CN112517909B - 用于薄壁结构激光成形修复的仿形加厚板制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于薄壁结构激光成形修复的仿形加厚板制造方法，其包括以下步骤：S₁、对待修复薄壁结构的待修复区域边缘面进行三维扫描，获得待修复区域表面的三维模型；S₂、根据三维模型建模个性化设计的仿形加厚板，通过增材制造近净成形仿形加厚板；S₃、将仿形加厚板固定在待修复薄壁结构上，进行薄壁结构的仿形加厚激光修复。本发明可根据待修复薄壁结构待修复区的形状特征，进行仿形加厚板的个性化设计，且通过SLM增材制造方法可获得近净成形的仿形加厚板，材料利用率高、周期短。其采用仿形加厚板辅助薄壁件的激光成形修复，可修复薄壁厚度较小的零件，避免修复区域边缘塌陷的情况出现，提高薄壁边缘修复质量，提高修复成功率。

Description

用于薄壁结构激光成形修复的仿形加厚板制造方法

技术领域

本发明涉及增材制造领域，特别涉及一种用于薄壁结构激光成形修复的仿形加厚板制造方法。

背景技术

在增材制造领域中，由于具有薄壁结构的金属零件一般制造工艺复杂，生产成本较高，如航空发动机和燃气轮机涡轮叶片、整体叶盘等高附加值零部件，具有薄壁结构的零件在加工或服役过程中易出现裂纹、缺角、变形甚至发生断裂等损伤缺陷。若直接报废更换新零件会极大的提高成本，造成资源的严重浪费。

然而，一般薄壁结构的损伤修复如熔焊、电子束焊、氩弧焊等容易出现基体热影响过大、变形或微裂纹等问题，同时复杂的薄壁结构由于型面复杂且壁厚很小，修复时易出现边缘塌陷等问题，使薄壁结构零件难以实现高性能修复，极大地影响了薄壁结构的修复质量和性能，降低其使用寿命。

目前，在待修复薄壁结构激光成形修复过程中，由于薄壁结构的厚度较小，激光光斑尺寸大于薄壁结构厚度，出现激光修复熔池尺寸大于薄壁厚度，导致待修复区域边缘塌陷，逐层堆积不起来，从而使得薄壁结构的激光成形修复失败。

此外，薄壁结构厚度大于修复的光斑直径时，待修复区薄壁边缘修复易塌陷，修复缺陷多、表面粗糙等问题。由于薄壁结构厚度较小，激光光斑有部分落在待修复区域外，导致待修复薄壁结构附近区域被激光烧蚀，损坏薄壁结构。

有鉴于此，本领域技术人员设计了一种仿形加厚板用于辅助薄壁结构激光成形修复，以期克服上述技术问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是为了克服现有技术中薄壁结构零件难以实现高性能修复，其使用寿命低等缺陷，提供一种用于薄壁结构激光成形修复的仿形加厚板制造方法。

本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题的：

一种用于薄壁结构激光成形修复的仿形加厚板制造方法，其特点在于，所述用于薄壁结构激光成形修复的仿形加厚板制造方法包括以下步骤：

S₁、对待修复薄壁结构的待修复区域边缘面进行三维扫描，获得待修复区域表面的三维模型；

S₂、根据所述三维模型建模个性化设计的仿形加厚板，通过增材制造近净成形所述仿形加厚板；

S₃、将所述仿形加厚板固定在所述待修复薄壁结构上，进行薄壁结构的仿形加厚激光修复。

其中，所述增材制造采用高能束将材料熔化逐层累加以制造实体零件。所述薄壁结构为零件或构件上具有壁厚较薄的平面型、曲面型或环状特征的部分结构。所述仿形加厚板是指与薄壁结构等待修复件具有一个或多个表面形状相同或相似的表面结构(仿形面)，且具有一定厚度或加厚面的板。所述激光成形修改是指基于激光熔覆表面修复和快速成形技术实现零件三维形状缺陷的立体成形修复。

根据本发明的一个实施例，所述步骤S₂具体包括：

S₂₁、通过建模软件，截取待修复区域边缘所在面，作为仿形加厚板的内表面，所述内表面为仿形面；

S₂₂、根据实际修复区结构特征设计仿形加厚板，进行个性设计。

根据本发明的一个实施例，所述步骤S₃具体包括：

S₃₁、将设计的仿形加厚板进行模型支撑添加处理、切片处理、路径规划处理；

S₃₂、将处理好的仿形加厚板模型的导入选区激光熔化成形设备中，进行 SLM成形；

S₃₃、SLM(选区激光熔化)成形完后进行仿形加厚板的去应力热处理和热等静压处理；

S₃₄、将仿形加厚板从基板上线切割取下来，去除可能添加的支撑结构，将去支撑面和仿形面打磨，去除毛刺和污渍；

S₃₅、仿形加厚板装夹与薄壁结构的激光成形修复。

根据本发明的一个实施例，所述个性设计包括形状、厚度、镂空或修复加厚面尺寸。

根据本发明的一个实施例，所述步骤S₃₂中所选粉末材料为与薄壁结构同成分牌号的金属粉末，或者为性能高于薄壁结构的金属粉末材料。

根据本发明的一个实施例，所述步骤S₃₂中SLM成形的成形参数为：激光功率100-300W，扫描速率500-1500mm/s，光斑直径50-150μm，扫描间距30-100μm，层厚20-40μm。

根据本发明的一个实施例，所述步骤S₂₁中待修复区域边缘所在面为平面或曲面。

根据本发明的一个实施例，所述仿形加厚板呈双面仿形水平加厚内部实心结构的“┐┌”型、双面仿形倾斜加厚内部空心结构的“Y”型或不规则单面仿形内部网格结构。

当然，所述仿形加厚板也可以设置为根据零件个性化设计的任意形状结构。

根据本发明的一个实施例，所述步骤S₃₃中SLM成形完后进行仿形加厚板热处理，或热等静压处理。

本发明的积极进步效果在于：

本发明用于薄壁结构激光成形修复的仿形加厚板制造方法具有如下诸多优势：

一、所述用于薄壁结构激光成形修复的仿形加厚板制造方法可以根据待修复薄壁结构待修复区的形状特征，进行仿形加厚板的个性化设计，且通过SLM 增材制造方法可获得近净成形的仿形加厚板，材料利用率高、周期短；

二、所述用于薄壁结构激光成形修复的仿形加厚板制造方法采用仿形加厚板辅助薄壁件的激光成形修复，可修复薄壁厚度较小的零件，避免修复区域边缘塌陷的情况出现，提高薄壁边缘修复质量，提高修复成功率；

三、所述用于薄壁结构激光成形修复的仿形加厚板制造方法采用仿形加厚板的设计可保护待修复薄壁结构附近区域不被激光烧蚀损坏；

四、所述用于薄壁结构激光成形修复的仿形加厚板制造方法适用于诸如航空发动机压气机、高压涡轮叶片、燃气轮机叶片及整体叶盘叶片的叶尖或叶身等薄壁结构在加工或服役过程中产生的损伤进行修复与再制造，提高修复质量，延长零件使用寿命，具有很高的经济价值。

附图说明

本发明上述的以及其他的特征、性质和优势将通过下面结合附图和实施例的描述而变的更加明显，在附图中相同的附图标记始终表示相同的特征，其中：

图1为本发明用于薄壁结构激光成形修复的仿形加厚板制造方法的流程图。

图2为本发明用于薄壁结构激光成形修复的仿形加厚板制造方法的实施例一中仿形加厚板的示意图。

图3为本发明用于薄壁结构激光成形修复的仿形加厚板制造方法的实施例二中仿形加厚板的示意图。

图4为本发明用于薄壁结构激光成形修复的仿形加厚板制造方法的实施例三中仿形加厚板的示意图。

具体实施方式

为让本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，以下结合附图对本发明的具体实施方式作详细说明。

现在将详细参考附图描述本发明的实施例。现在将详细参考本发明的优选实施例，其示例在附图中示出。在任何可能的情况下，在所有附图中将使用相同的标记来表示相同或相似的部分。

此外，尽管本发明中所使用的术语是从公知公用的术语中选择的，但是本发明说明书中所提及的一些术语可能是申请人按他或她的判断来选择的，其详细含义在本文的描述的相关部分中说明。

此外，要求不仅仅通过所使用的实际术语，而是还要通过每个术语所蕴含的意义来理解本发明。

图1为本发明用于薄壁结构激光成形修复的仿形加厚板制造方法的流程图。

如图1所示，本发明公开了一种用于薄壁结构激光成形修复的仿形加厚板制造方法，其包括以下步骤：

步骤S₁、对待修复薄壁结构的待修复区域边缘面进行三维扫描，获得待修复区域表面的三维模型。

步骤S₂、根据所述三维模型建模个性化设计的仿形加厚板，通过增材制造近净成形所述仿形加厚板。

其中，所述步骤S₂具体还包括：

步骤S₂₁、通过建模软件，截取待修复区域边缘所在面，作为仿形加厚板的内表面；所述建模软件可以优选为CAD软件或UG软件。所述步骤S₂₁中待修复区域边缘所在面为平面或曲面。所述仿形加厚板呈双面仿形水平加厚内部实心结构的“┐┌”型、双面仿形倾斜加厚内部空心结构的“Y”型或不规则单面仿形内部网格结构。

当然，所述仿形加厚板也可以设置为根据零件个性化设计的任意形状结构。

步骤S₂₂、根据实际修复区结构特征设计仿形加厚板，进行个性设计。所述个性设计包括形状、厚度、镂空或修复加厚面尺寸。

步骤S₃、将所述仿形加厚板固定在所述待修复薄壁结构上，进行薄壁结构的仿形加厚激光修复。

其中，所述步骤S₃具体包括：

步骤S₃₁、将设计的仿形加厚板进行模型支撑添加处理、切片处理、路径规划处理；

步骤S₃₂、将处理好的仿形加厚板模型的导入选区激光熔化成形设备中，进行SLM成形；

SLM成形(Selective Laser Melting选区激光熔化)，是基于粉床系统将金属粉末平铺于成形平台上，粉末在激光束选择性的热作用下快速熔化、凝固，逐层叠加最终实现零件成形的一种增材制造技术。

所述步骤S₃₂中所选粉末材料为与薄壁结构同成分牌号的金属粉末，或者为性能高于薄壁结构的金属粉末材料。

进一步地，所述步骤S₃₂中SLM成形的成形参数为：激光功率100-300W，扫描速率500-1500mm/s，光斑直径50-150μm，扫描间距30-100μm，层厚 20-40μm。

步骤S₃₃、SLM成形完后进行仿形加厚板的去应力热处理和热等静压处理；

一般地，其中所述步骤S₃₃中SLM成形完后进行仿形加厚板的去应力热处理，一般热处理制度根据所用材料进行选择，去除内部应力既可。

步骤S₃₄、将仿形加厚板从基板上线切割取下来，去除可能添加的支撑结构，将去支撑面和仿形面打磨，去除毛刺和污渍；

步骤S₃₅、仿形加厚板装夹与薄壁结构的激光成形修复。

以下例举几个具体实施例做进一步的说明，但并非对本发明的限定。

实施例一：

图2为本发明薄壁结构激光成形修复用仿形加厚板及制造方法的实施例一中仿形加厚板的示意图。

如图2所示，仿形加厚板选取为“┐┌”型，即双面仿形水平加厚内部实心结构的仿形加厚板，所述仿形加厚板的设计和制造方法包括：

步骤一、建模：待修复薄壁结构三维扫描，获得三维平面薄壁结构零件模型，通过UG建模软件，截取顶端待修复区域边缘所在平面，作为仿形加厚板的内表面，根据实际修复区结构特征设计仿形加厚板为“┐┌”型(如图2所示)。

步骤二、模型处理：将设计的“┐┌”型仿形加厚板进行模型支撑添加处理、切片处理、路径规划处理。

步骤三、SLM成形：将处理好的“┐┌”型仿形加厚板模型的导入选区激光熔化成形设备中，进行SLM成形，所选粉末材料与薄壁结构同成分牌号的Hastelloy-X合金粉末。

所述SLM成形的成形参数设置为：激光功率300W，扫描速率1100mm/s, 光斑直径100μm，扫描间距50μm，层厚20μm。

步骤四、热处理与热等静压处理：所述SLM成形完后，进行仿形加厚板 1175℃/1h的真空去应力热处理，以及1175℃、105MPa/1h的热等静压处理。

步骤五、去支撑、打磨：将仿形加厚板从基板上线切割取下来，去除支撑结构，将去支撑面和仿形面打磨，去除毛刺和污渍。

实施例二：

图3为本发明薄壁结构激光成形修复用仿形加厚板及制造方法的实施例二中仿形加厚板的示意图。

如图3所示，仿形加厚板选取为“Y”型双面仿形倾斜加厚内部空心结构仿形加厚板，所述仿形加厚板的设计和制造方法包括：

步骤一、建模：待修复薄壁结构三维扫描，获得三维薄壁结构零件模型，通过CAD建模软件，截取待修复区域边缘所在面，作为仿形加厚板的一个表面；

根据实际修复区结构特征可设计仿形加厚板的加厚面与待修复面呈一定夹角，为节省材料和仿形加厚板的制造周期，可做空心设计，即设计仿形加厚板为“Y”型双面仿形倾斜加厚的空心加厚板(如图2所示)。

步骤二、模型处理：将设计的“Y”型仿形加厚板进行模型支撑添加处理、切片处理、路径规划处理。

步骤三、SLM成形：将处理好的“Y”型仿形加厚板模型的导入选区激光熔化成形设备中，进行SLM成形，所选粉末材料与薄壁结构同成分牌号的 Hastelloy-X合金粉末。

所述SLM成形的成形参数设置为：激光功率300W，扫描速率1000mm/s, 光斑直径100μm，扫描间距50μm，层厚40μm。

步骤四、热处理与热等静压处理：SLM成形完后进行仿形加厚板1175℃/1h 的真空去应力热处理，以及1175℃、105MPa/1h的热等静压处理。

步骤五、去支撑、打磨：将仿形加厚板从基板上线切割取下来，去除支撑结构，将去支撑面和仿形面打磨，去除毛刺和污渍。

实施例三：

图4为本发明薄壁结构激光成形修复用仿形加厚板及制造方法的实施例三中仿形加厚板的示意图。

如图4所示，仿形加厚板选取为不规则单面仿形内部网格结构的仿形加厚板，所述仿形加厚板的设计与制造方法包括：

步骤一、建模：待修复薄壁结构三维扫描，获得三维不规则曲面薄壁结构零件模型，通过UG建模软件，截取待修复区域边缘所在曲面，作为仿形加厚板的仿形面，根据修复区结构特征设计仿形加厚板为不规则单面仿形内部网格结构(如图4所示)。

步骤二、模型处理：将设计的不规则单面仿形加厚板进行模型支撑添加处理、切片处理、路径规划处理。

步骤三、SLM成形：将处理好的仿形加厚板模型的导入选区激光熔化成形设备中，进行SLM成形，所选粉末材料与薄壁结构同成分牌号的TC4合金粉末。

所述SLM成形的成形参数设置为：激光功率300W，扫描速率1100mm/s, 光斑直径100μm，扫描间距50μm，层厚20μm。

步骤四、热处理：SLM成形完后进行仿形加厚板540℃/3h真空去应力热处理。

步骤五、去支撑、打磨：将仿形加厚板从基板上线切割取下来，去除支撑结构，将去支撑面和仿形面打磨，去除毛刺和污渍。

根据上述描述，本发明薄壁结构激光成形修复用仿形加厚板及制造方法采用待修复薄壁结构仿形加厚板个性化设计及制造，对待修复区域边缘面进行三维扫描，获得待修复区域表面的三维模型，根据三维模型建模个性化设计仿形加厚板，通过增材制造近净成形仿形加厚板，将仿形加厚板固定在待修复薄壁结构上，进行薄壁结构的仿形加厚激光修复。

综上所述，本发明薄壁结构激光成形修复用仿形加厚板及制造方法具有如下诸多优势：

一、所述薄壁结构激光成形修复用仿形加厚板及制造方法可以根据待修复薄壁结构待修复区的形状特征，进行仿形加厚板的个性化设计，且通过SLM增材制造方法可获得近净成形的仿形加厚板，材料利用率高、周期短；

二、所述薄壁结构激光成形修复用仿形加厚板及制造方法采用仿形加厚板辅助薄壁件的激光成形修复，可修复薄壁厚度较小的零件，避免修复区域边缘塌陷的情况出现，提高薄壁边缘修复质量，提高修复成功率；

三、所述薄壁结构激光成形修复用仿形加厚板及制造方法采用仿形加厚板的设计可保护待修复薄壁结构附近区域不被激光烧蚀损坏；

四、所述薄壁结构激光成形修复用仿形加厚板及制造方法适用于诸如航空发动机压气机、高压涡轮叶片、燃气轮机叶片及整体叶盘叶片的叶尖或叶身等薄壁结构在加工或服役过程中产生的损伤进行修复与再制造，提高修复质量，延长零件使用寿命，具有很高的经济价值。

虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这些仅是举例说明，本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式作出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种用于薄壁结构激光成形修复的仿形加厚板制造方法，其特征在于，所述用于薄壁结构激光成形修复的仿形加厚板制造方法包括以下步骤：

S₁、对待修复薄壁结构的待修复区域边缘面进行三维扫描，获得待修复区域表面的三维模型；

S₂、根据所述三维模型建模个性化设计的仿形加厚板，通过增材制造近净成形所述仿形加厚板；

S₃、将所述仿形加厚板固定在所述待修复薄壁结构上，进行薄壁结构的仿形加厚激光修复；

所述仿形加厚板是指与薄壁结构等待修复件具有一个或多个表面形状相同或相似的表面结构，且具有一定厚度的板。

2.如权利要求1所述的用于薄壁结构激光成形修复的仿形加厚板制造方法，其特征在于，所述步骤S₂具体包括：

S₂₁、通过建模软件，截取待修复区域边缘所在面，作为仿形加厚板的内表面，所述内表面为仿形面；

S₂₂、根据实际修复区结构特征设计仿形加厚板，进行个性设计。

3.如权利要求2所述的用于薄壁结构激光成形修复的仿形加厚板制造方法，其特征在于，所述步骤S₃具体包括：

S₃₁、将设计的仿形加厚板进行模型支撑添加处理、切片处理、路径规划处理；

S₃₂、将处理好的仿形加厚板模型的导入选区激光熔化成形设备中，进行SLM成形；

S₃₃、SLM成形完后进行仿形加厚板的去应力热处理和/或热等静压处理；

S₃₄、将仿形加厚板从基板上线切割取下来，去除可能添加的支撑结构，将去支撑面和仿形面打磨，去除毛刺和污渍；

S₃₅、仿形加厚板装夹与薄壁结构的激光成形修复。

4.如权利要求2所述的用于薄壁结构激光成形修复的仿形加厚板制造方法，其特征在于，所述个性设计包括形状或厚度，所述形状包括镂空。

5.如权利要求2所述的用于薄壁结构激光成形修复的仿形加厚板制造方法，其特征在于，所述步骤S₃₂中所选粉末材料为与薄壁结构同成分牌号的金属粉末，或者为性能高于薄壁结构的金属粉末材料。

6.如权利要求5所述的用于薄壁结构激光成形修复的仿形加厚板制造方法，其特征在于，所述步骤S₃₂中SLM成形的成形参数为：激光功率100-300W，扫描速率500-1500mm/s，光斑直径50-150μm，扫描间距30-100μm，层厚20-40μm。

7.如权利要求2所述的用于薄壁结构激光成形修复的仿形加厚板制造方法，其特征在于，所述步骤S₂₁中待修复区域边缘所在面为平面或曲面。

8.如权利要求1所述的用于薄壁结构激光成形修复的仿形加厚板制造方法，其特征在于，所述仿形加厚板呈双面仿形水平加厚内部实心结构的“┐┌”型、双面仿形倾斜加厚内部空心结构的“Y”型或不规则单面仿形内部网格结构。

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