油气分离器用金属点阵材料结构、转动件及制造方法与流程

本发明涉及金属材料制备技术领域，尤其涉及一种油气分离器用金属点阵材料结构、油气分离器用转动件、油气分离器及制造方法。

背景技术：

油气分离器是航空发动机滑油系统中的重要部件，它的性能直接影响飞机的飞行半径。油气分离器工作时，通过安装在轴承腔中的转动部件旋转，使油气混合气中的滑油在离心力的作用下，与转动部件壁面碰撞凝结成油滴，以达到回收滑油，减少滑油消耗的目的。

传统的油气分离器转动件，其结构形式多为叶轮形式。通过叶轮的高速旋转，使空气中的滑油在离心力的作用下与空气分离。上述结构形式为了达到一定的油气分离效率，必须提高转动件的转速才能实现，长时间的高速旋转必然会带来转动件的损耗甚至破损，具有一定的安全隐患，其叶盘结构也导致油气分离器重量较重，保证一定分离效率的前提下减重困难。为解决上述问题，目前部分转动件已采用金属泡沫结构替代叶轮结构。但金属泡沫材料存在力学强度低、孔隙难以精确控制，而且无法一次性制备较大的金属泡沫材料的问题，导致目前应用于油气分离器中较大的金属泡沫结构需要拼焊或额外的铆接以达到尺寸需求，带来安全隐患的同时成本较高。为此出现了3d打印蜂窝结构的油气分离器转子，其强度与安全性比泡沫材料高，但重量比泡沫材料大。

关于上述技术方案，发明人发现至少存在如下一些技术问题：例如现有的油气分离器用的金属泡沫结构存在力学强度低、孔隙难以精确控制且存在安全隐患以及成本较高的问题。

因此，有必要改善上述相关技术方案中存在的一个或者多个问题。

需要注意的是，本部分旨在为权利要求书中陈述的本发明的实施方式提供背景或上下文。此处的描述不因为包括在本部分中就承认是现有技术。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种油气分离器用金属点阵材料结构、转动件及制造方法，进而至少在一定程度上克服由于相关技术的限制和缺陷而导致的一个或者多个问题。

根据本发明的第一方面，提供一种油气分离器用金属点阵材料结构，包括：材料本体，该材料本体包括多个镂空多面体单元叠加构成的三维立体点阵结构；

其中，所述材料本体的孔隙率大于等于65%，孔径大于等于0.2mm。

优选的，每个所述镂空多面体单元均包括多个边筋和镂空部分。

优选的，所述边筋的直径为0.2~2mm，长度大于等于1mm。

优选的，所述三维立体点阵结构的体积密度不大于2g/cm³，强度大于等于3mpa。

优选的，所述镂空多面体单元内部设有加强筋。

优选的，各所述镂空多面体单元至少包括镂空十二面体。

优选的，所述三维立体点阵结构由多个镂空多面体单元呈垂直阵列体状组成；或者所述三维立体点阵结构由多个镂空多面体单元呈倾斜45度阵列体状组成。

根据本发明的第二方面，提供一种油气分离器用转动件，用于航空发动机，包括：圆环状本体，所述圆环状本体为一体结构，或者多个扇形构成的拼接结构。

其中，该圆环状本体由上述任意一项所述的金属点阵材料结构形成。

根据本发明的第三方面，提供一种油气分离器，用于航空发动机，包括上述所述的转动件。

根据本发明的第四方面，提供一种转动件的制造方法，应用于上述所述的转动件，该方法包括以下步骤：

根据该转动件预设的至少一个力学性能参数和金属点阵材料结构的预设属性参数，建立所述转动件的三维模型，该三维模型包括多个镂空多面体单元叠加构成的三维立体点阵结构；

对创建的所述三维模型进行切层处理得到切层数据；

将切层数据导入增材制造设备中，在该增材制造设备中装入预设金属粉末，启动设备以进行增材制造处理得到实体的转动件。

优选的，所述预设金属粉末材料至少包括钛合金、镍基合金或铝合金；和/或，所述增材制造设备至少包括粉床激光增材制造设备或者粉床电子束增材制造设备。

本发明提供的技术方案可以包括以下有益效果：

本发明中，通过上述金属点阵材料结构以及转动件的制造方法，该金属点阵材料结构的密度与泡沫材料相当，但强度与安全性比同密度的泡沫材料高，且孔结构精确可调，使得转动件制造耗时短、造价低，有广泛应用的前景。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例1提供的镂空多面体单元结构示意图；

图2为本发明实施例2提供的内部设有加强镂空多面体单元示意图；

图3为本发明实施例3提供的单胞模型的结构示意图；

图4为本发明实施例提供的镂空多面体单元45度阵列体结构示意图；

图5为本发明实施例提供的镂空多面体单元90度阵列体结构示意图；

图6为本发明实施例提供的圆环模型的结构示意图；

图7为实施例5制造出的油气分离器转动件的实体产品图；

图8为实施例6制造出的油气分离器转动件的实体产品图；

图9为一体结构的圆环状本体图；

图10为拼接结构的圆环状本体图。

具体实施方式

现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的范例；相反，提供这些实施方式使得本发明将更加全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施方式中。

此外，附图仅为本发明实施例的示意性图解，并非一定是按比例绘制。图中相同的附图标记表示相同或类似的部分，因而将省略对它们的重复描述。附图中所示的一些方框图是功能实体，不一定必须与物理或逻辑上独立的实体相对应。

下面，将参考图1至图10对各示例实施方式中的金属点阵材料结构或油气分离器转动件进行更详细的说明。

实施例1

请参考图1，图1为一种油气分离器用金属点阵材料结构的一个镂空多面体单元，为镂空正十二面体，该镂空正十二面体的孔隙率大于等于65%，孔径大于等于0.2mm。多个所述镂空多面体单元叠加构成的三维立体点阵结构就是所述油气分离器用金属点阵材料结构。该材料本体因为是由所述镂空正十二面体组成的，所以材料本体的孔隙率也大于等于65%，孔径大于等于0.2mm。由镂空正十二面体叠加构成的三维立体点阵结构材料孔隙率高，密度小，强度高，能够满足油气分离器对材料的需求。

另外，可选的，镂空多面体单元为镂空正四面体、镂空正六面体或镂空正八面体等，但也不限于此。

实施例2

请参考图2，图2为图1所示的正十二面体内部设有加强筋的结构示意图。设置有加强筋的正十二面体基本单元的强度更高，以满足更高强度材料的需求。

实施例3

请参考图3，图3为图1所示的镂空正十二面体经过阵列后，从阵列体中截取的部分结构作为构建油气分离器旋转件模型的单胞模型，镂空正十二面体的阵列角度为20-90°，利用该单胞模型构建油气分离器旋转件模型可以节省大量的构建时间，提高工作效率。

实施例4

目标产品：内径50mm、外径100mm、高45mm、材质为镍基高温合金（in718）的油气分离器旋转件。

（1）采用magics软件绘制内径50mm、外径100mm、高45mm的圆环模型，圆环模型的结构示意图如图6所示。利用镂空正十二面体作为基本单元创建单胞模型，其中，镂空正十二面体的阵列角度为90°，如图5所示。该单胞模型的孔筋直径为0.22mm、三维立体尺寸为3mm×3mm×3mm，利用该单胞模型对圆环模型进行填充，得到点阵结构的多孔圆环模型。

（2）利用切层软件对创建的点阵结构的多孔圆环模型进行切层，每层的厚度是20~80μm，此实施例选择0.03mm，但也不限于此，并保存切层数据。

（3）将切层数据导入粉床激光增材制造设备中，采用粉末粒度为20~110μm，此实施例中选用粉末粒度为45~75μm的in718金属球形粉末进行打印制备。

（4）去除残留的余粉，得到目标产品油气分离器旋转件。

本实施例设计制备的点阵材料密度为1.07g/cm³，孔隙率为87%，孔径约1mm，孔筋直径为0.3mm，强度为13.1mpa，弹性模量355mpa。

实施例5

目标产品：外径93mm、内径56mm、高45mm、材质为镍基高温合金（in718）的油气分离器旋转件。

目标产品：内径50mm、外径100mm、高45mm、材质为镍基高温合金（in718）的油气分离器旋转件。

（1）采用magics软件绘制外径93mm、内径56mm、高45mm的圆环模型。利用镂空正十二面体作为基本单元创建单胞模型，其中，镂空正十二面体的阵列角度为90°，该单胞模型的孔筋直径为0.14mm、三维立体尺寸为3.5mm×3.5mm×3.5mm，利用该单胞模型对圆环模型进行填充，得到点阵结构的多孔圆环模型。

（2）利用切层软件对创建的点阵结构的多孔圆环模型进行切层，每层的厚度是20~80μm，此实施例选择0.03mm，但也不限于此，并保存切层数据。

（3）将切层数据导入粉床电子束增材设备中，采用45~105μm的in718金属球形粉末进行打印制备，起始预热温度为500~1000℃，此实施例中选用750℃。

（4）置于喷砂机或粉末回收系统内，去除残留的余粉，得到目标产品油气分离器旋转件，如图7所示。

本实施例设计制备的点阵材料密度为0.9g/cm³，孔隙率为88%，孔径约1.5mm，孔筋直径为0.5mm，强度为6.5mpa，弹性模量150mpa。

实施例6

目标产品：外径95mm、内径75mm、高15mm、材质为ti6al4v钛合金的油气分离器旋转件，设计并制备轻质高强点阵材料，具体实施如下：

（1）采用magics软件绘制外径95mm、内径75mm、高15mm的圆环模型。利用镂空正十二面体作为基本单元创建单胞模型，其中，镂空正十二面体的阵列角度为90°，该单胞模型的孔筋直径为0.14mm、三维立体尺寸为3.8mm×3.8mm×3.8mm，利用该单胞模型对圆环模型进行填充，得到点阵结构的多孔圆环模型。

（2）利用切层软件对创建的点阵结构的多孔圆环模型进行切层，每层的厚度是0.03mm，但也不限于此，并保存切层数据。

（3）将切层数据导入粉床电子束增材制造设备中，采用45~105μm的tc4金属球形粉末进行打印制备，起始预热温度730℃。

（4）去除残留的余粉，得到目标产品油气分离器旋转件，如图8所示。

本实施例设计制备的点阵材料密度为0.8g/cm³，孔隙率85%，强度3.5mpa，弹性模量150mpa。

实施例7

目标产品：外径93mm、内径56mm、高15mm、材质为in718的油气分离器旋转件，具体实施如下：

（1）采用magics软件绘制外径95mm、内径75mm、高15mm的圆环模型。利用镂空正十二面体作为基本单元创建单胞模型，其中，镂空正十二面体的阵列角度为45°，如图4所示。该单胞模型的孔筋直径为0.16mm、三维立体尺寸为3.0mm×3.0mm×3.0mm，利用该单胞模型对圆环模型进行填充，得到点阵结构的多孔圆环模型。

（2）利用切层软件对创建的点阵结构的多孔圆环模型进行切层，每层的厚度是0.03mm，但也不限于此，并保存切层数据。

（3）将切层数据导入粉床电子束增材制造设备中，采用45~105μm的in718金属球形粉末进行打印制备，起始预热温度950℃。

（4）去除残留的余粉，得到目标产品油气分离器旋转件。

本实施例点阵材料密度1g/cm³，孔隙率75%，强度10mpa，弹性模量300mpa。

以上实施例4-7中所建立的单胞模型的孔筋直径为0.1~1mm，三维立体尺寸为1.5~4mm×1.5~4mm×1.5~4mm，选用的打印材质是但不局限于钛合金、镍基合金、铝合金等金属合金粉末，粉末粒度20~110μm，设置打印层厚20~80μm。

另外，在实施例4-7中，得到点阵结构的多孔圆环模型后，可以构建四个同样孔结构参数的压缩试样，放置在多孔圆环模型的四周，并进行实施例4-7中后续的切层以及打印制备，压缩试样是为了制备出和目标产品性能一样的点阵结构的材料，通过对压缩试样进行密度、强度等的检测，得到目标产品油气分离器旋转件的各项性能数据。

另外，tc4钛合金、nicr20高温合金等合金也可以用上述实施例中的方法制备。

在上述实施例中，通过多个镂空多面体单元叠加构成的三维立体点阵结构而得的油气分离器用金属点阵材料结构，其孔隙率大于等于65%，孔径大于等于0.2mm，体积密度小于等于2g/cm³，强度大于等于3mpa，具有力学强度高、重量轻的优点。通过建立三维模型、切层以及增材制造得到的转动件的密度与泡沫材料相当，但强度与安全性比同密度的泡沫材料高，且孔结构精确可调、制造耗时短、造价低，具有良好的应用前景。

实施例8

本实施例中提供的圆环状本体为一体结构如图9所示，或者多个扇形构成的拼接结构如图10所示。

实施例9

一种油气分离器，用于航空发动机，包括上述实施例4-8任一所述的油气分离器转动件。

本实施例中，通过多个镂空多面体单元叠加构成的三维立体点阵结构而得的油气分离器，其孔隙率大于等于65%，可以达到95%，孔径大于等于0.2mm，可以达到0.5mm，体积密度小于等于2g/cm³，强度大于等于3mpa，具有力学强度高、重量轻的优点。通过建立三维模型、切层以及增材制造得到的油气分离器的密度与泡沫材料相当，但强度与安全性比同密度的泡沫材料高，且孔结构精确可调、制造耗时短、造价低，具有良好的应用前景。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

需要理解的是，上述描述中的术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明实施例的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明实施例的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明实施例中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，是固定连接，也是可拆卸连接，或成一体；是机械连接，也是电连接；是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明实施例中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例进行接合和组合。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本发明的其它实施方案。本申请旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括本发明未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本发明的真正范围和精神由所附的权利要求指出。

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