TC4薄壁件后蓋激光選區熔化技術研究

薛麗媛 周冠男 邵天巍

摘? ?要：該文針對航空發動機后蓋的結構特點、使用工況以及現有工藝技術瓶頸問題，提出了激光選區熔化增材制造工藝方案，并進行了大量的試驗、檢測及驗證工作，開展了Ti6Al4V合金激光選區熔化成形的工藝驗證、組織性能測試及零件尺寸檢測等。研究發現，激光選區熔化成形的后蓋橫、縱向力學性能差別不大，遠高于鑄件要求。貫徹帶有復雜變截面導管結構，實現后蓋的激光選區熔化成形，大幅度提升后蓋制造精度和符合性，解決現有后蓋工藝難度大、合格率低、變形較大等問題。

關鍵詞：增材制造;激光選區熔化;薄壁零件;TC4

中圖分類號：TN249? ? ? 文獻標志碼：A

0 前言

薄壁金屬零件具有重量輕、節約材料和結構緊湊等特點，目前該類零件大多采用鑄造、鍛造或者焊接等傳統工藝制造。然而，由于零件的壁厚薄，在機械加工中極容易發生變形，難以保證零件的加工質量。激光選區熔化（SLM）技術采用激光為熱源，光斑直徑可以達到很小的尺寸，這為薄壁零件的直接成形提供了更加合適的途徑。而且SLM成形的零件具有冶金結合、致密性接近100%的特點，且具有較高尺寸精度和表面粗糙度，該技術幾乎不受限于零件的形狀，適于加工復雜結構特征的中小型零部件。近年來，隨著金屬SLM技術成熟度的提高，采用SLM技術進行航空發動機零部件的成形制造也逐漸受到重視。

某型號航空發動機后蓋零件為TC4材料，外圓直徑為298 mm，內圓直徑為61 mm，該零件為薄壁零件，壁厚為3 mm，邊沿壁厚為4 mm，側壁有直徑為8 mm的流道，零件流道兩端分別為內徑Φ16 mm的圓形流道和14 mm×4 mm扁形流道。由于后蓋蓋體厚度較薄，同時帶有復雜變截面導管結構，使原有鑄造工藝成形困難，尺寸超差，該超差導致后續機加工過程中凸管壁厚單側減薄，影響與其他零件的裝配與焊接。其次，機加工過程中出現較大變形，無法滿足平面度的要求。采用SLM增材制造技術，則可實現帶加強筋錐形蓋體的直接增材制造，從而解決由于后蓋尺寸超差而影響與其他零件的裝配與焊接問題，同時解決鑄件成形困難，合格率低的問題。

1 試驗材料及試驗方法

1.1 試驗材料

采用TC4粉末作為后蓋的SLM成形材料，粉末顆粒呈球形分布，球形度達0.8以上，粉末粒度D10≥18μm，30μm≤D50≤45μm，D90≤53μm，其化學成分符合標準要求。

1.2 試驗方法

建立帶加強筋錐形蓋體的后蓋SLM成形工藝數模，根據后蓋的結構特點，設計輔助支撐結構及余量預留。后蓋及隨艙試棒的成形試驗在EOS M280激光選區熔化成形設備上完成，激光選區熔化成形的工藝參數為層厚30μm，激光功率200 W～300 W，光斑直徑100μm，搭接量0.05μm，掃描速度1 000mm/s～1 200mm/s。保護氣體為體積分數為99. 99%的氬氣，待工作艙內氧氣含量達到0.04%時即可成形，成形過程中不斷充入氬氣，以防止成形過程中TC4合金粉末氧化而影響成形的質量。通過激光掃描粉末，層層累加成形后蓋及隨艙試棒。激光選區熔化成形后的零件連同基板共同進行熱處理，退火溫度為800 ℃±10 ℃，保溫2 h～4 h，充氬氣冷卻。熱處理后去除實體和網格支撐，并進行相應的無損檢測和尺寸檢測，將與零件同時成形的試棒進行相關的性能檢測。

2 結果及分析

2.1 成形工藝分析

為保證后蓋的外圓尺寸，外圓直徑添加2 mm的余量，為保證內圓中心到扁形流道中心的距離，內圓直徑添加余量3 mm。此外，在零件的下部及側面添加實體支撐，實體支撐厚度為5 mm。為抵消后蓋結構在應力作用下產生的變形，采用2個后蓋扣在一起的成形方案，為控制后蓋邊沿的變形，用實體小塊將2個后蓋的邊沿連接起來。后蓋邊沿為配合面，為保證平面度，內外均添加余量。在成形過程中采用箱外篩粉，盡量縮短打印過程中暫停時間，減少零件的錯位。激光選區熔化成形的后蓋如圖1所示，可以看出零件目視無變形現象，并且沒有被拉開的支撐。

2.2 零件化學成分分析

對激光選區熔化成形隨艙試棒進行化學成分檢測，結果表明，激光選區熔化成形后，其化學成分與原TC4合金粉末差別不大。

2.3 力學性能分析

對激光選區熔化成形隨艙試棒進行室溫力學性能測試。將橫、縱向各3組數據求平均值，結果表明，TC4激光選區熔化試樣的各項室溫拉伸性能指標均高于ZTC4性能，其中抗拉強度1 046 MPa和屈服強度995 MPa高于鑄件標準要求的15%和20%以上，斷后延伸率達16.0%和斷面收縮率達50%，分別為鑄件標準要求的310%和500%左右。此外，激光選區熔化成形的試樣橫、縱向力學性能差別不大，各向異性不明顯。

2.4 組織性能分析

對激光選區熔化成形隨艙試棒進行金相檢測，發現縱、橫向組織基本均勻，無裂紋、金屬及非金屬夾雜等缺陷。通過對后蓋進行目視檢測，可以看出后蓋表面無積瘤、毛刺、銳邊、凹坑、條紋等缺陷;并且表面無污染、無目視裂紋﹑孔洞等缺陷。對后蓋進行熒光檢測和X射線檢測，結果表明后蓋表面和內部未發現缺陷。因此，激光選區熔化后蓋零件內部和表面無可檢測到的缺陷，質量穩定。

2.5 尺寸分析

成形結束后測量后蓋外形尺寸，尺寸均在余量范圍內，均滿足設計要求，說明零件余量及工藝參數等設置合理，激光選區熔化成形后蓋工藝可行。

3 結論

激光選區熔化成形后蓋室溫拉伸性能指標均高于ZTC4性能，其中抗拉強度和屈服強度高于鑄件標準要求的15%和20%以上，斷后延伸率和斷面收縮率分別為鑄件標準要求的310%和500%左右。此外，橫、縱向力學性能差別不大，各向異性不明顯。

在TC4合金激光選區熔化成形的金相組織中，縱、橫向組織基本均勻，無裂紋、金屬及非金屬夾雜等缺陷。后蓋零件內部和表面無可檢測到的缺陷，質量穩定。

激光選區熔化工藝適于尺寸相對小、外形復雜、存在內腔或流道結構的零件，TC4激光選區熔化工藝可用于航空發動機后蓋零件的制造，工藝參數合理，性能穩定可靠。

參考文獻

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