選區(qū)激光熔化因其加工周期短、節(jié)省材料、不受零件結(jié)構(gòu)和材料限制等優(yōu)點在航空航天、高端醫(yī)療、模具和汽車制造等方面獲得了廣泛應(yīng)用，但其因為制造過程中熱應(yīng)力累積的原因，在成品零件上容易產(chǎn)生較大的尺寸偏差。本文以某微型渦噴發(fā)動機(jī)燃燒室為例，提出了利用反變形補(bǔ)償技術(shù)減少 SLM 成型過程中的薄壁件變形問題，該方法簡單有效、適用性強(qiáng)，在工程應(yīng)用中具有良好的發(fā)展前景。

1、引言

微型渦噴發(fā)動機(jī)作為航空發(fā)動機(jī)的一種，在軍用和民用領(lǐng)域都有非常廣泛的應(yīng)用。而燃燒室是發(fā)動機(jī)的核心部件之一，通常為外形復(fù)雜的薄壁件，這種低剛度的結(jié)構(gòu)使其在傳統(tǒng)加工過程中受夾具、刀具以及振動等因素的影響極其容易發(fā)生變形，影響最終的質(zhì)量和尺寸精度。同時受技術(shù)條件的限制，傳統(tǒng)加工不得不將部分零件拆解成多個組合件，在裝配過程中便會在尺寸公差上產(chǎn)生誤差累積。隨著激光選區(qū)熔化技術(shù)的問世，給航空航天領(lǐng)域帶來了巨大的變化。對微型燃燒室這種薄壁件來說，利用 SLM 技術(shù)一方面可以大大節(jié)省材料，縮短加工周期，降低微型燃燒室的制造成本，另一方面可以將設(shè)計思想從“為了制造而設(shè)計”而轉(zhuǎn)變?yōu)椤盀榱斯δ芏O(shè)計”，有望在燃燒穩(wěn)定性、燃燒效率、結(jié)構(gòu)重量、空間尺寸等各個方面突破性能瓶頸。

但 SLM 是一個極其復(fù)雜的物理變化過程，極熱極冷的快速變化會在熔融部位形成較大的溫度梯度，導(dǎo)致零件內(nèi)部不同區(qū)域間膨脹和收縮趨勢不一致，從而產(chǎn)生瞬態(tài)熱應(yīng)力，隨著成型過程的進(jìn)行，零件內(nèi)部的熱應(yīng)力不斷累積最終演變?yōu)闅堄鄳?yīng)力，使零件發(fā)生翹曲變形。而薄壁件抵抗變形的能力更弱，故 SLM 成型高質(zhì)量復(fù)雜薄壁件一直是金屬增材制造的研究熱點。S. Clijsters 等通過優(yōu)化打印參數(shù)，改變薄壁結(jié)構(gòu)局部的熱應(yīng)力分布，從而制備了無變形缺陷的 35°和 45° 傾斜薄壁件。張冬云等利用 SLM 技術(shù)成型了不同厚度的純鎳薄壁結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)薄壁件的極限厚度為 0.2 mm，當(dāng)厚度小于 0.2 mm 時，薄壁結(jié)構(gòu)發(fā)生了嚴(yán)重的翹曲變形。徐仁俊通過熱-結(jié)構(gòu)耦合分析計算出的應(yīng)力、應(yīng)變特征對比不同掃描線長度對薄壁件應(yīng)力應(yīng)變結(jié)果，表明薄壁件在 SLM 加工工藝中產(chǎn)生的應(yīng)變與掃描長度成正比關(guān)系，并通過實驗驗證了其一致性。

作者團(tuán)隊依托釩鈦資源綜合利用國家重點實驗室和四川省先進(jìn)金屬材料增材制造工程技術(shù)研究中心開展了不同金屬材料的激光束/電子束選區(qū)熔化工藝開發(fā)、不同制備工藝的球形鈦及鈦合金粉末開發(fā)、基于數(shù)值仿真技術(shù)的復(fù)雜零部件控形/控性等研究。對于 SLM 成型復(fù)雜薄壁件也做了相應(yīng)工作，本文以某微型渦噴發(fā)動機(jī)燃燒室為例，提出了利用 3DEXPERIENCE 平臺的反變形補(bǔ)償技術(shù)對SLM 成型薄壁件的翹曲變形控制方法。

圖 1 攀鋼自主研發(fā)的 15-53μmEIGA 法球形 TC4 粉末

圖 2 攀鋼 Arcam A2X 成型的 TiAl 合金葉片

2、燃燒室的數(shù)值仿真

某型號渦噴發(fā)動機(jī)燃燒室的簡要模型如圖 3 所示，其最大直徑 160mm，最大高度 130mm，統(tǒng)一壁厚 0.8mm。該零件直徑和高度方向上的數(shù)值較厚度相差較大，屬于標(biāo)準(zhǔn)的薄壁件，在空間擺放上進(jìn)行選擇時宜遵循下大上小、腳重頭輕的設(shè)計原則，將其底部貼合基板成型。這樣做有兩個好處：（1）不用過多添加支撐，減少了后處理打磨、拋光的工作量，而且避免了去除支撐時對零件造成損傷；（2）底部的熱量會順著基板迅速傳遞掉，減少了燃燒室底部的熱應(yīng)力累計，側(cè)壁沿沉積方向豎直成型，一定程度上對 X/Y 方向的應(yīng)力變形有所抑制。

圖 3 某型號渦噴發(fā)動機(jī)燃燒室簡要模型

零件所選用的材料為 GH3625 合金，它是一種以 Mo、Nb 為主要強(qiáng)化元素的變形高溫合金，因其具有工作溫度高、組織穩(wěn)定、耐腐蝕能力強(qiáng)等優(yōu)點，被廣泛用于制造航空發(fā)動機(jī)、各種工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)的最熱端部件,其打印工藝如表 1。

表 1 GH3625 合金燃燒室的 SLM 成型工藝參數(shù)

通過創(chuàng)建燃燒室及成型設(shè)備模型屬性，利用粉末床的熱力耦合算法進(jìn)行了GH3625 合金燃燒室的 SLM 成型過程數(shù)值模擬，得到的結(jié)果如圖 4 所示?？梢?，模型整體呈向內(nèi)收縮的趨勢，最大變形量達(dá) 3.93mm，模型底部由于和基板相連，打印過程中受基板約束，故而底部和接近基板位置變形量較小，受熱應(yīng)力累積的作用，越接近于頂部尺寸偏差越大。

圖 4 燃燒室的 SLM 成型過程位移模擬結(jié)果

將上述仿真結(jié)果通過矢量轉(zhuǎn)換，在原有模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行反向補(bǔ)償，得到的計算結(jié)果如下圖所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，在模型的外壁有了較明顯的沿徑向向外的變化趨勢，這是對該方向上進(jìn)行了-1 倍的矢量大小轉(zhuǎn)換所致。補(bǔ)償模型表面質(zhì)量較高，曲面平滑，有利于后續(xù)進(jìn)一步仿真計算及打印加工。

圖 5 燃燒室的反向補(bǔ)償模型

反向補(bǔ)償模型的 SLM 成型過程位移模擬結(jié)果如圖 6 所示，由圖可知，此次計算后，原本整體向外凸出的反變形補(bǔ)償模型有了向內(nèi)凹縮的趨勢，變形量在2~3mm 左右，與圖 4 中最外側(cè)輪廓的變形量基本一致。另外，反變形補(bǔ)償模型的計算結(jié)果和原模型在外形上較為相似，說明這種方法對于薄壁件的 SLM 成型在尺寸控制上具有較好的應(yīng)用效果，在此基礎(chǔ)上可反復(fù)迭代，進(jìn)一步提高成形精度。

圖 6 反向補(bǔ)償模型的 SLM 成型過程位移模擬結(jié)果

3、結(jié)論

選區(qū)激光熔化是一種常見的增材制造技術(shù)，對于成形復(fù)雜薄壁件具有明顯的優(yōu)勢，但其因為制造過程中熱應(yīng)力累積的原因，在成品零件上容易產(chǎn)生較大的尺寸偏差。本文以某微型渦噴發(fā)動機(jī)燃燒室為例，提出了利用反變形補(bǔ)償技術(shù)減少SLM 成型過程中的變形問題，計算結(jié)果表明，通過反向補(bǔ)償后，零件外形回歸原狀態(tài)的效果較好，具有良好的應(yīng)用價值。

資料來源：達(dá)索官方