金屬3D打印制作高溫合金飛行器異形舵軸

來源：中國兵器工業(yè)集團

新一代戰(zhàn)機、無人作戰(zhàn)平臺及航天防務產品服役條件日益苛刻，武器飛行速度逐漸增加，飛行過程中經歷嚴酷的力熱環(huán)境，使其對產品結構設計與制造提出了迫切的輕量化、結構功能化、快速響應、低成本的制造要求。

舵軸產品實物

飛行器高溫合金舵軸整體外形為“L”型轉彎異形結構，由兩段折線型變截面中空結構及中間連接結構三部分組成，零件最大方向尺寸460mm，最大外徑為69mm。傳統(tǒng)工藝將整體舵軸拆分為三段，分別進行機加、焊接、再機加等工序。工序繁瑣、材料利用率低，產品一次合格率低，制造成本居高不下。隨著新一代武器裝備系統(tǒng)的研制，苛刻的服役條件對飛行器結構及性能提出了更高的要求。不僅需要對傳統(tǒng)結構形式、材料選擇與成形工藝總結分析的基礎上進行創(chuàng)新，更需要將材料、結構設計、制造工藝進行高度一體化融合。

增材制造技術是基于離散-堆積原理，綜合計算機圖形處理、數字化信息和控制、機電控制和材料技術，采用材料逐層累加的方法實現零件快速自由成形制造的技術。該技術既可用于產品原型的快速開發(fā)制造，也可直接用于結構復雜、可靠性高的金屬零件的直接制造。激光選區(qū)熔化成形技術是金屬材料增材制造技術的典型代表性技術，近年來，該技術不斷取得突破，發(fā)展尤其迅速，主要用于高溫合金、鈦合金、鋁合金等結構復雜產品生產以及小批量定制生產方面，成本、效率和質量優(yōu)勢突出。高性能金屬結構件激光選區(qū)熔化技術應用已較為成熟，它實現了材料加工領域由“減法”到“加法”的革命性轉變，與傳統(tǒng)的加工制造方法相比具有明顯優(yōu)勢，是極具發(fā)展前景的快速成形技術。

采用激光選區(qū)熔化成形技術替代傳統(tǒng)機加、焊接制造工藝，實現異形舵軸整體結構一體化成形，一方面，激光選區(qū)熔化成形過程屬于快速凝固，合金組織晶粒細化，零件強度和塑性遠遠超過傳統(tǒng)制造工藝。另一方面，快速成形可有效簡化生產工藝，縮短產品生產周期，提高材料利用率，提高生產效率，降低生產成本。

因此，開展異形舵軸整體結構激光選區(qū)熔化成形技術工藝研究，完成異形結構快速成形，對新型號的研制和增材制造技術工程化應用具有重要意義。

技術方案
本方案的目的是提供一種針對飛行器異形舵軸整體快速成形的工藝方法，通過合理工藝支撐結構，實現異形舵軸整體結構的快速成形，解決舵軸分段制造工序復雜、成形困難、合格率低等問題。

實施步驟

制作流程圖

第一步，模型準備
對舵軸三維模型進行處理，三段整體求和，在舵軸長端和短端外型面添加2mm余量，所有內型面添加0 .5mm余量。在舵軸表面四周添加0 .1mm深“U”型基準線，作為精加工畫線基準。根據舵軸結構特點和成形方向，在舵軸長端底部添加實體工藝支撐，實體厚度20mm，在實體中添加多個菱形鏤空支撐，提高成形效率和粉末利用率。

舵軸分段結構圖

第二步，切片文件準備
將處理后的零件模型導入Magics切片軟件，成形平臺選擇EOS M290，將零件擺放于平臺對角線位置，修復模型錯誤，在懸空部位添加塊狀、肋狀、圓柱支撐結構，塊狀支撐分塊大小為6mm×6mm，間距0 .6mm，肋狀支撐厚度0 .3mm ,間隔0 .5mm，圓柱支撐直徑2mm。對零件及支撐進行切片，選擇GH4169成形參數，激光功率為300W，掃描速度為950mm/s，掃描間距為0 .11mm，保存切片文件。

支撐結構圖

第三步，原材料準備
根據成形零件高度準備100公斤GH4169合金粉末 ,對粉末進行進行120℃，2-4小時真空烘干，粉末烘干后使用200目篩網進行粉末篩分。

第四步，基板準備
基板表面進行機械加工，機加后對基板進行吹砂處理，要求基板表面粗糙度和平整度符合使用要求。

第五步，打印設備準備
將切片文件導入EOS M290設備。清理成形平臺、供粉系統(tǒng)及收粉系統(tǒng)。將經過處理的GH4169高溫合金粉末加入供粉系統(tǒng)，用酒精將基板擦拭干凈，安裝基板，將基板四周螺絲擰緊，按照操作規(guī)程調平基板并進行鋪粉測試，打開壓縮空氣和液氬清洗成形腔，至成形腔內氧含量降至0 .1％以下。


第六步，快速成形
準備工作完成后，打開設備成形艙清洗，待成形腔內氧含量降至0 .1％以下，打開循環(huán)風機，風速調節(jié)為4 .8，達到要求后，點擊開始按鈕進行打印。成形過程中每隔60min記錄零件成形高度和零件狀態(tài)等過程參數。


第七步，后處理
打印完成后取出產品，清理零件表面以及支撐內部殘留粉末。

第八步，熱處理
零件取出后，進行固溶+時效熱處理。固溶制度960℃±10℃，保溫2小時，空冷或快冷；時效制度720℃±10℃，保溫8小時，爐冷至620℃，然后620℃±10℃，保溫8小時，空冷。

完成毛坯

第九步，線切割
沿成形基板表面進行線切割，將零件與基板分離，取下零件。

第十步，水切割
利用水切割方法去除零件底部帶有菱形鏤空實體支撐結構。

第十一步，二次后處理
去除零件多余網格和肋狀支撐，打磨零件表面毛刺和缺陷，對零件進行吹砂，清理表面浮塵，去除層間紋路。

第十二步，特檢
對零件進行X光和熒光檢測，確保零件表面及內部無裂紋、空洞及未熔合缺陷。


第十三步，精加工
根據零件設計圖，以舵軸表面四周基準線為基準，對舵軸進行精加工，得到最終產品實物。

金屬3D打印制作異形舵軸整體結構加工方案，充分利用增材制造技術高柔性、快速響應的特點，通過合理工藝支撐結構和擺放位置，實現異形舵軸的一體化成形，零件強度和塑性遠遠超過傳統(tǒng)制造工藝，簡化生產工序，提高生產效率。與傳統(tǒng)制造工藝相比，快速成形單件舵軸產品生產周期縮短50％，材料利用率提高30％，加工成本降低30％，有效保證了某型號飛行器自主研制需求。