1.本发明涉及零件增材制造技术领域，尤其涉及一种异种金属封闭流道的整体化增材制造方法。
背景技术：2.推力室是航天发动机的核心部件，随着航天技术的飞速发展，带来了日益提升的推力需求，使得发动机推力室的结构更加复杂，同时也对推力室的导热性能、耐高温、制造精度与成本等提出了越来越高的要求。目前，新型液体燃料发动机推力室主要采用再生冷却式结构，该结构内层是高导热金属制备的含上百条冷却内流道的薄壁型腔夹层结构，外壁为镍基高温合金或高强度不锈钢材料，采用传统机加工、电铸或焊接等制造技术越来越难以满足其精密整体制造需求。
3.近年来，激光增材制造因其加工精度高、周期短、材料利用率高、性能优异等特点，被应用于发动机推力室等核心部件的增材制造。但是，现有航天发动机推力室部件的增材制造多为单一合金材料成形，少有涉及异种金属材料的增材制造案例。国内外科研机构都在利用激光增材制造技术研制发动机推力室，并已实现了小尺寸锆铜合金推力室及其冷却结构快速制造。公开号为cn113828793a的发明专利提出一种火箭发动机推力室夹壁结构的制造方法，是在铜基内衬上采用喷涂工艺沉积外层夹壁结构，中间的支撑结构采用铝材制备，并在外壁成形后用碱性溶液去除，并未实现整体推力室结构的增材成形。而在异种金属封闭冷却流道整体化增材制造过程中，内外壁异种金属材料界面的结合性、高导热合金复杂型腔结构的成形质量、多层薄壁结构成形过程导致的热变形或开裂风险等方面仍存在着许多制造难题。
4.目前采用激光选区熔化成形工艺(slm)工艺制备发动机推力室异种金属封闭流道结构主要存在以下问题：(1)基于slm制造的封闭流道结构的流道内表面较为粗糙，这会影响发动机比冲并造成热传递增加；(2)异种金属流道内腔一体化制造时支撑结构需要具有耐高温、强度高和易清理的特点，目前的材料很难同时满足上述性能要求，往往是常温强度越高、溃散清理性越差、清理越难，而常温强度较低又无法满足复杂细长形状的成形要求。针对上述难题，亟需研发满足新一代异种金属封闭流道快速制造需求的先进成形工艺。
技术实现要素：5.本发明的目的在于针对已有的技术现状，提供一种异种金属封闭流道的整体化增材制造方法，将其运用至发动机推力室成形制备，可以提高成形制备效率，降低制造成本并提高制造质量。
6.为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
7.一种异种金属封闭流道的整体化增材制造方法，包括以下步骤：
8.s1、采用激光选区熔化成形工艺制备带有开放式沟槽结构的高导热金属流道基体，并采用机加工工艺对沟槽结构表面进行处理以满足几何尺寸和表面粗糙度要求；
9.s2、制备水溶性支撑型芯对高导热金属流道基体中的沟槽结构进行填充并形成光滑表面；
10.s3、采用表面金属化工艺在已填充水溶性支撑型芯的高导热金属流道基体表面制备金属过渡层；
11.s4、采用激光熔覆成形工艺在金属过渡层表面沉积高强度异种金属流道外壳，且激光熔覆成形工艺所制备的高强度异种金属流道外壳与激光选区熔化成形工艺所制备的高导热金属流道基体形成冶金结合界面，随后去除水溶性支撑型芯，得到异种金属封闭流道。
12.进一步的，所述高导热金属为铜基合金材料或银基合金材料。
13.进一步的，所述沟槽结构的横截面为矩形或圆形。
14.进一步的，所述水溶性支撑型芯为水溶性硫酸镁基盐芯或水溶性氧化钙基陶瓷型芯，所制备的水溶性支撑型芯进行烧结后再填充至沟槽结构中。
15.进一步的，所述水溶性硫酸镁基盐芯的烧结温度为900～1100℃。
16.进一步的，所述水溶性氧化钙基陶瓷型芯的烧结温度为1100～1300℃。
17.进一步的，所述表面金属化工艺包括冷喷涂、热喷涂、磁控溅射、化学气相沉积。
18.进一步的，激光熔覆成形工艺所制备高强度异种金属流道外壳的材质为镍基高温合金或高强不锈钢材料。
19.进一步的，所述水溶性支撑型芯在高强度异种金属流道外壳成形后采用水溶的方法从沟槽结构中去除。
20.进一步的，所述水溶性支撑型芯采用水溶的方法从沟槽结构中去除的过程中，通过提高水温、施加超声波或机械振动的方式提高水溶去除速率。
21.本发明的有益效果为：
22.1、本发明的异种金属封闭流道得成形方法将激光选区熔化成形工艺、表面金属化工艺与激光熔覆成形工艺相结合，先成形带沟槽结构的高导热金属流道基体，然后通过水溶性支撑制备金属过渡层，最后成形高强度异种金属流道外壳，材料利用率高，成本低，制造周期短，同时可以保证冷却流道内壁的加工精度和表面粗糙度。
23.2、本发明采用了水溶性支撑型芯来填充沟槽结构并满足金属过渡层制备需求，在保证支撑强度、耐高温性能的同时容易去除，并且水溶性支撑型芯不会破坏内流道的表面质量，有利于提高产品的合格率和成形精度，减少后处理工序，并且有利于环境保护。
附图说明
24.图1为本发明异种金属封闭流道的结构示意图；
25.图2为本发明高导热金属流道基体的结构示意图。
26.标注说明：1、高导热金属流道基体，2、沟槽结构，3、金属过渡层，4、高强度异种金属流道外壳。
具体实施方式
27.下面结合附图对本发明作进一步说明。
28.请参阅图1-2所示，一种异种金属封闭流道的整体化增材制造方法，包括以下步
骤：
29.s1、采用激光选区熔化成形工艺制备带有开放式沟槽结构2的高导热金属流道基体1，并采用机加工工艺对沟槽结构2表面进行处理以满足几何尺寸和表面粗糙度要求；
30.其中：高导热金属为铜基合金材料或银基合金材料，沟槽结构2的横截面为矩形或圆形，或其他二维形状，机加工工艺为常规减材加工工艺，包括常规铣削、磨削等；
31.s2、制备水溶性支撑型芯对高导热金属流道基体1中的沟槽结构2进行填充并形成光滑表面；
32.其中：水溶性支撑型芯为水溶性硫酸镁基盐芯或水溶性氧化钙基陶瓷型芯，所制备的水溶性支撑型芯进行烧结后再填充至沟槽结构2中，水溶性硫酸镁基盐芯的烧结温度为900～1100℃，水溶性氧化钙基陶瓷型芯的烧结温度为1100～1300℃；
33.s3、采用表面金属化工艺在已填充水溶性支撑型芯的高导热金属流道基体1表面制备金属过渡层3；
34.其中：表面金属化工艺包括冷喷涂、热喷涂、磁控溅射、化学气相沉积等金属涂覆工艺，表面金属化工艺所制备金属过渡层3的厚度≤2mm；
35.s4、采用激光熔覆成形工艺在金属过渡层3表面沉积高强度异种金属流道外壳4，且激光熔覆成形工艺所制备的高强度异种金属流道外壳4与激光选区熔化成形工艺所制备的高导热金属流道基体1形成冶金结合界面，随后去除水溶性支撑型芯，得到异种金属封闭流道；
36.其中：激光熔覆成形工艺所制备高强度异种金属流道外壳4的材质为镍基高温合金或高强不锈钢材料，水溶性支撑型芯在高强度异种金属流道外壳成形后采用水溶的方法从沟槽结构2中去除，水溶性支撑型芯采用水溶的方法从沟槽结构2中去除的过程中，通过提高水温、施加超声波或机械振动的方式提高水溶去除速率。
37.本发明的一种异种金属封闭流道的整体化增材制造方法可以用于成形制备航天发动机推力室，具体步骤如下：
38.(1)成形带有开放式沟槽结构2的高导热金属流道基体1：
39.将基体几何模型导入切片软件中，进行切片和参数设置，设置slm工艺参数，成形带有开放式沟槽结构2的高导热铜锆合金流道基体，沟槽结构2即为航天发动机推力室的冷却内流道，铜锆合金粉末粒径平均为35μm，层厚25μm，预热温度80℃，slm工艺参数具体如下：激光功率375w，扫描速度750mm/s，光斑偏移0.05～0.075mm，扫描间距90μm，分层厚度40μm；
40.(2)后处理：将步骤(1)所得铜锆合金流道基体进行热处理，消除slm工艺残余应力，处理工艺为随炉温升至480℃，保温80min，然后随炉缓冷到300℃，最后出炉冷却至室温；对热处理后高导热铜锆合金流道基体进行机加工，提高沟槽结构2的尺寸精度和表面粗糙度，也就是提高冷却内流道的尺寸精度和表面粗糙度；
41.(3)水溶性支撑型芯制备：使用水溶性硫酸镁基盐芯材料或水溶性氧化钙基陶瓷材料作为支撑材料，制备水溶性支撑型芯，制备与高导热铜锆合金流道基体上沟槽结构2形状尺寸相同的水溶性支撑型芯并烧结，水溶性硫酸镁盐芯的烧结温度为900～1100℃，水溶性氧化钙基陶瓷型芯的烧结温度为1100～1300℃；
42.(4)金属过渡层3制备：将步骤(3)所得水溶性支撑型芯填充至高导热铜锆合金流
道基体上的沟槽结构2，获得光滑表面，采用冷喷涂工艺在高导热铜锆合金流道基体表面和水溶性支撑型芯表面制备镍基合金过渡层，厚度≤2mm；
43.(5)成形高强度异种金属流道外壳4：在步骤(4)所得镍基合金过渡层表面进行激光熔覆成形，熔覆沉积金属为高强不锈钢材料，控制激光熔覆成形工艺参数以及金属沉积速度，得到高强度不锈钢流道外壳，且与高导热铜锆合金流道基体形成冶金结合界面；
44.需要说明的是，激光熔覆成形工艺所制备的高强度不锈钢流道外壳与激光选区熔化成形工艺所制备的高导热铜锆合金流道基体间的界面结合强度不小于0.8
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高导热铜锆合金流道基体的材料强度；
45.(6)后处理：将步骤(5)所得冶金结合体置于水中，去除水溶性支撑型芯，通过超声振动或提高水温方法来加速去除速率，得到具有铜锆合金与高强不锈钢结合的异种金属封闭流道。
46.总的来说，本发明的优点如下：
47.1、本发明的异种金属封闭流道的成形方法将激光选区熔化成形工艺、表面金属化工艺与激光熔覆成形工艺相结合，先成形带沟槽结构2的高导热金属流道基体1，然后通过水溶性支撑制备金属过渡层3，最后成形高强度异种金属流道外壳4，材料利用率高，成本低，制造周期短，同时可以保证冷却流道内壁的加工精度和表面粗糙度。
48.2、本发明采用了水溶性支撑型芯来填充沟槽结构2并满足金属过渡层3制备需求，在保证支撑强度、耐高温性能的同时容易去除，并且水溶性支撑型芯不会破坏内流道的表面质量，有利于提高产品的合格率和成形精度，减少后处理工序，，并且有利于环境保护。
49.当然，以上仅为本发明较佳实施方式，并非以此限定本发明的使用范围，故，凡是在本发明原理上做等效改变均应包含在本发明的保护范围内。
技术特征：1.一种异种金属封闭流道的整体化增材制造方法，其特征在于：包括以下步骤：s1、采用激光选区熔化成形工艺制备带有开放式沟槽结构的高导热金属流道基体，并采用机加工工艺对沟槽结构表面进行处理以满足几何尺寸和表面粗糙度要求；s2、制备水溶性支撑型芯对高导热金属流道基体中的沟槽结构进行填充并形成光滑表面；s3、采用表面金属化工艺在已填充水溶性支撑型芯的高导热金属流道基体表面制备金属过渡层；s4、采用激光熔覆成形工艺在金属过渡层表面沉积高强度异种金属流道外壳，且激光熔覆成形工艺所制备的高强度异种金属流道外壳与激光选区熔化成形工艺所制备的高导热金属流道基体形成冶金结合界面，随后去除水溶性支撑型芯，得到异种金属封闭流道。2.根据权利要求1所述的一种异种金属封闭流道的整体化增材制造方法，其特征在于：所述高导热金属为铜基合金材料或银基合金材料。3.根据权利要求1所述的一种异种金属封闭流道的整体化增材制造方法，其特征在于：所述沟槽结构的横截面为矩形或圆形。4.根据权利要求1所述的一种异种金属封闭流道的整体化增材制造方法，其特征在于：所述水溶性支撑型芯为水溶性硫酸镁基盐芯或水溶性氧化钙基陶瓷型芯，所制备的水溶性支撑型芯进行烧结后再填充至沟槽结构中。5.根据权利要求4所述的一种异种金属封闭流道的整体化增材制造方法，其特征在于：所述水溶性硫酸镁基盐芯的烧结温度为900～1100℃。6.根据权利要求4所述的一种异种金属封闭流道的整体化增材制造方法，其特征在于：所述水溶性氧化钙基陶瓷型芯的烧结温度为1100～1300℃。7.根据权利要求1所述的一种异种金属封闭流道的整体化增材制造方法，其特征在于：所述表面金属化工艺包括冷喷涂、热喷涂、磁控溅射、化学气相沉积。8.根据权利要求1所述的一种异种金属封闭流道的整体化增材制造方法，其特征在于：激光熔覆成形工艺所制备高强度异种金属流道外壳的材质为镍基高温合金或高强不锈钢材料。9.根据权利要求1所述的一种异种金属封闭流道的整体化增材制造方法，其特征在于：所述水溶性支撑型芯在高强度异种金属流道外壳成形后采用水溶的方法从沟槽结构中去除。10.根据权利要求9所述的一种异种金属封闭流道的整体化增材制造方法，其特征在于：所述水溶性支撑型芯采用水溶的方法从沟槽结构中去除的过程中，通过提高水温、施加超声波或机械振动的方式提高水溶去除速率。
技术总结本发明公开一种异种金属封闭流道的整体化增材制造方法，包括以下步骤：S1、采用激光选区熔化成形工艺制备带有开放式沟槽结构的高导热金属流道基体，并采用机加工工艺对沟槽结构表面进行处理；S2、制备水溶性支撑型芯对高导热金属流道基体中的沟槽结构进行填充并形成光滑表面；S3、采用表面金属化工艺在已填充水溶性支撑型芯的高导热金属流道基体表面制备金属过渡层；S4、采用激光熔覆成形工艺在金属过渡层表面沉积高强度异种金属流道外壳，随后去除水溶性支撑型芯。上述方法将激光选区熔化成形和激光熔覆成形等多种增材成形工艺相结合，并引入了水溶性支撑型芯作为支撑材料，有利于实现异种金属封闭流道的高质量快速增材制造。材制造。材制造。
技术研发人员：郝亮 韩光超 于泉 刘富初 李正 李妍 宋怀兵 温晓宁 徐海升 王芬 尹建华
受保护的技术使用者：中国地质大学（武汉）
技术研发日：2022.08.09
技术公布日：2022/12/2
