CN102162096B - 液氩喷射冷却定向凝固的激光金属直接成形方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种液氩喷射冷却定向凝固的激光金属直接成形方法，其特征在于，采取每堆积一定层数就在成形层下方喷射液氩迅速降温的方法，保证在后续成形过程中熔池内部沿Z轴方向始终保持正温度梯度。同时，用来冷却的液氩转变为氩气，在氩气保护箱中又可用来降低氧含量。从而使得成形件内部的柱状晶组织由基板沿Z轴成形方向连续生长，使成形件获得完整的定向凝固柱状晶组织。

Description

液氩喷射冷却定向凝固的激光金属直接成形方法
技术领域
本发明涉及一种激光金属直接成形方法，特别涉及一种液氩喷射冷却定向凝固的激光金属直接成形方法，适用于激光金属直接成形中柱状晶定向生长的控制，也可应用于激光修复和激光熔覆领域中熔覆层柱状晶的定向生长。
背景技术
激光金属直接成形技术是在激光熔覆基础上，结合快速原型技术而发展起来的一种先进制造技术。在激光金属直接成形过程中，高能密度的激光束快速扫描基材，使得基材表面一薄层及熔覆粉末快速熔化并在极快的冷却速度下凝固，冷却速度可达105-109K/s，基于激光熔池本身的传热和凝固特征，通常成形组织直接从基材外延生长，呈现强制定向枝晶生长。由于在激光金属直接成形过程中热量不断的积累，导致当成形件逐层堆积到一定高度后，成形件内部由下而上的温度梯度降低，这样就导致熔池在凝固时无法保持柱状晶的完整定向生长，从而影响成形件的微观组织和力学性能。
发明内容
本发明的目的是提供一种激光金属直接成形方法，可保证激光金属直接成形中熔池内部沿Z轴方向始终保持正温度梯度，从而使得成形件内部的柱状晶组织由基板沿Z轴成形方向连续生长，并使成形件获得完整的定向凝固柱状晶组织。
为达到以上目的，本发明是采取如下技术方案予以实现的：
一种液氩喷射冷却定向凝固的激光金属直接成形方法，其特征在于，包括下述步骤：
(1)首先在基板上采用多道搭接的方法成形实体墙到20～30层之间，每层厚0.10～0.20mm；
(2)暂停激光金属直接成形，通过液氩喷嘴将液氩喷射到已成形的实体墙的两侧壁上，使其迅速冷却，保证熔池由下向上具有正的温度梯度，以利于定向凝固的柱状晶连续外延生长，组织既细小又致密；
(3)在已冷却的实体墙顶层继续进行激光金属直接成形；
(4)再成形10～20层后，采用步骤(2)用液氩喷射的方法继续冷却已成形的实体墙；
(5)重复步骤(3)、(4)直至实体墙成形完成。
上述方案中，所述步骤(1)中在基板上成形实体墙的层数为20～30层。所述步骤(4)中再成形的层数为10～20层。
本发明在成形初期阶段对成形件未进行液氩冷却。因为在激光金属直接成形的初始阶段，成形件高度较低，大部分热量以热传递的方式由成形基板下面的循环冷却水带走，成形件内部无热积累问题，熔池在凝固的过程中沿Z轴方向存在较大的温度梯度。
当成形件逐层累加到一定高度以后，传热效率明显下降，依靠基板导热的方式已经很难解决成形件内部的热积累问题，成形件温度的升高，导致熔池在凝固过程中的温度梯度减小，从而引发了柱状晶的粗化和向等轴晶的转变。所以采用液氩喷射的方法降低成形件温度，消除热积累现象，使得在成形过程中熔池沿Z轴方向存在较大的温度梯度，从而使柱状晶组织能连续定向生长。
附图说明
图1是本发明方法的液氩喷射冷却原理示意图。
图2是正常冷却条件下实体墙试样的金相组织显微照片。图2中：(a)为下部；(b)为上部。
图3是本发明液氩喷射冷却条件下实体墙试样的金相组织显微照片。图3中：(a)为下部；(b)为上部。
具体实施方式
如图1所示，一种液氩喷射冷却定向凝固的激光金属直接成形方法，采用如下步骤：
(1)首先在基板上采用多道搭接的方法成形实体墙到20～30层之间，每层厚0.10～0.20mm；
(2)暂停激光金属直接成形，通过液氩喷嘴将液氩喷射到已成形的实体墙的两侧壁上，使其迅速冷却，保证熔池由下向上具有正的温度梯度，以利于定向凝固的柱状晶连续外延生长，组织既细小又致密；
(3)在已冷却的实体墙顶层继续进行激光金属直接成形；
(4)再成形10～20层后，采用步骤(2)用液氩喷射的方法继续冷却已成形的实体墙；
(5)重复步骤(3)、(4)直至实体墙成形完成。
在整个成形过程中，液氩喷嘴3与激光头为一体结构，液氩喷嘴3能随着激光头在X、Y和Z方向上移动。在冷却过程中，液氩喷嘴3随激光头在Y方向往返运动，同时向成形件两侧壁喷射液氩6，从而使得成形件的冷却更加均匀。用来冷却的液氩6转变为氩气，在氩气保护箱中又可用来降低氧含量，从而改善成形件的质量。
本发明采用液氩喷射冷却的方法降低成形件温度，使成形过程中熔池4内部由下而上始终保持较高的温度梯度，从而使得柱状晶组织在成形件内部连续生长，组织既细小又致密，使成形件获得完整的定向凝固柱状晶组织。
下面以液氩喷射冷却激光定向凝固316L(不锈钢)实体墙成形样件为例对本发明作进一步描述：
基本实验参数：激光功率200～280W，激光光斑直径0.5～0.7mm，扫描速度6～12mm/s，送粉量7.6～8.0g/min，送气量6～10L/min，ΔZ(激光头提升量)＝0.10～0.20mm，6道搭接，搭接率为33～35％，共堆积60层。
用以下两种方法成形实体墙，比较实体墙组织定向效果。
A、在未加液氩冷却条件下成形实体墙
1)采用基本工艺参数；
2)未采取液氩冷却条件下连续成形60层。
B、液氩喷射冷却条件下成形实体墙
1)采用基本工艺参数；
2)1-20层成形中不加液氩喷射冷却；
3)第20层成形结束后用液氩喷射冷却，降低实体墙温度；
4)在冷却的实体墙上继续成形第21-第30层；
5)重复3)、4)直至第60层成形结束。
如图2所示，实体墙下部组织为柱状晶，但由于成形过程中未采取液氩喷射冷却措施，随着实体墙层数的增加，热积累现象严重，熔池凝固时沿Z轴的正温度梯度较小且方向发生变化，所以在实体墙上部柱状晶组织基本消失，90％以上的组织为等轴晶。
如图3所示，由于在成形过程中采取了液氩喷射冷却的方法，减小了热积累，随着实体墙层数的增加，熔池内部依然保持了沿Z轴方向较大的正温度梯度，所以实体墙上部组织中依然有80％以上的柱状晶定向组织。

Claims (1)

1.一种液氩喷射冷却定向凝固的激光金属直接成形方法，其特征在于，包括下述步骤：
(1)首先在基板上采用多道搭接的方法成形实体墙到20～30层之间，每层厚0.10～0.20mm；
(2)暂停激光金属直接成形，通过液氩喷嘴将液氩喷射到已成形的实体墙的两侧壁上；
(3)在已冷却的实体墙顶层继续进行激光金属直接成形；
(4)再成形10～20层后，采用步骤(2)用液氩喷射的方法继续冷却已成形的实体墙；
(5)重复步骤(3)、(4)直至实体墙成形完成。
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