CN104947175A - 一种激光3d打印制备单晶高温合金块体材料的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种激光3D打印制备单晶高温合金块体材料的方法，属于单晶凝固技术和激光快速成形技术领域，该方法首先在单晶高温合金材料上切取用于激光3D打印的基体材料，然后将切取的基体材料进行预热及表面重熔后观察重熔显微组织；基于重熔工艺，利用激光3D打印制备单晶高温合金块体材料：基材预热0-800℃，激光功率200-5000w，扫描速度30-3000mm/min，送粉量0.3-30g/min；本发明激光打印制备的单晶高温合金可以用于开发单晶叶片的修复工艺、还可用于开发单晶高温合金叶片的新工艺。
Description
技术领域：
本发明涉及单晶凝固技术和激光快速成形技术领域，具体涉及一种在单晶高温合金基材上利用激光3D打印制备单晶高温合金块体材料的方法。
背景技术：
发展大推力、高效率、低油耗航空发动机最直接的手段是提高涡轮前燃气进口温度，燃气进口温度的提高直接依赖于涡轮叶片的承温能力的提高。传统的定向凝固工艺其温度梯度的提高非常有限，制备得到的单晶高温合金枝晶粗大，枝晶间元素偏析严重。开发一种新的单晶制备工艺对于提高单晶高温合金的性能具有重要意义。
并且，由于单晶叶片成形工艺复杂，还含有大量的贵金属元素，致其成本高昂。为了降低成本并且充分利用贵金属元素，服役受损的、有铸造缺陷的单晶叶片，其修复工作也尤为重要。
发明内容：
本发明的目的在于提供一种激光3D打印制备单晶高温合金块体材料的方法，该方法可行性强，实施简单，适用于镍基高温合金材料。
本发明的技术方案是：
一种激光3D打印制备单晶高温合金块体材料的方法，该方法包括如下步骤：
（1）在单晶高温合金材料上切取用于激光3D打印的基体材料，基材表面的取向要求为：基材表面的法线方向与<001>方向之间的夹角小于等于30°；用于切取基体材料的单晶高温合金材料利用常规的定向凝固工艺制备。
（2）为了减小应力，将步骤（1）切取的基体材料进行预热，根据基体材料块体大小将其预热到0-800℃；然后利用激光使单晶高温合金基材表面重熔，重熔过程工艺参数为：重熔功率200-5000w，重熔速度30-3000mm/min。
（3）激光3D打印制备单晶高温合金块体材料：基材预热0-800℃，激光功率200-5000w，扫描速度30-3000mm/min，送粉量0.3-30g/min；激光打印所需的合金粉末的粒度为-50～+400目，粉末使用之前进行100～200℃的真空烘干处理。
（4）步骤（3）所得单晶高温合金块体材料，表层0.1-0.5mm范围内有一层杂晶，加工切掉。
本发明设计原理如下：
本发明采用激光打印直接成形技术，通过枝晶外延生长且使每一层杂晶在下一层打印中重熔的方式制备块状的单晶高温合金。枝晶取向与基材单晶一致，由于激光成形过程中，凝固速度快，可以得到细小的枝晶，而且很好的控制了枝晶偏析，可以得到低偏析的单晶高温合金。
本发明首先在单晶高温合金材料上切取用于激光3D打印的基体材料，因基材表面的取向决定了外延生长块体材料的取向，本发明基材表面的取向要求为：基材表面的法线方向与<001>方向之间的夹角小于等于30°；然后将切取的基体材料进行预热，再利用激光使单晶高温合金基材表面重熔，所获得重熔组织在重熔区表面有少量杂晶；基于重熔工艺，再通过激光3D打印制备单晶高温合金：所设定的工艺参数使每一层的杂晶在下一层的打印过程中重熔，得到与基体取向一致的枝晶。选定的工艺参数还要避免打印过程基材温度过高。块体材料的大小不受传统铸造工艺的限制，显微组织为单晶，且取向与基体相同，表面薄层杂晶需要单独加工切除。
本发明的有益效果是：
1.为单晶高温合金的制备提供了一种新工艺，可用于制备枝晶细小、枝晶间低偏析的单晶高温合金。
2.本发明为单晶零件的修复提供了途径，可根据零件的具体情况设计修复的打印路线。
3.本发明突破了传统定向凝固制备单晶高温合金的束缚，基于本发明可以开发新一代高温合金，为进一步提高发动机推重比提供技术支持。
附图说明：
图1基材常温的激光重熔组织。
图2单晶高温合金块体材料的宏观图片。
图3激光打印单晶高温合金块的显微组织；其中：（a）为上部显微组织，（b）为中部显微组织，（c）为下部显微组织。
图4基材预热200℃的激光重熔组织。
图5激光打印单晶高温合金块的显微组织。
图6基材预热400℃的激光重熔组织。
图7激光打印单晶高温合金块的显微组织。
图8基材预热1000℃的激光重熔组织。
具体实施方式：
以下结合附图及实施例详述本发明。
实施例1
首先制备蜡模，而后在蜡模的外部涂挂陶瓷耐火浆料，经脱蜡、焙烧制得带有籽晶的陶瓷模壳。将镍基高温合金母合金（牌号SRR99）在真空单晶炉的坩埚中熔化精炼后，浇注至陶瓷模壳中，合金的浇注温度为1550℃，静置5min，以5mm/min的速率开始抽拉。待模壳冷却至室温方可清壳，获得镍基单晶高温合金。在单晶母体上用线切割切取基材，基材表面的法线方向与<001>方向之间的夹角约为3°。第二步，基材常温，利用激光使单晶高温合金基材表面重熔，激光功率700w，扫描速度300mm/min，使用金相显微镜观察重熔组织。重熔显微组织如图1所示，可以看出，重熔区域的表面部分会存在少量取向杂乱的杂晶。
第三步，激光打印制备单晶高温合金，工艺参数为：基材常温，高温合金粉末粒度为-50～+400目，粉末使用之前进行200℃的真空烘干处理。工作过程中金属粉末由同轴自动送粉器送到激光熔池中，载粉气体为纯氩，激光熔池保护气体也为纯氩。激光功率为700w，扫描速度为300mm/min，送粉量1.5g/min。
本实施例制备的单晶块体的宏观形貌如图2所示，基体材料大小为50*50*12mm，在基体上打印的单晶块体材料大小为25*25*8mm，图3显示了该块体材料的显微组织，可见与铸造的基体相比，激光外延生长的显微组织非常细小。
实施例2
首先制备蜡模，而后在蜡模的外部涂挂陶瓷耐火浆料，经脱蜡、焙烧制得带有籽晶的陶瓷模壳。将镍基高温合金母合金（牌号SRR99）在真空单晶炉的坩埚中熔化精炼后，浇注至陶瓷模壳中，合金的浇注温度为1550℃，静置5min，以5mm/min的速率开始抽拉。待模壳冷却至室温方可清壳，获得镍基单晶高温合金。在单晶母体上用线切割切取基材，基材表面的法线方向与<001>方向之间的夹角约为15°。第二步，基材预热至200℃，利用激光使单晶高温合金基材表面重熔，激光功率1500w，扫描速度900mm/min，使用金相显微镜观察重熔组织。重熔显微组织如图4所示，可以看出，重熔区域表面有少量取向杂乱的杂晶。
第三步，激光打印制备单晶高温合金，工艺参数为：基材预热至200℃，高温合金粉末粒度为-50～+400目，粉末使用之前进行100℃的真空烘干处理。工作过程中金属粉末由同轴自动送粉器送到激光熔池中，载粉气体为纯氩，激光熔池保护气体也为纯氩。激光功率为1500w，扫描速度为900mm/min，送粉量4g/min。
本实施例制备的单晶块体大小为10*20*6mm，图5显示了该块体材料的显微组织，激光打印的显微组织细小均匀，取向一致。
实施例3
首先制备蜡模，而后在蜡模的外部涂挂陶瓷耐火浆料，经脱蜡、焙烧制得带有籽晶的陶瓷模壳。将镍基高温合金母合金（牌号DD99）在真空单晶炉的坩埚中熔化精炼后，浇注至陶瓷模壳中，合金的浇注温度为1550℃，静置5min，以5mm/min的速率开始抽拉。待模壳冷却至室温方可清壳，获得镍基单晶高温合金。在单晶母体上用线切割切取基材，基材表面的法线方向与<001>方向之间的夹角约为2°。第二步，基材预热至400℃，利用激光使单晶高温合金基材表面重熔，激光功率2500w，扫描速度2000mm/min，使用金相显微镜观察重熔组织。重熔显微组织如图6所示，可以看出，重熔区域几乎没有取向杂乱的杂晶。
第三步，激光打印制备单晶高温合金，工艺参数为：基材预热至400℃，高温合金粉末粒度为-50～+400目，粉末使用之前进行200℃的真空烘干处理。工作过程中金属粉末由同轴自动送粉器送到激光熔池中，载粉气体为纯氩，激光熔池保护气体也为纯氩。激光功率为2500w，扫描速度为2000mm/min，送粉量7g/min。
本实施例制备的单晶块体大小为25*20*8mm，图7显示了该块体材料的显微组织，激光打印的显微组织细小均匀，取向一致。
对比例1
首先制备蜡模，而后在蜡模的外部涂挂陶瓷耐火浆料，经脱蜡、焙烧制得带有籽晶的陶瓷模壳。将镍基高温合金母合金（牌号SRR99）在真空单晶炉的坩埚中熔化精炼后，浇注至陶瓷模壳中，合金的浇注温度为1550℃，静置5min，以5mm/min的速率开始抽拉。待模壳冷却至室温方可清壳，获得镍基单晶高温合金。在单晶母体上用线切割切取基材，基材表面的法线方向与<001>方向之间的夹角约为3°。第二步，基材预热至1000℃，利用激光使单晶高温合金基材表面重熔，激光功率700w，扫描速度300mm/min，使用金相显微镜观察重熔组织。
与实施例1不同之处在于：基材预热温度为1000℃，其重熔组织如图8所示，可以看出，重熔区域不但表面部分存在取向杂乱的杂晶，而且下部也存在取向混乱的杂晶，所以打印过程中，基材预热温度不合理时得不到单晶块体材料。
Claims (5)
1.一种激光3D打印制备单晶高温合金块体材料的方法，其特征在于：该方法包括如下步骤：
（1）在单晶高温合金材料上切取用于激光3D打印的基体材料，基材表面的取向要求为：基材表面的法线方向与<001>方向之间的夹角小于等于30°；
（2）将步骤（1）切取的基体材料进行预热，然后利用激光使单晶高温合金基材表面重熔，观察重熔显微组织；
（3）激光3D打印制备单晶高温合金块体材料：基材预热0-800℃，激光功率200-5000w，扫描速度30-3000mm/min，送粉量0.3-30g/min；
（4）步骤（3）所得单晶高温合金块体材料，表层0.1-0.5mm范围内有一层杂晶，加工切掉。
2.根据权利要求1所述的激光3D打印制备单晶高温合金块体材料的方法，其特征在于：步骤（1）中用于切取基体材料的单晶高温合金材料利用常规的定向凝固工艺制备。
3.根据权利要求1所述的激光3D打印制备单晶高温合金块体材料的方法，其特征在于：步骤（2）中，为了减小应力，根据基体材料块体大小将其预热到0-800℃。
4.根据权利要求1所述的激光3D打印制备单晶高温合金块体材料的方法，其特征在于：步骤（2）中重熔过程工艺参数为：重熔功率200-5000w，重熔速度30-3000mm/min。
5.根据权利要求1所述的激光3D打印制备单晶高温合金块体材料的方法，其特征在于：步骤（3）中，激光熔化所需的合金粉末的粒度为-50～+400目，粉末使用之前进行100～200℃的真空烘干处理。
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