一种具有定向散热功能的镍基单晶高温合金激光复合制造辅助装置的制作方法

1.本实用新型高温合金制造设备属于领域，具体涉及一种具有定向散热功能的镍基单晶高温合金激光复合制造辅助装置。


背景技术：

2.高温合金一般用于先进航空发动机涡轮叶片的制备。镍基单晶高温合金涡轮叶片能够消除对空洞和裂纹敏感的横向晶界，从而改善叶片的使用寿命，具有优良的高温抗蠕变和抗疲劳性能。而锻造轮盘具有组织致密，力学性能优良等优点。
3.传统方法是将单晶叶片与锻造轮盘进行榫接，但需要设计榫头、榫槽及锁紧机构，增加了涡轮叶盘的整体重量且存在加工精度要求高、接头易出现裂纹等缺点。而整体涡轮叶盘作为新一代航空发动机实现结构创新和技术跨越的核心技术之一，其具有减重、减级、避免榫头气流损失和提高气动效率等优点。目前主要采用单晶叶片和锻造轮盘单独制备后依靠电子束焊接或摩擦焊等方法焊接在一起，实现单晶整体涡轮叶盘的制作，但此类方法存在的焊缝会极大影响单晶整体叶盘的服役质量。采用整体精密铸造虽然能够实现结构复杂的涡轮叶盘一次成形，但所带来的粗大铸造组织很难保证叶片对高疲劳性能的要求。激光复合制造工艺结合激光增材制造生产周期短、生产成本低、材料利用率高且柔性高等优点，可实现复杂整体结构件的快速制造。
4.由于镍基高温合金具有外延生长特性，枝晶以[001]晶向生长。但在激光增材过程中，受熔池形状和温度梯度的影响，枝晶外延生长的方向不同，当单晶生长到一定高度后，会出现等轴晶阻止枝晶的继续生长。等轴晶和枝晶之间形成的晶界易导致裂纹的产生及扩展延伸，进而影响到成形后单晶叶片的性能。一般说来，晶粒数越少，叶片的耐高温性能越好，如果能够让晶粒有序的向一个方向排列，能够避免叶片的断裂，提高叶片的使用寿命。当温度梯度一定时，冷却速度越小，杂晶出现的概率越小。本实用新型装置通过电阻丝升温装置控制垂直于外延生长枝晶两侧的温度梯度，提高沿枝晶方向的冷却速度，能够有效控制杂晶数量，得到较好的外延生长组织，从而为实现激光复合制造镍基单晶高温合金的理论完善和工艺可调控提供参考依据。


技术实现要素：

[0005]
本实用新型的目的在于提供一种具有定向散热功能的镍基单晶高温合金激光复合制造辅助装置，可以通过控制激光复合制造过程中成形件散热的方向，从而保持枝晶外延生长方向一致。
[0006]
为实现上述目的，本实用新型采取的技术方案为：一种具有定向散热功能的镍基单晶高温合金激光复合制造辅助装置，包括腔室、底座和激光头，底座设置在腔室内，激光头安装在与底座对应位置的腔室上部；环腔室内设置有导热层，导热层上还设置有升温装置。
[0007]
进一步的，升温装置为电阻丝升温装置，电阻丝由上至下环导热层缠绕设置，升温装置将腔室分割为上、中、下三个控温区。
[0008]
进一步的，环控温区的腔室内还设置有热电偶。
[0009]
进一步的，底座内设置盘管形的冷却水内流道，底座底部两端分别设有进水孔和出水孔，进水孔和出水孔分别与内流道两端连通。
[0010]
进一步的，腔室底部开设有同于通入惰性气体的进气孔。
[0011]
进一步的，还包括有升降装置，升降装置包括步进电机、齿轮轴和传动齿轮，步进电机安装在腔室底部，传动齿轮安装在步进电机输出端，齿轮轴和传动齿轮啮合传动，底座与腔室可分离设置，齿轮轴穿过腔室底部内壁与底座连接。
[0012]
进一步的，还包括有保温装置，保温装置包括第一石棉保温层和柔性保温层，第一石棉保温层覆盖在电阻丝外层，柔性保温层分为两层，腔室内部为隔热层，外部为第二石棉保温层，环腔室顶部开设密封槽，柔性保温层通过高温橡胶圈和密封槽配合安装覆盖在腔室顶部，柔性保温层中间开孔，激光头通过一端穿过柔性保温层并通过卡扣与柔性保温层连接。
[0013]
进一步的，进水孔和出水孔还分别对应连接有进水管道和出水管道，进水管道和出水管道的一端穿过腔室设置在腔室外侧，进水管道与出水管道在腔室内部的部分为高温合金管，腔室外部的部分为柔性橡胶管，高温合金管与柔性橡胶管通过高温胶固定。
[0014]
进一步的，底座上还开设有用于固定基板的螺纹孔。
[0015]
与现有技术相比，本实用新型具有如下有益效果：本实用新型不仅结构简单，而且具有良好的可靠性。本装置针对现今激光复合制造镍基单晶高温合金存在多层激光熔覆过程中温度梯度控制不均出现枝晶中存在杂晶而导致力学性能下降的情况，设计出一套由升温、保温、主动冷却和底座升降等功能组成一体化的制备镍基单晶高温合金辅助装置。本实用新型提供的激光复合制造镍基单晶高温合金的辅助装置将散热、保温和加工过程整体进行了考虑，并自主设计了盘管形冷却装置，与同类型实用新型相比，功能更加完善，可靠性和安全性更好。。
附图说明
[0016]
图1为本实用新型结构示意图；
[0017]
图2为本实用新型内部结构俯视图；
[0018]
图3为本实用新型密封槽示意图；
[0019]
图4为本实用新型底座结构示意图；
[0020]
图5为本实用新型底座内部结构示意图；
[0021]
图6为本实用新型升降装置和底座配合示意图；
[0022]
图7为本实用新型底座卡扣结构示意图；
[0023]
图中：1.卡扣、2.第二石棉保温层、3.隔热层、4.激光头、5.第一石棉保温层、6.电阻丝、7.螺纹孔、8.内流道、9.导热层、10.进气孔、11.底座、12.齿轮轴、13.密封槽、14.热电偶、15.步进电机、16.进水管道、17.出水管道、18.腔室。
具体实施方式
[0024]
参照图1
‑
7，一种具有定向散热功能的镍基单晶高温合金激光复合制造辅助装置，包括腔室18、底座11和激光头4，底座11设置在腔室18内，激光头4安装在与底座11对应位置的腔室18上部；环腔室18内设置有导热层9，导热层9上还设置有升温装置。
[0025]
其中，升温装置为电阻丝6升温装置，电阻丝6由上至下环导热层9缠绕设置，升温装置将腔室18分割为上、中、下三个控温区。
[0026]
其中，环控温区的腔室18内还设置有热电偶14。
[0027]
其中，底座11内设置盘管形的冷却水内流道8，底座11底部两端分别设有进水孔和出水孔，进水孔和出水孔分别与内流道8两端连通。
[0028]
其中，腔室18底部开设有同于通入惰性气体的进气孔10。
[0029]
其中，还包括有升降装置，升降装置包括步进电机15、齿轮轴12和传动齿轮，步进电机15安装在腔室18底部，传动齿轮安装在步进电机15输出端，齿轮轴12和传动齿轮啮合传动，底座11与腔室18可分离设置，齿轮轴12穿过腔室18底部内壁与底座11连接。
[0030]
其中，还包括有保温装置，保温装置包括第一石棉保温层5和柔性保温层，第一石棉保温层5覆盖在电阻丝6外层，柔性保温层分为两层，腔室18内部为隔热层3，外部为第二石棉保温层2，环腔室18顶部开设密封槽13，柔性保温层通过高温橡胶圈和密封槽13配合安装覆盖在腔室18顶部，柔性保温层中间开孔，激光头4通过一端穿过柔性保温层并通过卡扣1与柔性保温层连接。
[0031]
其中，进水孔和出水孔还分别对应连接有进水管道16和出水管道17，进水管道16和出水管道17的一端穿过腔室18设置在腔室18外侧，进水管道16与出水管道17在腔室18内部的部分为高温合金管，腔室18外部的部分为柔性橡胶管，高温合金管与柔性橡胶管通过高温胶固定。
[0032]
其中，底座11上还开设有用于固定基板的螺纹孔7。
[0033]
为使本实用新型能够更加明显易懂，因此对本实用新型作进一步详细的说明。
[0034]
参照图1，柔性保温层通过保温层卡扣1固定在激光头4上，电阻丝6和热电偶14周围包裹第一石棉保温层5。进气孔10固定于腔室18底部，周围采用高温密封圈进行密封。底座11与升降装置连接。底座11通过腔室18底部，周围用高温密封圈进行密封。
[0035]
控温区为上、中、下三个区域，通过总控制柜调节不同区域电阻丝6的加热参数，从而控制腔体内部的温度梯度。电阻丝6通过金属导热层9对腔室18内部进行加热，同时分布于腔室18四周及底部的热电偶14实时采集各区域的温度，由于激光熔覆区域热量难以快速散失，导致熔池温度梯度减小，通过温度采集及电阻丝6升温，调整枝晶生长的温度梯度。电阻丝6和热电偶14分别与总控制柜连接。在成形前通过进气孔10充入惰性气体，降低成形件的氧化率。底座11与升降装置连接，升降装置与总控制柜连接，通过步进电机15控制齿轮轴12与升降底座11的齿轮传动实现精准升降，保证单晶组织在多层熔覆过程中生长的连续性。
[0036]
图中2
‑
3显示了用于固定柔性保温层的密封槽13布置，固定柔性保温层通过高温橡胶圈覆盖于腔室18顶部。
[0037]
参照图4
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5，底座11内部为盘管形内流道8，能够保证冷却水对整个底座11进行降温，增大成形件向下的温度梯度，底座11下部区域分别设有进水孔和出水孔，通入冷却水前
将其与冷水机连接，连接部分用止水带密封。底座11内流道8形状复杂，将底座11分为上下两部分分别进行加工，通过铸造工艺加工冷却水内流道8，采用钎焊工艺将底座11上下两部分进行紧密连接。上底座11的螺纹孔7用来固定工装夹具，保证在激光复合制造过程中基板不会产生变形。
[0038]
参照图6，在激光复合制造过程中，由总控制柜给步进电机15信号，步进电机15所带动的齿轮轴12旋转一定角度，同时与齿轮轴12之间采用齿轮传动的底座11也实现一定高度的升降。
[0039]
图7显示了用于将柔性保温层固定在激光头4上的卡扣1装置。卡扣1通过螺栓结构控制卡扣1的松紧，实现保温层随激光头4自由移动的同时保证腔室18内部气密性良好。
[0040]
最后应说明的是：以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。