:张纯子
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