TC4薄壁件后盖激光选区熔化技术研究
薛丽媛 周冠男 邵天巍
摘? ?要：该文针对航空发动机后盖的结构特点、使用工况以及现有工艺技术瓶颈问题，提出了激光选区熔化增材制造工艺方案，并进行了大量的试验、检测及验证工作，开展了Ti6Al4V合金激光选区熔化成形的工艺验证、组织性能测试及零件尺寸检测等。研究发现，激光选区熔化成形的后盖横、纵向力学性能差别不大，远高于铸件要求。贯彻带有复杂变截面导管结构，实现后盖的激光选区熔化成形，大幅度提升后盖制造精度和符合性，解决现有后盖工艺难度大、合格率低、变形较大等问题。
关键词：增材制造;激光选区熔化;薄壁零件;TC4
中图分类号：TN249? ? ? 文献标志码：A
0 前言
薄壁金属零件具有重量轻、节约材料和结构紧凑等特点，目前该类零件大多采用铸造、锻造或者焊接等传统工艺制造。然而，由于零件的壁厚薄，在机械加工中极容易发生变形，难以保证零件的加工质量。激光选区熔化（SLM）技术采用激光为热源，光斑直径可以达到很小的尺寸，这为薄壁零件的直接成形提供了更加合适的途径。而且SLM成形的零件具有冶金结合、致密性接近100%的特点，且具有较高尺寸精度和表面粗糙度，該技术几乎不受限于零件的形状，适于加工复杂结构特征的中小型零部件。近年来，随着金属SLM技术成熟度的提高，采用SLM技术进行航空发动机零部件的成形制造也逐渐受到重视。
某型号航空发动机后盖零件为TC4材料，外圆直径为298 mm，内圆直径为61 mm，该零件为薄壁零件，壁厚为3 mm，边沿壁厚为4 mm，侧壁有直径为8 mm的流道，零件流道两端分别为内径Φ16 mm的圆形流道和14 mm×4 mm扁形流道。由于后盖盖体厚度较薄，同时带有复杂变截面导管结构，使原有铸造工艺成形困难，尺寸超差，该超差导致后续机加工过程中凸管壁厚单侧减薄，影响与其他零件的装配与焊接。其次，机加工过程中出现较大变形，无法满足平面度的要求。采用SLM增材制造技术，则可实现带加强筋锥形盖体的直接增材制造，从而解决由于后盖尺寸超差而影响与其他零件的装配与焊接问题，同时解决铸件成形困难，合格率低的问题。
1 试验材料及试验方法
1.1 试验材料
采用TC4粉末作为后盖的SLM成形材料，粉末颗粒呈球形分布，球形度达0.8以上，粉末粒度D10≥18μm，30μm≤D50≤45μm，D90≤53μm，其化学成分符合标准要求。
1.2 试验方法
建立带加强筋锥形盖体的后盖SLM成形工艺数模，根据后盖的结构特点，设计辅助支撑结构及余量预留。后盖及随舱试棒的成形试验在EOS M280激光选区熔化成形设备上完成，激光选区熔化成形的工艺参数为层厚30μm，激光功率200 W～300 W，光斑直径100μm，搭接量0.05μm，扫描速度1 000mm/s～1 200mm/s。保护气体为体积分数为99. 99%的氩气，待工作舱内氧气含量达到0.04%时即可成形，成形过程中不断充入氩气，以防止成形过程中TC4合金粉末氧化而影响成形的质量。通过激光扫描粉末，层层累加成形后盖及随舱试棒。激光选区熔化成形后的零件连同基板共同进行热处理，退火温度为800 ℃±10 ℃，保温2 h～4 h，充氩气冷却。热处理后去除实体和网格支撑，并进行相应的无损检测和尺寸检测，将与零件同时成形的试棒进行相关的性能检测。
2 结果及分析
2.1 成形工艺分析
为保证后盖的外圆尺寸，外圆直径添加2 mm的余量，为保证内圆中心到扁形流道中心的距离，内圆直径添加余量3 mm。此外，在零件的下部及侧面添加实体支撑，实体支撑厚度为5 mm。为抵消后盖结构在应力作用下产生的变形，采用2个后盖扣在一起的成形方案，为控制后盖边沿的变形，用实体小块将2个后盖的边沿连接起来。后盖边沿为配合面，为保证平面度，内外均添加余量。在成形过程中采用箱外筛粉，尽量缩短打印过程中暂停时间，减少零件的错位。激光选区熔化成形的后盖如图1所示，可以看出零件目视无变形现象，并且没有被拉开的支撑。
2.2 零件化学成分分析
对激光选区熔化成形随舱试棒进行化学成分检测，结果表明，激光选区熔化成形后，其化学成分与原TC4合金粉末差别不大。
2.3 力学性能分析
对激光选区熔化成形随舱试棒进行室温力学性能测试。将横、纵向各3组数据求平均值，结果表明，TC4激光选区熔化试样的各项室温拉伸性能指标均高于ZTC4性能，其中抗拉强度1 046 MPa和屈服强度995 MPa高于铸件标准要求的15%和20%以上，断后延伸率达16.0%和断面收缩率达50%，分别为铸件标准要求的310%和500%左右。此外，激光选区熔化成形的试样横、纵向力学性能差别不大，各向异性不明显。
2.4 组织性能分析
对激光选区熔化成形随舱试棒进行金相检测，发现纵、横向组织基本均匀，无裂纹、金属及非金属夹杂等缺陷。通过对后盖进行目视检测，可以看出后盖表面无积瘤、毛刺、锐边、凹坑、条纹等缺陷;并且表面无污染、无目视裂纹﹑孔洞等缺陷。对后盖进行荧光检测和X射线检测，结果表明后盖表面和内部未发现缺陷。因此，激光选区熔化后盖零件内部和表面无可检测到的缺陷，质量稳定。
2.5 尺寸分析
成形结束后测量后盖外形尺寸，尺寸均在余量范围内，均满足设计要求，说明零件余量及工艺参数等设置合理，激光选区熔化成形后盖工艺可行。
3 结论
激光选区熔化成形后盖室温拉伸性能指标均高于ZTC4性能，其中抗拉强度和屈服强度高于铸件标准要求的15%和20%以上，断后延伸率和断面收缩率分别为铸件标准要求的310%和500%左右。此外，横、纵向力学性能差别不大，各向异性不明显。
在TC4合金激光选区熔化成形的金相组织中，纵、横向组织基本均匀，无裂纹、金属及非金属夹杂等缺陷。后盖零件内部和表面无可检测到的缺陷，质量稳定。
激光选区熔化工艺适于尺寸相对小、外形复杂、存在内腔或流道结构的零件，TC4激光选区熔化工艺可用于航空发动机后盖零件的制造，工艺参数合理，性能稳定可靠。
参考文献
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