一种夹层流道结构件制备方法及装置与流程

1.本发明属于增材制造技术领域，尤其涉及一种夹层流道结构件制备方法及装置。


背景技术：

2.夹层流道结构是有效保证液体火箭发动机燃烧部件在高温高压环境下正常服役的主要结构形式。传统的制造工艺方法无法直接整体成形，采用内外机械加工后焊接工艺制造。上述加工工艺存在性能稳定性差、合格率低、加工周期长等问题。由于slm(selective laser melting，激光选区熔化成形)技术不受构件的复杂程度和材料难加工性能的影响，可直接制备出形状复杂、尺寸精度高、组织致密、性能稳定的金属构件，可以实现复杂精密喷注器和身部的集成制造，在提高产品质量、降低生产成本、缩短生产周期等方面具有显著优势，已经在液体动力领域得到深入应用。目前发动机中大量夹层流道结构件，均采用slm技术成形，以满足设计状态更改频繁、多状态并行的新型号快速研制的需求。
3.目前受产品结构和成形设备影响，采用激光选区熔化成形技术成形的复杂夹层流道结构件还存在如下问题：
4.(1)产品性能一致性差。在液体动力系统中复杂夹层流道结构件的功能是保证发动机燃料/氧化剂精准流通，其液流性能是关键保障指标，与内部流道的表面粗糙度有着直接关系。然而受分层成形所产生的“阶梯效应”和熔池液态滴表面张力产生的“球化效应”的影响，激光选区熔化成形零件内表面粗糙。
5.(2)多余物风险大。激光选区熔化成形过程中，由于激光能量的高斯分布特点及热传导作用使得熔池周围的粉末被部分熔化吸附在零件表面形成附着粉末颗粒，这些粉末颗粒与零件实体的结合力弱，在构件工作时液流的反复冲刷下，容易脱落形成内部多余物，给动力系统带来风险。


技术实现要素：

6.为解决上述问题，本发明实施例提供了一种夹层流道结构件制备方案，该方案能够提升夹层流道构件的表面质量。
7.本发明的技术解决方案是，一种夹层流道结构件制备方法，包括：通过增材制造技术建立夹层流道结构件的三维模型；在模型处理软件中，对所述三维模型将进行分层切片处理，得到包含轮廓、附加轮廓和填充的二维扫描轨迹；使用双激光异功率激光选区熔化成形设备，在惰性气体环境中按照所述二维扫描轨迹进行逐点逐线逐层堆积，制备生成夹层流道构件；其中，采用大光斑高功率激光束对所述二维扫描轨迹中的填充部分进行扫描，采用小光斑低功率激光束依次对所述二维扫描轨迹中的轮廓和附加轮廓进行扫描。
8.可选的，所述夹层流道结构件包括：外壁、肋壁以及内壁，其中，所述肋壁为直通式结构或螺旋倾角式结构。
9.可选的，所述通过增材制造技术建立夹层流道结构件的三维模型的步骤，包括：根据夹层流道结构件所需结构强度、液流性能，采用建模软件构建三维模型；导出stl格式三
维模型。
10.可选的，所述分层切片厚度为0.02-0.04mm，所述填充位于零件实体，所述轮廓和附加轮廓位于夹层流道结构件的表面。
11.可选的，所述双激光异功率激光选区熔化成形设备输出的大光斑高功率激光束的光斑直径为100-120um，激光功率大于300w，扫描速度为1000
±
300mm/s。
12.可选的，所述双激光异功率激光选区熔化成形设备输出的小光斑低功率激光束的光斑直径为50-60um，激光功率小于200w，扫描速度大于1500mm/s。
13.可选的，所述使用双激光异功率激光选区熔化成形设备，在惰性气体环境中按照所述二维扫描轨迹进行逐点逐线逐层堆积，制备生成夹层流道结构件的步骤，包括：使用双激光异功率激光选区熔化成形设备，在惰性气体环境中依次扫描所述二维扫描轨迹中的填充、轮廓以及附加轮廓，进行逐点逐线逐层堆积，制备生成夹层流道结构件。
14.为了解决上述技术问题，本发明还公开了一种夹层流道结构件制备装置，其中，所述装置包括：建立模块，用于通过增材制造技术建立夹层流道结构件的三维模型；分层切片模块，用于在模型处理软件中，对所述三维模型将进行分层切片处理，得到包含轮廓、附加轮廓和填充的二维扫描轨迹；调用模块，用于调用双激光异功率激光选区熔化成形设备，在惰性气体环境中按照所述二维扫描轨迹进行逐点逐线逐层堆积，制备生成夹层流道结构件；其中，采用大光斑高功率激光束对所述二维扫描轨迹中的填充部分进行扫描，采用小光斑低功率激光束依次对所述二维扫描轨迹中的轮廓和附加轮廓进行扫描。
15.本发明实施例公开的夹层流道结构件制备方案，通过增材制造技术建立夹层流道结构件的三维模型；在模型处理软件中，对三维模型将进行分层切片处理，得到包含轮廓、附加轮廓和填充的二维扫描轨迹；使用双激光异功率激光选区熔化成形设备，在惰性气体环境中采用大光斑激光束对填充进行扫描，能够保证实体成形效率和成形质量，采用小光斑激光束依次对轮廓和附加轮廓进行扫描，能够提高夹层流道结构件表面光洁度，可达到夹层流道构件高效高质量成形的目的。
附图说明
16.图1为本发明实施例所提供的夹层流道结构件制备方法的步骤流程图；
17.图2为本发明实施例所提供的夹层流道的结构示意图；
18.图3为本发明实施例所提供的夹层流道结构件示意图；
19.图4为本发明夹层流道结构件的二维扫描轨迹示意图；
20.图5为本发明实施例所提供的夹层流道结构件制备装置的结构框图。
具体实施方式
21.下面根据具体的实施例，结合附图针对本发明进行详细说明。应当理解，此处所述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
22.如图1所示，本发明实施例的一种夹层流道结构件制备方法包括如下步骤：
23.步骤101：通过增材制造技术建立夹层流道结构件的三维模型。
24.一种示例性的夹层流道的结构示意图如图2所示，夹层流道结构包括：外壁1、肋壁3以及内壁2，其中，肋壁为直通式结构或螺旋倾角式结构。包含夹层流道结构的结构件可称
为夹层流道结构件。一种示例性的夹层流道结构件示意图如图3所示。
25.下面以制备图3中所示的夹层流道结构件为例进行说明，该夹层流道结构件包括内壁2、外壁1、肋壁3，共同构成夹层通道，肋壁呈螺旋倾角式结构，最小通道尺寸为1mm
×
1mm，对表面粗糙度的要求为优于6.3um。
26.一种可选的通过增材制造技术建立夹层流道结构件的三维模型的方式可以如下：根据夹层流道结构件所需结构强度、液流性能，采用建模软件构建三维模型；导出stl(standard template library，标准模板库)格式三维模型。所导出的stl格式三维模型的尺寸精度优于0.008mm。
27.步骤102：在模型处理软件中，对三维模型将进行分层切片处理，得到包含轮廓、附加轮廓和填充的二维扫描轨迹。
28.对三维模型进行分层切片处理时，分层切片厚度可设置为0.02-0.04mm，填充位于零件的实体，轮廓和附加轮廓位于夹层流道结构件的表面。夹层流道结构件的二维扫描轨迹示意图如图4所示，通过图4可知，二维扫描轨迹中包括：填充、轮廓和附加轮廓。
29.步骤103：使用双激光异功率激光选区熔化成形设备，在惰性气体环境中按照二维扫描轨迹进行逐点逐线逐层堆积，制备生成夹层流道构件。
30.惰性气体的具体种类可由本领域技术人员根据实际需求进行设置，本技术实施例中对此不做具体限制。
31.双激光异功率激光选区熔化成形设备为夹层流道专用开发设备，具备两套光路系统，可输出不同光斑直径不同功率的激光束。其中，采用大光斑高功率激光束对二维扫描轨迹中的填充部分进行扫描，采用小光斑低功率激光束依次对二维扫描轨迹中的轮廓和附加轮廓进行扫描。用大光斑激光束对填充进行扫描，保证实体成形效率和成形质量，同时采用小光斑激光束依次对轮廓和附加轮廓进行扫描，提高产品表面光洁度，流道表面粗糙度能达到ra3.2um，实现夹层流道构件高效高质量成形。
32.一种可选地实施例中，使用双激光异功率激光选区熔化成形设备，在惰性气体环境中依次扫描所述二维扫描轨迹中的填充、轮廓以及附加轮廓，进行逐点逐线逐层堆积，制备生成夹层流道结构件。
33.可选的，双激光异功率激光选区熔化成形设备输出的大光斑高功率激光束的光斑直径为100-120um，激光功率大于300w，扫描速度为1000
±
300mm/s。双激光异功率激光选区熔化成形设备输出的小光斑低功率激光束的光斑直径为50-60um，激光功率小于200w，扫描速度大于1500mm/s。
34.如图5所示，本发明实施例的一种夹层流道结构件制备装置包括如下模块：建立模块501，用于通过增材制造技术建立夹层流道结构件的三维模型；分层切片模块502，用于在模型处理软件中，对所述三维模型将进行分层切片处理，得到包含轮廓、附加轮廓和填充的二维扫描轨迹；调用模块503，用于调用双激光异功率激光选区熔化成形设备，在惰性气体环境中按照所述二维扫描轨迹进行逐点逐线逐层堆积，制备生成夹层流道结构件；其中，采用大光斑高功率激光束对所述二维扫描轨迹中的填充部分进行扫描，采用小光斑低功率激光束依次对所述二维扫描轨迹中的轮廓和附加轮廓进行扫描。
35.本技术实施例提供的夹层流道结构件制备装置，可用于执行上述夹层流道结构件制备方法的相关流程。二者的相关之处，参照上述夹层流道结构件制备方法实施例中的相
关说明即可，在此不再赘述。
36.需要说明的是，以上说明仅是本发明的优选实施方式，应当理解，对于本领域技术人员来说，在不脱离本发明技术构思的前提下还可以做出若干改变和改进，这些都包括在本发明的保护范围内。
37.以上所述，仅为本发明最佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
38.本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域技术人员的公知技术。