空压机螺杆转子快速增材成形工艺及试验分析★

2024-05-27赵佳磊

现代工业经济和信息化 2024年2期

赵佳磊

（西安航空职业技术学院，陕西西安 710089）

0 引言

激光选区熔化（Selective Laser Melting，SLM）是快速增材制造的方式之一，采用激光对金属粉末进行选择区域熔化凝固成形，能够快速成形结构较为复杂的零件[1]，且零件的力学性能较为良好，被广泛应用于航空航天、医学及工业复杂模型等领域[2-3]。

国内外许多学者都对SLM成形复杂零件做过许多研究，国外学者Sun 等人[4]使用Ti6Al4V 粉末对SLM工艺参数进行优化，成形了致密度接近96%的零件。W Xu 等[5]人采用SLM技术对TC4 钛合金进行了试验，发现其整体塑性较好，屈服强度明显高于传统工艺成形。国内学者卢建斌等人[6]对精密金属直接制造进行了研究分析，提出了复杂金属零件设计的工艺，并用试验进行了论证。陈光霞等人[7]采用SLM技术对可摘除的义齿支架进行增材制造，解决了传统加工中不易加工制造的问题。

螺杆转子的出现最早源于20 世纪80 年代，其端面由不同性质曲线组成，在空间上进行螺旋拉伸而成，整体结构较为复杂[8-9]。目前，采用减材制造方式，经过多道工序，工艺较为繁琐冗长，效率较低。因此。本文尝试采用SLM技术进行直接成形，探索其增材制造的途径，以期拓展螺杆转子的加工途径。

1 预成形实验准备

1.1 成形设备及工艺

试验采用的成形设备为铂力特公司研发的BLT-S310 型号，最大可成形250mm×250mm×400mm尺寸零件，工作性能较为稳定，如图1 所示。根据该设备对TC4 粉末材料加工性能，此处采用激光功率为380 W、激光光斑直径100 μm、扫描速度为2 m/s、扫描间距为70 μm 和层厚为60 μm 等工艺参数值为佳。零件成形后，还需对其进行退火处理以减少其内部残余应力。为此，根据GB/T 2965—96 中钛合金热处理热处理工艺，设计如表1 所示工艺参数。

表1 退火工艺实验参数

图1 BLT-S310 设备

1.2 试验材料

试验材料选择为TC4 粉末作为成形材料，TC4 粉末成形后具有良好的综合力学机械性能，可满足螺杆转子的使用性能，其粉末特性如表2 所示。

表2 TC4 钛合金粉末成分

1.3 螺杆转子模型

空压机螺杆转子在空间上为一复杂螺旋结构，如图2 所示，其中，图2-1 为阴转子端面齿形图、图2-2为阳转子端面齿形图，图2-3 为阴转子模型、图2-4为阳转子模型。阳转子节圆直径为74.545 mm，阴转子的节圆直径为89.455 mm，传动比为i=5：6，中心距为82 mm。

图2 螺杆转子阴、阳转子模型

求得螺杆转子的数据点后，由公式（1）求得阴、阳转子的导程分别为312 mm、260 mm，分别建立阴、阳转子的模型，如图2-3、2-4 所示。

式中：T为导程；R为节圆半径；β 为阴、阳转子的螺旋角，取42.001°。

1.4 预成形试验

1.4.1 致密度检测

设计6 个边长尺寸为8 mm 的立方体试样，采用排水法对方形块进行测量，代入公式（2）中可求得SLM技术成形后试样的真实相对密度，取6 组数据的平均值。

式中：m1为试样在干燥环境中测得质量；ρH为水的密度；V为试样的体积；ρr为试样的相对密度；ρ 为试样的理论密度。

1.4.2 尺寸测量

采用千分尺测量加工试样的长、宽和高的尺寸，分别对长、宽和高尺寸不同位置处测量6 组试样数据，分别求取其平均值后，计算试样相对误差，尺寸误差计算公式如下：

式中：La为6 次测量平均值；L0为理论值；δ 为平均相对尺寸误差。

1.4.3 温室拉伸实验

根据金属材料性能测定标准GB/T 228—2002，设计如图3-2 所示拉伸试样对力学性能进行分析。在图3-1 所示万能拉伸机上设置加载速度为1 mm/min。

图3 拉伸设备及试样尺寸（单位：mm）

拉伸试样的屈服极限δb计算公式如下：

式中：Pb为试件试验中最大承重载荷；A0为试件未进行拉伸前的截面面积。

1.4.4 金相组织测试

金相组织测试采用超景深显微VHX-7000 系列设备，如图4 所示。设备观测倍率在20～6 000 倍之间，可轻松对焦，观测试样内部形貌。此处将成形后试样采用线切割方式取下，分别使用800 目、1 200 目、1 500 目及2 000 目砂纸打磨试样表面至无划痕状，再用抛光机研磨至镜状。采用Kroll 试剂（2.5 mL HNO3+1.5 mL HCl+1 mL HF+95 mL H2O）腐蚀15 s 左右，清水冲洗干净，烘干后进行观测。

图4 VHX-7000 型号设备

2 试样预实验结果与分析

将SLM技术成形后未进行热处理的试样称作沉积态，进行退火处理后的试样称作退火态。由于激光在ZOY面上和ZOX面上成形的性能差异极小，故将这两个面统一称作纵截面，将XOY面称作横截面，如图5 所示。

图5 SLM 成形试样

2.1 致密度测试

对于SLM技术增材成形的金属零件，其致密度大小与零件内部组织完整程度成正比，即致密度愈大，零件内部的缺陷愈少。查阅资料可知，Ti-6A1-4V钛合金理论上的密度为4.428 g/cm3，按公式（2）计算求得6 组试样的相对密度。由表3 可知，SLM技术成形的试样平均致密度为96.74%，增材成形的整体质量较为良好。

表3 试件致密度

2.2 成形尺寸精度

实际在激光熔化成形时，金属粉末逐层凝固成形过程会产生一定热变形，导致试样的实际尺寸大于理论设计尺寸。因此，打印零件成形后的尺寸基本均为正误差。采用千分尺对6 个SLM技术增材成形边长为8 mm 的正方体试样（如图6 所示）的尺寸精度进行测量。

图6 精度检测试样

分别测得6 组试样X方向和Y方向的尺寸数据，对6 组数据求取其平均值，如表4 所示。

表4 尺寸精度

Z方向上预设有线切割余量，故不作为测量对象，主要测量X方向和Y方向数值。可知X方向和Y方向的尺寸均超过理论上的误差。其中，X方向尺寸超过设定尺寸的1.23%，Y方向尺寸超过设定尺寸的1.28%，两个方向误差基本保持一致。螺杆转子在进行后期磨床上进行精磨加工时，要求表面余量保证在100 μm 左右，此处测量的尺寸精度符合后期螺杆转子磨削要求。

2.3 退火前后组织变化

SLM技术增材成形TC4 钛合金沉积态试样的横截面显微组织状态如图7-1 所示，其内部主要分布马氏体α、β 两种形态组织。其中，β 组织中含有一定量的细长针状体α′，其生成的主要原因是TC4 钛合金粉末熔化过程中在熔池内部存在一定的温度阶梯差，逐渐生长成为细长的针状组织。显微组织内部整体呈六边形网状组织，相邻组织之间的生长方向差异较大，这是由于激光扫描成形时每层面上扫描路径变换67°且晶粒之间的取向不同[10]。

图7 不同状态下金相组织

850 ℃×4 h 机制退火态下TC4 钛合金的横截面显微组织状态如图7-2 所示，可清晰地观测到试样内部组织整体更加均匀，组织性能得到提升。试样的退火内部为深浅相间的板状马氏体α、浅色α 相、深色β 相，α 相较β 相在退火空冷的时间充分[11]，相对较长、较宽。

2.4 不同成形方力学性能

为探析SLM技术成形试样退火前后力学性能变化、XY方向（水平放置）成形与Z方向（纵向放置）成形上力学性能的差异，设计如图8 所示试样。第一、二行分别为XY方向成形沉积态试样和退火态试样，第三、四行分别为Z方向成形沉积态试样和退火态试样，分别对三组试样进行拉伸测试，并取其平均值。

图8 拉伸试样

由表5 可知，沉积态和退火态试样在XY方向成形和Z方向成形的强度均满足国家锻造标准（895 MPa），XY方向成形的强度整体略高于Z方向成形强度，这是退火处理后内部组织均匀细化，释放一定的残余热应力，使得强度开始下降。

表5 SLM 成形TC4 钛合金拉伸试样性能

沉积态试样在XY方向成形和Z方向成形的伸长率均低于锻造国标值（10%），但Z方向成形的伸长率满足铸造标准。沉积态的试样在Z方向成形和XY方向成形的断面收缩率接近，在8%～10%之间。退火态试样在XY方向成形和Z方向成形的伸长率均满足锻造标准值（10%），且Z方向成形的伸长率整体高于XY方向成形。退火后的试样Z方向成形的断面收缩率低于国家锻造标准，但整体高于XY方向成形约60%，分析原因是Z方向成形过程中内部β 晶体的生长方向与导热方向相反，不易出现断裂现象[12-13]，故整体的韧性相对较好。

3 螺杆转子SLM 成形及效果

3.1 前期处理

3.1.1 模型转换

阴、阳螺杆转子进行增材成形前需对其进行格式转换，增材设备主要以STL 格式为主，转换过程中需要设置转换精度，在UG 软件中设置三角公差为0.008 mm、相邻公差为0.008 mm，此精度成形质量良好，导入增材配套软件中进行缺陷检查、修复及评估，如图9 所示。

图9 模型格式转换

3.1.2 支撑结构设计

由上述拉伸测试实验可知，试样Z方向成形后的整体塑性要强于XY方向，且考虑到若成倾角成形需在齿面添加支撑，易破坏转子齿面，故采用Z方向成形，如图10-1 所示。支撑结构的形式以点、线、柱及块状为主，在保证支撑可靠的前提下，以减少成形材料、简化支撑为主，此处采用实体与块状混合支撑结构，支撑稳固，去除方便，如图10-2 所示。

图10 支撑的添加

3.1.3 扫描策略

零件在增材设备成型仓的XOY面上逐层成形时，激光扫描每层粉末时旋转67°，对工件进行逐层扫描成形。此处扫描策略主要分为面扫描和条带式扫描。面扫描采用激光直接对整个区域进行扫描成形，进行整体成形。条带式扫描将每层面分割成若干个区域，进行逐块成形。面扫描相对条带扫描成形效率较高，但不适用结构较为复杂的零件，易在尖角、转折处形成集中热应力，故综合考虑采用条带式扫描策略。

3.2 螺杆转子成形效果

BLT-S310 设备成形转子时，激光扫描熔化一层粉末后，成型仓下降一层铺粉厚度，如此反复，至转子完全成形，空冷至室温，清理完表面粉末，采用线切割取出螺杆转子。

3.2.1 去支撑及退火处理

SLM技术成形螺杆转子的过程中，采用实体与块状混合支撑的结构，极大地减小了零件的悬空缺陷，能起到固定转子的作用且方便去除。成形完成后取下转子，清理周围多余粉末材料，检查表面是否存在缺陷，无误后手工去除支撑结构，如图11-1 所示。

图11 去支撑及退火处理

支撑结构去除完成后，将阴、阳螺杆转子放置在真空炉中进行850 ℃×4 h 机制退火处理，温度保持在850 ℃±5 ℃左右，设备启动压强设置在3～50 Pa之间，每20 min 记录一次温度。经退火处理后，转子表面质量良好，表面较为平整，并未出现缺陷问题，整体效果如图11-2 所示。

3.2.2 尺寸精度测试

采用蔡司工业测量技术有限公司生产的CONTURA G2 型号三坐标测量仪，对阴、阳螺杆转子的齿面进行尺寸精度检测，如图12 所示。分别在阴转子上取4 549 个数据点、阳螺杆转子上取4 818 个数据点，发现阳转子齿面间的平均尺寸误差在98 μm 左右，阴转子齿面间的平均误差在102 μm 左右，虽不能直接投入使用，但已达到精磨标准，极大地简化了前期工作。