增材制造預(yù)旋噴嘴表面高質(zhì)量光整技術(shù)研究

劉維偉, 呂謙, 雷力明, 侯彥昊, 石磊

(1.西北工業(yè)大學(xué) 機(jī)電學(xué)院, 陜西 西安 710072; 2.中國航發(fā)上海商用航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造有限責(zé)任公司, 上海 200241)

預(yù)旋噴嘴是航空發(fā)動(dòng)機(jī)預(yù)旋系統(tǒng)的核心部件，也是預(yù)旋系統(tǒng)內(nèi)產(chǎn)生溫降的唯一部件,可使到達(dá)渦輪盤冷卻空氣的相對(duì)總溫降低70～100 K，在接近材料耐溫極限時(shí)，渦輪葉片工作溫度每降低15 K，渦輪葉片的使用壽命可以提高一倍[1-2]。

預(yù)旋噴嘴為整體結(jié)構(gòu)，具有薄壁、內(nèi)流道、變截面、小葉片等特征，內(nèi)部空間狹小、加工可達(dá)性差，傳統(tǒng)工藝下制造難度較大。增材制造技術(shù)采用粉末逐層堆疊成型，成型過程不受零件復(fù)雜程度影響[3]，是新型預(yù)旋噴嘴成型的重點(diǎn)發(fā)展方向。但粘粉、球化、階梯效應(yīng)的存在導(dǎo)致成型件表面質(zhì)量較差，降低航空發(fā)動(dòng)機(jī)安全系數(shù)。因此增材制造成型件須進(jìn)行光整處理方可投入使用[4]。

磨粒流拋光中磨料可隨形流動(dòng)，在壓力作用下反復(fù)通過待加工表面，實(shí)現(xiàn)表面的微切削，完成光整。國內(nèi)尚未建立完整的拋光技術(shù)體系，使得磨粒流對(duì)航空航天領(lǐng)域的增材制造復(fù)雜構(gòu)件的光整處于應(yīng)用的初級(jí)階段[5]。

因此，本文主要開展增材制造預(yù)旋噴嘴高質(zhì)量表面光整技術(shù)研究，對(duì)推動(dòng)增材制造預(yù)旋噴嘴在航空發(fā)動(dòng)機(jī)上的工程化應(yīng)用具有重要意義。

1 預(yù)旋噴嘴磨粒流加工數(shù)值仿真分析

1.1 壓力場(chǎng)分析

計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)是利用數(shù)值計(jì)算來分析流體力學(xué)問題的一種工具，其核心求解器是fluent軟件，fluent是目前國內(nèi)使用最多的商業(yè)軟件之一，用戶群廣泛。由于磨料屬于不可壓縮流體，故仿真選擇穩(wěn)態(tài)壓力求解器，加工過程為復(fù)雜湍流運(yùn)動(dòng)，計(jì)算模型設(shè)置為湍流模型[6]，湍流模型為k-w模型。在湍流狀態(tài)下，大量的磨粒在流體介質(zhì)的推動(dòng)下進(jìn)行無序運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)工件表面的微力微量切削，因此選擇為多相流模型[7]，主相為二甲基硅油，次相為碳化硅顆粒。壁面邊界條件設(shè)置為無滑移壁面邊界。計(jì)算壁面函數(shù)為Standard Wall Functions[8]。

模型設(shè)置如表1所示。

表1 多相流模型設(shè)置

本仿真模型設(shè)置了5種磨料，如表2所示。

表2 磨料參數(shù)設(shè)置

圖1為進(jìn)口壓力是6,8,12 MPa、出口壓力為大氣壓、采用3#磨料拋光時(shí)流體在預(yù)旋噴嘴內(nèi)腔內(nèi)環(huán)區(qū)域流動(dòng)靜壓分布圖。

圖1 不同進(jìn)口壓力下內(nèi)環(huán)靜壓分布圖

由圖1可知，隨著磨料流動(dòng)，靜壓有小幅降低。磨料流經(jīng)葉片進(jìn)氣邊時(shí)，葉背側(cè)壓力降幅明顯，在截面積最小時(shí)，靜壓變化最為劇烈，之后變化平緩，直至出口。葉盆側(cè)靜壓的變化趨勢(shì)與葉背側(cè)相似，但波動(dòng)主要發(fā)生在葉片排氣邊的上游。產(chǎn)生上述變化趨勢(shì)的主要原因在于進(jìn)出口截面積相差懸殊，磨料在入口處流動(dòng)速度較慢，動(dòng)能轉(zhuǎn)換為壓力能，磨料靜壓值較高[8]，由于內(nèi)腔截面積減幅較小，故靜壓值變化較小。當(dāng)磨料流過進(jìn)氣邊時(shí)，葉背側(cè)截面積變化較為明顯，靜壓也呈現(xiàn)出規(guī)律性遞減，達(dá)到最小截面積后趨于平穩(wěn)。

保持進(jìn)口壓力不變，改變磨粒粒徑和磨料濃度，內(nèi)環(huán)靜壓分布趨勢(shì)相同。進(jìn)口壓力8 MPa，采用2#磨料，入口處壓力為7 995 664 Pa,葉片位置平均靜壓力為3 992 961 Pa；進(jìn)口壓力8 MPa、采用4#磨料，入口處壓力為7 995 786 Pa，葉片位置平均壓力為4 008 931 Pa。由此可知，零件內(nèi)腔靜壓力的分布主要取決于進(jìn)口壓力，降低磨料濃度，增大磨粒粒徑，葉片所在區(qū)域靜壓力略有提升[9]。對(duì)比不同工況可發(fā)現(xiàn)，進(jìn)口壓力的一半幾乎都作用于葉片位置，所以葉片位置切削量較大，容易產(chǎn)生過拋現(xiàn)象。

1.2 速度場(chǎng)分析

圖2為當(dāng)進(jìn)口壓力為8 MPa，磨粒目數(shù)為460，磨料濃度分別為80%,70%,60%時(shí)3種磨料在預(yù)旋噴嘴內(nèi)腔流動(dòng)中的速度分布圖。

圖2 不同濃度下磨料速度分布圖

改變工況，磨料流速分布規(guī)律大致相同，但最大流速不同。降低磨料濃度，單位體積磨粒數(shù)目減少，磨料流速提升，磨粒運(yùn)動(dòng)范圍變大，流動(dòng)性、湍流效應(yīng)增強(qiáng)。故生產(chǎn)中可適當(dāng)減小磨料濃度。但濃度過低時(shí)則單位體積內(nèi)磨粒數(shù)量少，參與切削的磨粒數(shù)目少，加工效率較低，拋光效果較差。進(jìn)口壓力8 MPa、采用1#磨料，入口、出口處速度均降低，說明減小磨粒目數(shù)，相應(yīng)磨粒粒徑增大，在磨料濃度較高時(shí)，單顆磨粒流動(dòng)范圍變小，磨料流動(dòng)性變差，導(dǎo)致磨料流速降低[10]。

1.3 剪切力分析

剪切力可直觀反映磨粒流對(duì)預(yù)旋噴嘴內(nèi)腔的拋光效果，圖3為不同工況下預(yù)旋噴嘴內(nèi)腔剪切力分布云圖。

圖3 不同磨粒目數(shù)下剪切力分布圖

分析可知，增加進(jìn)口壓力可有效提升材料去除率，但在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)避免加工壓力過大帶來的工件變形以及過拋的問題。設(shè)置進(jìn)口壓力為8 MPa，磨料濃度80%，磨粒粒徑分別為170,270,460目，葉片剪切力分別為18 895,19 334以及19 478 Pa。可見隨著磨粒直徑減小，剪切力略有增大。分析可知，磨料濃度過高且粒徑過大時(shí)，磨料流動(dòng)性降低，拋光效果差。保持進(jìn)口壓力不變，磨粒粒徑為460目，磨料濃度為80%,70%,60%時(shí)，葉片位置的平均剪切力分別為19 478,21 484,23 255 Pa?？梢婋S著磨料濃度降低，葉片位置剪切力逐漸增加，其原因在于低濃度磨料流動(dòng)性強(qiáng)，湍流更加充分，磨粒可積蓄更大動(dòng)能完成切削[11]。

2 試驗(yàn)裝置與試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本文通過選區(qū)激光熔化技術(shù)成型預(yù)旋噴嘴典型結(jié)構(gòu)試驗(yàn)件，所選用設(shè)備為德國的EOS M280設(shè)備。成型材料為美國Carpenter生產(chǎn)的In718粉末，成分如表3所示，粒度范圍15～53 μm。

表3 粉末成分表

選區(qū)激光熔化技術(shù)工藝參數(shù)設(shè)置如表4所示。

表4 成型參數(shù)表

采用上述工藝參數(shù)，成型6組試驗(yàn)件，一組用于分析增材制造預(yù)旋噴嘴的成型質(zhì)量，其余5組用于探究磨粒流工藝對(duì)增材制造預(yù)旋噴嘴的拋光效果。

試驗(yàn)件拋光前后內(nèi)腔表面形貌的觀測(cè)采用奧地利Alicona Infinitefocus G4三維表面測(cè)量儀；拋光后表面粗糙度的測(cè)量采用德國馬爾MarSurf XR 20粗糙度測(cè)量儀；形變量的測(cè)量采用德國的博爾科曼高精度三維掃描儀。

試驗(yàn)選擇碳化硅高分子彈性軟磨料，該磨料主要由碳化硅、二甲基硅油組成，為提高流動(dòng)性以及兼容性還增加潤滑油、軟化劑等添加劑，具有柔韌性高、粘附力大、穩(wěn)定性高等特點(diǎn)[12]。試驗(yàn)選用了3種磨料，分別為磨粒粒徑300,360,450目，濃度均為80%。拋光采用西安斯曼克磨粒流精密機(jī)械有限公司SMKSXA-B600E磨粒流拋光機(jī)。

工裝直接決定拋光效果，試驗(yàn)所用工裝主要包括起密封、引流作用的夾具體(見圖4)和2個(gè)提升拋光性能的功能模塊，即型芯結(jié)構(gòu)與葉片導(dǎo)流裝置。

如圖5所示，型芯的發(fā)明實(shí)現(xiàn)了預(yù)旋噴嘴內(nèi)腔流場(chǎng)分布的均勻性控制，解決了截面積較大一側(cè) “欠拋”，截面積較小一側(cè)“過拋”的問題，同時(shí)避免壓力集中作用于葉片上，防止葉片進(jìn)排氣邊等邊緣結(jié)構(gòu)被破壞，有效地提升了拋光一致性。

導(dǎo)流模塊的上側(cè)為預(yù)旋噴嘴葉片的仿形結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)與葉片形成圓滑過渡，使得磨料以切線方向流入零件，避免磨料對(duì)葉片排氣邊的直接沖擊。導(dǎo)流模塊的下側(cè)為長方體，長方體部分縱向分布2個(gè)銷孔，用于導(dǎo)流的固定。優(yōu)化銷孔的位置可以改變導(dǎo)流與預(yù)旋噴嘴葉片排氣邊之間的距離，導(dǎo)流與導(dǎo)流之間構(gòu)成了磨料的通道，使磨料在完整通過每個(gè)葉片時(shí)截面積不發(fā)生突變，磨料始終處于穩(wěn)定的流動(dòng)狀態(tài)，增強(qiáng)葉片葉背側(cè)拋光均勻性。

圖4 夾具實(shí)物圖 圖5 型芯實(shí)物圖 圖6 導(dǎo)流實(shí)物圖

研究選擇正交試驗(yàn)，研究磨粒粒徑、加工壓力、加工時(shí)間這3個(gè)影響因素，設(shè)計(jì)三因素三水平正交試驗(yàn)，正交編碼如表5所示。

表5 三因素三水平正交試驗(yàn)參數(shù)組合表

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

試驗(yàn)件典型缺陷形貌如圖7所示。表面存在大量粘粉現(xiàn)象，增加放大倍數(shù)，可發(fā)現(xiàn)零件表面出現(xiàn)不

圖7 典型缺陷形貌

同情況的球化現(xiàn)象。圖7b)所示為葉片附近區(qū)域，該區(qū)域出現(xiàn)大量小尺寸球化效應(yīng)，主要發(fā)生區(qū)域熔道分布明顯。球化尺寸從10～40 μm不等，距離葉片越近越明顯。同時(shí)零件表面隨機(jī)出現(xiàn)大尺寸球化現(xiàn)象，如圖7c)所示。該缺陷通常單獨(dú)發(fā)生，周圍無其他顯著缺陷，尺寸較大，直徑通常在100 μm以上，總體數(shù)量少，不會(huì)導(dǎo)致表面質(zhì)量大面積惡化。本試驗(yàn)工藝參數(shù)選取恰當(dāng)，鋪粉層厚較低，臺(tái)階效應(yīng)較弱，三維形貌如圖7d)所示。拋光后典型結(jié)構(gòu)試驗(yàn)件內(nèi)腔表面粗糙度Ra、Rp測(cè)量結(jié)果如表6所示。

表6 表面粗糙度測(cè)量結(jié)果

本文采用極差分析法處理所獲得的表面粗糙度Ra和Rp，極差分析法簡稱R法，他包括計(jì)算和判斷2個(gè)步驟，其內(nèi)容如圖8所示，極差分析結(jié)果如表7所示。

圖8 極差分析法示意圖

表7 表面粗糙度極差分析結(jié)果

Rj反映了第j列因素的水平變動(dòng)時(shí)，試驗(yàn)指標(biāo)的變動(dòng)幅度。Rj越大，說明該因素對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)的影響越大，因此也就越重要。于是依據(jù)Rj的大小，就可以判斷因素的主次。

根據(jù)極差分析原理可知，加工時(shí)間對(duì)零件表面粗糙度Ra影響最大，磨粒粒徑影響最小，Rp對(duì)工藝參數(shù)的敏感性規(guī)律與Ra一致，決定零件拋光效果的因素依次是加工時(shí)間、加工壓力和磨粒粒徑。最優(yōu)工藝參數(shù)組合為磨粒粒徑300目、加工壓力7 MPa、加工時(shí)間200 min。

Ra隨磨粒目數(shù)提升呈現(xiàn)出升高趨勢(shì)，而Rp先升高后降低，但均不明顯。隨磨粒目數(shù)增大，磨料對(duì)零件表面的切削力降低，導(dǎo)致零件表面粗糙度升高。而當(dāng)磨粒目數(shù)增至450目時(shí)，磨粒尺寸變化較小，原因?yàn)榱慵砻嬗捕却?。因此在?shí)際加工過程中，若工件硬度較大，零件表面粗糙度對(duì)磨粒目數(shù)的變化響應(yīng)較弱，在調(diào)整磨粒粒徑時(shí)應(yīng)有較大跨度[13]。但是當(dāng)磨粒粒徑較大時(shí)，過高的加工壓力可能使得零件表面粗糙度高于初始粗糙度，因此應(yīng)綜合考慮磨料的流動(dòng)性、切削力來選擇合適的磨粒尺寸。

Ra,Rp隨加工壓力的增大呈現(xiàn)出較明顯的下降趨勢(shì)。隨著加工壓力增大，磨粒運(yùn)動(dòng)劇烈，磨粒對(duì)零件表面撞擊更頻繁，且磨粒壓入零件基體表面的深度增加，這都增強(qiáng)了磨粒對(duì)零件表面的加工效果。在實(shí)際加工中，為提高拋光效果可以適當(dāng)提升加工壓力，但在加工薄壁零件時(shí)應(yīng)注意避免壓力過高帶來的零件變形問題。加工時(shí)間由120增至160 min時(shí)Ra,Rp明顯下降，但當(dāng)時(shí)間由160增加到200 min時(shí)，下降變緩。原因在于加工時(shí)間較短，拋光不完全，零件表面仍有大量熔道、球化等凸起狀缺陷未去除。加工時(shí)間延長，大量缺陷已去除，此時(shí)磨粒作用于零件基體表面，拋光效果變?nèi)?，材料去除量較少。實(shí)際加工生產(chǎn)中，適當(dāng)延長拋光時(shí)間即可。

圖9為不同工藝參數(shù)下拋光后零件內(nèi)腔表面典型形貌，可見粘附、聚集的大量金屬粉末全部消失，表面顯露出金屬光澤。圖9a)為對(duì)應(yīng)參數(shù)下表面形貌圖，由于加工壓力低、時(shí)間短，拋光強(qiáng)度低，零件表面起伏大，仍有部分熔道存在且有大量球化殘留現(xiàn)象。圖9b)顯示由于增大加工壓力，磨粒切削效果增強(qiáng)，凸起輪廓已被顯著削平，表面可見劃痕。圖9c)可看到，延長加工時(shí)間后，表面波峰已基本被去除，高低起伏的熔道變得平滑，但殘留凹坑，原因是成型過程不穩(wěn)定導(dǎo)致初始表面質(zhì)量較差。圖9d)顯示，由于拋光強(qiáng)度較高，磨料對(duì)零件表面切削效果較強(qiáng)，零件表面的尺寸球化現(xiàn)象已被完全消除，熔道波峰均已被消除，呈宏觀平整表面，表面紋理均勻，呈現(xiàn)明顯的方向性，質(zhì)量得到較大提升，金屬光澤好。

圖9 不同參數(shù)下零件內(nèi)腔典型形貌

成型過程中掛渣以及殘留支撐等缺陷尺寸較大，肉眼可見，拋光后基本消失。內(nèi)外環(huán)安裝柱下側(cè)區(qū)域表面質(zhì)量得到較大提升，葉尖位置的殘留支撐也得到了較好去除。

4 結(jié) 論

本次研究通過選區(qū)熔化成型技術(shù)制備試驗(yàn)件，經(jīng)磨粒流光整后測(cè)量獲取零件表面典型缺陷以及粗糙度變化規(guī)律。試驗(yàn)設(shè)計(jì)了拋光專用工裝，探究磨粒粒徑、加工壓力、加工時(shí)間對(duì)零件表面粗糙度Ra、Rp的影響規(guī)律，主要結(jié)論如下：

1) 壓力場(chǎng)仿真顯示入口靜壓隨入口壓力增大而增大，但增加的壓力主要集中在葉片的葉盆側(cè)和葉背側(cè)；速度場(chǎng)仿真顯示降低磨料濃度和增大加工壓力均會(huì)導(dǎo)致磨料流速提升，葉片處切削效應(yīng)增強(qiáng)，而降低磨粒目數(shù)，磨料流速則降低；剪切力仿真顯示，增加進(jìn)口壓力、減小磨粒直徑、降低磨料濃度，磨料剪切力增大。

2) 磨粒流工藝可以大幅度提升零件表面質(zhì)量，拋光后葉片位置表面粗糙度由Ra=4.847 3 μm下降至Ra=0.360 6 μm左右。參數(shù)中對(duì)零件表面粗糙度的影響效果由強(qiáng)至弱依次為加工時(shí)間、加工壓力、磨粒粒徑，最佳工藝參數(shù)組合為加工時(shí)間200 min、加工壓力7 MPa、磨粒粒徑300目。

3) 拋光后零件表面的階梯、粘粉、球化效應(yīng)、掛渣現(xiàn)象以及葉尖位置的殘留支撐均得到較好去除，仿真中零件整體拋光一致性較差以及葉片葉背側(cè)拋光效果不均勻的問題得到解決，并且并未影響到結(jié)構(gòu)允許公差，說明所設(shè)計(jì)的工裝較為合理。