螺桿轉子激光選區熔化成型試驗分析

趙佳磊,李志峰,劉安林

1西安航空職業技術學院航空材料工程學院;2陜西理工大學

1 引言

激光選區熔化(Selective Laser Melting,SLM)起源于上世紀90年代,其原理是采用激光將金屬粉末層熔化并逐層累積成型零件過程。該技術在成型復雜零件方面周期較短、性能好且極大節省材料,主要應用在復雜結構模型、航空關鍵零件及工業生產[1]。

我國在增材制造成型復雜零件中已有許多研究,楊永強等[2]利用SLM技術對金屬材料的力學性能進行分析,成功成型了牙冠、托槽和股骨假體等結構復雜的模型;蔡小葉等[3]對打印成型試樣的金相組織、力學性能做了驗證,并成型了飛機進氣口格柵;門正興等[4]利用SLM技術對薄壁類零件進行試制,并對其性能進行了測試;陳光霞等[5]針對傳統減材制造方法的缺點,利用SLM技術成功增材制造出牙齒架模型;蘇旭彬等[6]在SLM技術中引入免裝配概念,成功實現機構之間無須裝配的機構模型。

螺桿轉子在三維空間呈螺旋結構,目前其生產制造采用減材制造,需經過多道工序,效率較低。因此,本文嘗試采用激光選區熔化技術成型螺桿轉子,旨在探究其快速增材成型方式,以尋求另一種螺桿轉子的生成方法。

2 激光選區成型試驗方案

目前螺桿轉子的增材成型方式還未出現具體研究內容,本文對螺桿轉子的增材成型試驗屬于探索性研究,因此必須建立合理的技術流程方案以保證試驗正常進行。此處針對螺桿轉子設計的主要內容包括螺桿轉子成型前的設備、材料選擇、成型工藝、預試驗分析及轉子的前期數據處理,技術設計路線如圖1所示。

圖1 技術路線

3 成型試驗準備

3.1 設備及成型材料

采用鉑力特公司生產的BLT-S310金屬打印機,如圖2a所示,該設備在增材成型應用較為廣泛,最大可成型尺寸250mm×250mm×400mm工件,其內部結構如圖2b所示。成型前的設備準備工作為:①篩選金屬粉末,保證顆粒直徑為20～40μm,烘干后80℃下保溫1h;②成型倉基板需要預熱至170℃;③通入氬氣作為保護氣;④將模型信息導入設備。

(a)設備外形

該設備可適應TC4、鋁合金以及鈷鉻合金等多種金屬粉末,其中TC4與鈷鉻合金粉末的成型性能較好,而鈷鉻合金粉末主要應用于醫學方面。綜合考慮,以TC4鈦合金粉末作為成型材料,TC4粉末具有良好的力學性能,可滿足螺桿轉子性能,成分如表1所示。

表1 TC4鈦合金粉末成分 (wt.%)

3.2 成型模型

利用MATLAB軟件求得螺桿轉子陰、陽齒形數據,如圖3a和圖3b所示,其中陽轉子節圓直徑為74.545mm,陰轉子節圓直徑為89.455mm,其傳動比i=5：6。

(a)陰轉子齒形

求得螺桿轉子的數據點后,由式(1)求得陰、陽轉子的導程分別為312mm,260mm,在UG軟件中分別建立如圖3c和圖3d所示陰、陽轉子的模型。

導程的計算式為

T=2πRcotβ

(1)

式中,T為導程;R為節圓半徑;β為陰、陽轉子的螺旋角,取42.001°。

3.3 轉子的模型放置及支撐

Magics是與BLT-S310設備配套的前處理軟件,在Magics軟件中對轉子模型進行修復檢查—擺放定位—設計支撐—切片輸出,將數據傳入BLT-S310設備中進行SLM成型?？紤]到銳角成型會使其齒面的力學性能存在差異,故選擇垂直方向成型,如圖4a所示。

(a)轉子的支撐

設置轉子支撐時,有點、線、柱狀等幾種支撐形式:點支撐接觸面積較少,線支撐主要適用于薄面零件,但兩者均不適用承載較重零件;柱狀支撐較前兩者承重更優,但接觸面積多。綜合考慮,采用實體與柱狀混合支撐,支撐設置在螺旋端面下方,其支撐截面如圖4b所示。

3.4 成型工藝及退火流程

根據BLT-S310設備參數性能采用以下參數:激光功率為380W,掃描速度為2m/s,掃描間距為70μm,層厚為60μm;掃描路徑為每層之間旋轉67°,采用面掃描策略。退火工藝主要根據GB/T2965—1996鈦合金熱處理工藝設計,入爐溫度不超過250℃,升溫速度300℃/h,在800℃下保溫4h,爐冷至室溫后取出。

4 轉子SLM成型后的問題分析

試驗中,首次成型的陽轉子經退火處理后,在凸齒尖端過渡處出現裂紋,而陰轉子并未出現裂紋。查詢文獻[7,8]得知其原因是,陽轉子在成型過程中采用面掃描策略,每層成型面之間散熱較緩,內部殘余熱應力易集中在尖角處。此處殘余應力主要是指在SLM成型過程中,因溫度變化較大存在的一種不平衡力,撤掉外界干涉后仍殘留在轉子內部的應力,其原理如圖5b所示。因此,為排除其他因素的干擾,需綜合分析其直接影響因素(粉末材料、設備、轉子結構以及成型掃描策略等)進行討論分析。

(a)陽轉子裂紋 (b)殘余應力成型機理[9]

4.1 粉末檢測分析

粉末檢查主要是防止粉末材料出現混粉,導致零件內部不能完全融化,或缺粉導致零件的致密度過差,從而在退火過程中出現裂紋。因此,需要對出現裂紋的陽轉子進行取樣,并檢測試樣的重要組成成分。采用電感耦合等離子體(Inductively Coupled Plasma,ICP)法進行檢測,這是一種利用高頻電感耦合產生等離子體放電的光源對原子發射光譜分析的方法。對轉子裂紋處檢測未發現異常情況,檢測結果如表2所示,Al,V,Fe含量等均符合標準。

表2 TC4粉末ICP檢測 (%)

4.2 設備及隨爐檢測

在零件成型過程中需要保證設備良好的密閉性,否則空氣中其他成分容易進入設備內部參與成型,尤其是氧氣。SLM成型過程中對氧含量的要求極度苛刻,氧含量需≤100×10-6,即氧氣含量小于萬分之一,否則在打印過程中會發生嚴重氧化現象,導致零件內部組織的成型質量較差。對設備氣密性進行復查,結果顯示一切正常。同時對出現裂紋的陽轉子取樣,分析其內部進行氣孔,如圖6所示,并未出現明顯氣孔,符合要求。

(a)橫向

4.3 轉子的結構分析

螺桿轉子在空間中呈螺旋結構,其端面由若干特性曲線首尾相連而成,陽轉子端面在曲線交匯處易形成尖角,因此為驗證是否易在陽轉子齒頂轉角處發生陽轉子結構熱變形,本文從另一個角度對轉子結構的受熱變形進行分析,即利用ANSYS軟件對其某一工況穩態溫度下的熱變形位置進行分析。

設材料的熱膨脹系數為9.2×10-6/℃,比熱容為5.8×108mJ/(t·℃),熱傳導率為7.2mW/(mm·℃)。具體理論和操作過程如下。

(1)熱控制方程

由熱力學第一定理可知,穩態狀態下密閉空間中進出的熱量相等。假設螺桿轉子材料各向同性,其工作時溫度、熱對流系數等為穩態狀況,則其內部熱源的控制方程為

式中,T為轉子內部各點單元溫度。

(2)對流換熱系數

螺桿轉子工作段與其內部流體存在對流換熱現象,其對流換熱系數為

式中,Re為常量參數,具體表達式為Re=vhm/μ,其中,v表示為螺桿轉子工作中線速度,hm為螺桿有效工作長度,μ為潤滑介質的黏結度;Pr為內部流體的普朗特常量,具體表達式為Pr=vρCp/K0,ρ為傳輸介質的含量,Cp為傳輸介質的比熱容系數;K0為傳送媒介的變化溫度。

(3)熱邊界條件約束條件

查詢文獻[10],對螺桿轉子分別添加第一類熱邊界條件和第三類邊界條件:第一類熱邊界條件主要為螺桿轉子邊界處的溫度變化規律,加載在轉子的工作端面;第三類邊界條件主要為轉子和流體之間的熱交換,主要加載在轉子有效工作表面,約束條件為進氣軸端只能軸向轉動和軸向移動,排氣端只能軸向轉動,限制其他自由度。

在ANSYS軟件中分析陽轉子結構的穩態溫度場,如圖7所示,陽轉子在穩態傳熱中X方向和Y方向的最大熱形變極易發生在轉子的齒形頂部,與其出現裂紋的位置相符,從側面反映出陽轉子的凸齒頂端轉角處最易產生形變。

(a)X方向

4.4 成型策略分析

由文獻[9]可知,產生裂紋的主要因素是掃描策略。本試驗最初采用面掃描策略,激光可直接對整個區域進行掃描成型(見圖8a);而條帶式掃描則是將整體分割成若干條帶區域,對其分別掃描成型(見圖8b)。綜合分析可知,掃描策略對熱應力影響較大,在SLM成型時不同掃描策略會對零件內部的熱應力產生不同影響,需對兩種掃描策略進行分析。

(a)面掃描

相對圖9a所示面掃描方式,在圖9b所示條帶式掃描方式下的β相組織分布更加均勻、粗大且內部較廣,這是由于條帶式掃描相鄰條狀之間溫度相差較小,冷卻速度相對面掃描方式較緩慢,有利于β相組織的生長,因此β相組織更粗大,具有較好的韌性,不易發生開裂。

(a)面掃描方式

將面掃描更換為條帶式掃描,相對于面掃描策略,可極大減小熱應力集中。更換掃描策略后,陰、陽轉子表面良好,進行熱處理后不再發生裂紋現象,同時也證明了條帶式掃描策略可有效減小成型過程熱應力集中現象,如圖10所示。

(a)去除支撐

5 討論與分析

SLM成型后未經熱處理的試樣稱作沉積態,經退火處理的試樣稱作退火態。實際成型過程中激光掃描成型粉末時,每層都會旋轉一定的角度,但在ZY方向和ZX方向上差異較小,將這兩個方向形成的面統一稱作縱截面,將XY截面稱作橫截面,沉積方向為Z方向,如圖11所示。

圖11 SLM成型試樣

5.1 金相組織分析

為分析轉子退火前后內部組織形態,對相同條件下的成型試樣及其組織成分進行分析。如圖12a所示,可清晰觀測到沉積態內部主要分布有馬氏體α、β相兩種組織,其中β相存在一定量細長條狀的α′相,主要是由于熔池內部溫差較大形成的;組織形態呈六邊網狀且晶體生長方向不一致,主要是由于每層激光掃描成形時的路徑方向改變67°引起。如圖12b所示,可知試樣退火態的組織相對于沉積態組織更加均勻,內部組織得到有效改善;組織結構主要為板狀α相和條狀β相,其中α相較β相顏色更深、更寬,主要原因是α相的退火空冷時間充分。

(a)沉積態

5.2 硬度分析

轉子工作過程的轉速較高,對其耐磨性有一定要求,而硬度正是衡量轉子耐磨性的重要指標,因此有必要對硬度變化進行分析。圖13a為相同條件成型的4個8mm×8mm試樣,將試樣表面打磨至鏡狀,在表面隨機選擇三個點并取均值。由圖13b的測試結果可以得知,沉積態下橫截面的平均硬度為374.8HV,縱截面的平均硬度為387.1HV,退火后橫截面的平均硬度為363.4HV,縱截面的平均硬度為374.6HV,可見滿足標準鈦合金的硬度范圍(340～395HV)。退火處理后橫截面的平均硬度值下降約3.14%,縱截面的平均硬度值下降約3.22%,這是由于退火后應力消除,晶粒結構改善,使硬度稍有下降。

(a)測試試樣

5.3 尺寸精度檢測

采用CONTURA G2三坐標測量儀快速掃描零件輪廓,其測量范圍為700mm×1000mm×600mm,此處采用粗差值為0.25mm,探頭直徑為1.5mm,具體流程為清理轉子—裝夾固定—坐標定位—程序設定—測試。對陰轉子表面采樣4549個數據點,對陽轉子表面采樣4818個數據點,測試的誤差結果如表3所示,陰、陽轉子的平均誤差保持在0.1mm左右。而實際螺桿轉子在達到0.3mm左右即可進入精磨階段,因此經SLM技術成型的轉子加工余量在磨削范圍內,可進行精加工,極大減少了前期的加工工序。

6 結語

采用SLM技術嘗試以金屬增材的方式成型螺桿轉子,以探索其快速成型方法,對成型過程中產生的問題進行分析,為后續研究螺桿轉子的增材成型提供了借鑒。

(1)螺桿轉子在增材成型退火處理后,殘余熱應力易在尖角過渡處集中,同時通過有限元手段對其進行了驗證,比較分析兩種掃描策略后發現,條帶式掃描策略可有效減小成型過程熱應力集中現象,最終成功成型螺桿轉子。

(2)經850℃×4h的退火處理后,試樣的金相顯微組織多為長條狀的α相和β相兩種組織結構,退火后內部顯微組織明顯得到改善,更加均勻化。

(3)SLM成型螺桿轉子后的尺寸偏差為0.1mm,可進入精磨階段,極大減少了減材制造工序并節約了材料。