1、小序

现在海内外新兴的金属增材制造手艺打印手艺为新产品的制造带来了革命性的突破，，，，，在很洪流平上改变了古板的头脑方法和固有的研发流程，，，，，实现了重大产品构件设计制造的高质量快速响应。。。。。西欧等天下各国的高度重视金属增材制造手艺快速生长。。。。。尤其对该手艺在航空航天领域的应用开展了大宗研究事情并将这一先进手艺工程化。。。。。美国航空航天局已于2012年底最先打印零件并用于下一代大推力火箭的测试。。。。。2013年8月，，，，，NASA对用3D打印手艺制作出的火箭发念头喷射器举行了乐成测试。。。。。欧洲宇航防务集团立异工厂和欧洲光学学会使用直接金属激光烧结手艺制造的钛零件替换空客A320发念头舱的铸钢铰链支架。。。。。在要害载荷位置优化金属结构安排，，，，，削减了75％的原质料重量。。。。。

金属3D打印也叫金属增材制造。。。。。唬唬；；诟鄣姆椒ú畋，，，，，3D打印手艺主要分为两大类：基于同步送粉激光熔覆手艺生长起来的成型手艺，，，，，本项目接纳的3D打印手艺是现在成形最细密的SLM(细密选区熔化)手艺，，，，，基于快速成形的最基本头脑即逐层熔覆的增材制造方法，，，，，凭证零件的三维模子。。。。。将模子按一定的厚度切片分层，，，，，即将零件的三维形状信息转换成一系列二维轮廓信息，，，，，随后在数控系统的控制下，，，，，用激光通过阵镜控制来熔化金属粉末，，，，，直接成形具有特定几何形状的零件。。。。。成形历程中金属粉末完全熔化，，，，，熔化的粉末制件爆发优异的冶金团结。。。。。由于SLM手艺可直接获得险些恣意形状、具有完全冶金团结、高精度的近乎致密金属零件，，，，，应用规模较量广，，，，，主要是航空航天领域的超轻结构件、机械领域的工具及模具、生物医疗领域等。。。。。它主要特点是：不去除质料的毛坯外貌精度可抵达Ra6.3μm，，，，，与部分机加工方法精度相当；；；；；成形精度高，，，，，可获得0.1mm的立方网格结构体；；；；；由于SLM光斑集中，，，，，成形历程熔池巨细≤0.1mm，，，，，沉积成形体质料内部组织很是细小、匀称，，，，，晶粒尺寸抵达微米级；；；；；致密度险些能抵达100％。。。。。零件机械性能与铸造工艺所得相当，，，，，综合性能优异。。。。。本项目需接纳TC11高温钛合金质料实现航天高精度重大零件SLM增材制造并应用现在在海内还较少，，，，，需举行相关设计制造手艺研究。。。。。

提高产品结构的功率质量比对航天产品意义十分重大。。。。。航天高温钛合金结构件重大的产品制造历程可通过开展基于SLM手艺的设计、制造研究而高效、集约实现。。。。。即首先通过有限元剖析盘算及专业软件实现基于SLM增材制造结构的轻量化、一体化设计：其次通过合理优化的工艺参数和后续热处置惩罚来实现SLM增材制造零件制备；；；；；之后应用手艺研究包括SLM增材制造高温钛合金难加工质料的切削性能研究、SLM增材制造零件的细密机械加工手艺研究、基于SLM手艺产品检测与试验要领研究等实现现实应用。。。。。通过以上研究解决了零件快速成型问题，，，，，减轻零件重量，，，，，改善切削加工性能，，，，，提高产品质量，，，，，缩短生产周期，，，，，知足使用要求。。。。。

2、产品特点

本课题产品事情情形卑劣，，，，，事情工质为约1200℃的高温气体，，，，，外貌事情温度达(400~500)℃，，，，，承载着高达几万转的事情转速的轮系。。。。。为了知足卑劣情形和减重设计要求，，，，，对证料高温性能要求高，，，，，且结构与制造历程重大。。。。。原产品由前壳体A、前壳体B、进气嘴、后壳体、排气管、左、右支架、压板共12个零件组成，，，，，通过铸造、焊接、热处置惩罚、细密机加、组合机加、装配等工艺环节组装成壳体组合件，，，，，主要制造历程见图2。。。。。

产品制造历程中主要保存以下问题：①制造周期长。。。。。产品从备推测产出需六个月时间；；；；；②质料使用率低。。。。。整体质料使用率为21.3％，，，，，质料铺张严重：③焊接难度大。。。。。耐高温钛合金质料焊接需要保唬唬；；，，，，，大厚度关闭焊缝需多层焊接并容易爆发裂纹；；；；；④加工难度大。。。。。涡轮壳体尺寸加工要求高，，，，，但由于多次焊接、热处置惩罚造成壳体变形大，，，，，另外壳体结构重大，，，，，需要较多的工装包管加工尺寸：⑤装配难度大。。。。。涡轮壳体与支架装置处由于焊接变形和无法二次机加，，，，，装配时与涡轮支架装配间隙大，，，，，降低了却构刚度，，，，，易造成装配过约束。。。。。

3、基于SLM增材制造的功效最优一体化、轻量化设计

实现历程首先在于设计基于SLM手艺优先关注功效的实现，，，，，不思量制造工艺。。。。。通过有限元剖析盘算及专业的金属3D打印模子设计、处置惩罚软件实现基于SLM手艺的功效最优一体化、轻量化的设计手艺。。。。。

接纳一体化设计：在知足现有产品性能和接口要求的条件下，，，，，首先对涡轮壳体举行了却构一体化设计，，，，，由原来12个零件缩减至两个零件。。。。。通过仿真盘算，，，，，为壳体的3D打印提供依据。。。。。模子如图3所示。。。。。

轻量化设计：通过专业软件对壳体非主承力部位举行镂空结构处置惩罚，，，，，应用拓扑网状结构，，，，，包管结构体刚度强度的情形下，，，，，包管壁厚稳固及避开装置孑L的情形下，，，，，获得更大的减重效率模子薄壁界线与内部构建中空网格支持形状如图4。。。。。

壳体结构功效优化设计：使用专业的金属3D打印模子设计处置惩罚软件对壳体结构举行功效化结构设计、优化处置惩罚，，，，，使壳体构件越发趋于完全功效化。。。。。如接纳新的结构设计对壳体构件筋条举行处置惩罚。。。。。

4、SLM成形工艺手艺

项目接纳TC11高温钛合金实现壳体制造。。。。。TC11高温钛合金事情温度可达500℃以上，，，，，但成型历程变形与开裂的倾向大。。。。。对产品在激光选区熔化成形历程中会爆发变形的部位，，，，，通过整体支持加固、薄壁加厚、差别辅助支持结构步伐来自由成形产品中的重大结构：经由金属3D打印专用软件的系统运算、模拟比照，，，，，最终确定局部支持形貌。。。。。优化支持结构也解决了钛合金激光选区熔化历程中的变形开裂问题：

SLM增材制造构件内部质量和性能的控制主要是通过合理优化的工艺参数和后续热处置惩罚来实现。。。。。

1)装备：接纳EOS M280型选择性激光熔化装备。。。。。400W光纤激光器，，，，，最大零件成形尺寸为250mm×250mm×300mm，，，，，成形历程中通过惰性气体对成形零件举行保唬唬；；ぁ。。。。

2)基材：钛合金板

3)激光选区熔化代码天生：在激光选区熔化之前确定成形件的三维模子。。。。。然后通过Magics软件对模子举行处置惩罚，，，，，最终天生支持。。。。。然后将处置惩罚好的模子Rp—Tools切片分层天生程序文件，，，，，最终天生数控代码。。。。。

4)激光选区熔化工艺参数及生产历程：通过合理的工艺试验验证，，，，，严酷控制成形工艺历程，，，，，确保激光功率、扫描速率、扫描路径、气氛控制等工艺参数的合理性。。。。。

5)激光选区熔化壳体的热处置惩罚：凭证新的成形要领对古板标准热处置惩罚工艺举行调解，，，，，建设与SLM增材制造工艺及TC11高温钛合金相匹配的热处置惩罚制度(双退火)，，，，，改善质料内部组织和剩余应力状态。。。。。调解零件性能。。。。。

5、SLM增材制造高温钛合金零件切削性能研究

5.1 SLM增材制造高温钛合金质料切削性能研究

SLM增材制造的TC11耐高温钛合金质料为新型难加工质料。。。。。具有高温强度、硬度高，，，，，热导率低，，，，，细亲近削加工历程中切削温度高，，，，，加工变形大，，，，，刀具易磨损的难加工特点。。。。。选择种种切削刀具。。。。。针对SLM增材制造耐高温钛合金质料车削、铣削、磨削细亲近削加工历程开展切削性能研究。。。。。研究SLM增材制造高温钛合金质料切削历程中的与切削参数以及刀具和切削参数之间的关系，，，，，掌握质料切削性能。。。。。将切削性能研究效果举行现实应用，，，，，增进高效率、高精度、高性能SLM增材制造手艺的应用，，，，，参数选择见图8。。。。。

5.2 SLM增材制造零件的细密机械加工手艺研究

1)工艺流程设计：整体设计的零件重大，，，，，空间交汇点多，，，，，需知足众多要害手艺要求。。。。。精度要求达微米级。。。。。团结SLM重大壳体的特点举行工艺流程设计：接纳多轴加工中心，，，，，细密车床、细密磨床多种装备充分团结，，，，，制订多种要害工序控制点团结的工艺流程。。。。。使用加工中心事情台旋转功效和原点转换功效一次加工多个关联的基准，，，，，并接纳试切法调解零偏，，，，，为后续所有加工提供加工基准；；；；；同时针对SLM增材制造涡轮壳体的变形问题提出平衡装夹力、增添辅助支持、调解加工参数等工艺战略，，，，，解决重大结构细密加工难点，，，，，知足基于SLM增材制造涡轮壳体的微米级尺寸精度及众多要害手艺要求。。。。。细密加工历程见图9。。。。。

2)切削工艺的选择及切削参数的优化：针对SLM新型难加工质料切削历程爆发振动及形成较差的切削条件的特点。。。。。运用防振刀杆、改制螺纹铣刀等刀具形式，，，，，同时将切削性能研究效果举行现实应用，，，，，针对切削加工的主要因素如切削速率、进给速率、切削水一律，，，，，举行切削工艺试验举行切削参数的优化，，，，，包管精度指标。。。。。解决深盲孔加工、小螺纹孔加工、高精度偏心孔的数控加工等加工难题，，，，，为零件实现SLM增材制造提供应用手艺包管。。。。。

6、基于SLM手艺产品检测与试验要领研究

为了检测产品性能知足性。。。。？？？？？沽肆慵三维扫描丈量、化学因素和组织剖析、高温顺室温力学性能检测、无损探伤等检测。。。。。并凭证产品使用要求开展地面载荷试验。。。。。

1)三维扫描丈量手艺实现产品的快速、可视化尺寸及形位质量检测

2)SLM增材制造高温钛合金质料的因素及理化性能检测和评判标准研究。。。。。为新质料应用可行性提供基础数据化学因素和组织剖析通过产品同炉试块剖析，，，，，因素检测内容包括：Ti、Al、Si、Zr、Mo、C、H、O、N等；；；；；高温顺室温力学性能检测包括抗拉强度、划定非比例延伸强度、断后伸长率、断面缩短率等室温力学性能检测，，，，，500℃高温力学性能检测；；；；；着色渗透荧光检测和x光探伤主要检测壳体成形后的外貌质量和内部裂纹等缺陷。。。。。

3)地面试验审核气密试验审核产品团结面密封可靠度的试验，，，，，对产品充气0.6MPa。。。。。坚持5min，，，，，不允许有压降。。。。。试验知足设计指标。。。。。

凭证手艺要求，，，，，产品在额定负载和半负载下举行冷气试验，，，，，审核产品在冷状态下与其它零部件的匹配性以及功效知足性。。。。。冷气负载试验效果批注性能知足设计指标。。。。。

7、结论

接纳了基于SLM的金属增材制造手艺实现了却构重漂后高、事情情形苛刻、可靠性要求高的航天要害零件的3D打印与细密加工。。。。。突破了基于SLM手艺的功效最优一体化、轻量化的设计手艺，，，，，应用拓扑网状结构，，，，，在坚持结构强度和刚度基本稳固的条件下，，，，，减轻了零件的结构质量10％左右，，，，，零件生产周期相关于古板制造工艺缩短50％以上，，，，，质料使用率由21.3％提高到抵达85％以上：突破了基于SLM手艺耐高温钛合金TC11增材制造手艺应用研究，，，，，质料性能抵达质料手册提供的物理性能指标，，，，，零件尺寸精度抵达±0.1mm、外貌粗糙度小于Ra6.3μm，，，，，处于海内领先水平；；；；；突破了细密加工及三维检测手艺，，，，，实现了重大零件空间尺寸的三维在线检测，，，，，大大提升了检测效率。。。。。产品通过了地面冷气试验审核验证。。。。。

该项目为航天产品快速制造平台构建提供了手艺支持，，，，，提供了一种高效、集约的新型设计制造方法，，，，，对提高产品性能、提高质料使用率、降低研制周期、节约生产装配本钱具有主要意义。。。。。

参考文献：

[1]王运赣.三维打印自由成形[M].北京：机械工业出书社，，，，，2012.

[2]任敬心.难加工质料磨削手艺[M].北京：电子工业出书社，，，，，2011.

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