CN105251999A - 一种高能束金属3d打印制备稀土强化等轴细晶零件的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高能束金属3D打印制备稀土强化等轴细晶零件的方法。试图获得稀土添加剂的高能束金属3D打印等轴细晶零件。添加的方式主要是直接加入稀土元素、稀土化合物以及通过材料设计得到原位生成金属间化合物。理论依据是凝固过程的柱状晶与等轴晶转化理论和细晶强化理论。最终的目的是促使这项技术在实际中的应用，这在航空航天、核电、舰船等工业领域有重要应用前景，将产生大的经济和社会效益。

Description

一种高能束金属3D打印制备稀土强化等轴细晶零件的方法

技术领域

本发明属于材料加工技术领域，特别是涉及一种高能束金属3D打印制备稀土强化等轴细晶零件的方法。

背景技术

材料的强韧化是材料发展中非常重要的内容，以高温合金为例，高温合金是航空发动机中各种高温部件的关键材料，高温合金的综合性能和内部组织密切相关，用于航空发动机的低压涡轮叶片、涡轮转子等(其工作温度在760℃以下)，由于承受气动和离心力的作用，叶身中的拉应力和弯曲应力都比较大，这就要求叶片材料有足够的高温抗变形能力和好的低周疲劳寿命。因此，对于在中温以下使用的高温合金铸件，其组织特征要求：铸件截面应为尽可能细小的等轴晶，避免晶界上连续析出碳化物，尽可能少的微观缩孔和尽可能低的偏析。均匀的细晶组织可以提高材料的综合机械性能，增加抗疲劳能力，延长寿命。附图1为不同晶粒尺度的涡轮叶片金相照片，图1(a)为等轴晶零件。因此用于这部分需求的高温材料要发展细晶工艺。

液态金属在冷却过程中，固液界面前沿通常存在柱状晶与等轴晶的转化，也即当局部工艺参数满足时，熔池中任意地方均为等晶生长。因此，通过高能束加工得到等轴细晶零件基本上是和材料与工艺相关。例如笔者曾经对高温合金Rene95和不锈钢314L进行过研究，林鑫等人对不同基材料的柱状晶/等轴晶转化进行过理论计算，在激光激光加工的条件下，高温合金的转化区位于转化区线上，而不锈钢在落在柱状晶区，这就意味者前者比较容易获得等轴晶而后者容易获得柱状晶，参见附图2。这样分别控制工艺与材料则可以得到想要的组织。当熔池中存在大量的形核质点，或内生固相分数增多时，凝固组织易为等轴晶。通常人们在熔覆的过程中外加硬质颗粒或高熔点合金，以细化晶粒，提高耐磨与耐蚀性能，另外一种就是原位生成复合材料以细化晶粒。

高能束热源表面改性方面已经得到了广泛而有效的应用。结合数字制造技术，可以直接用来制备零件。这项技术就是目前非常热门的金属增材制造即金属3D打印技术。利用该技术可以打印内部流道、拐折、孔洞和悬垂结构，通常由于可以打印点阵结构，能够比传统制造方法减重7％左右，有的更是高达40％。特别适合在航空航天等领域的结构功能件。同时激光是一种典型的高能束流加工热源，激光熔池中有高的温度梯度和快的凝固速度，凝固组织一般比较细小大概是常规铸态组织约(50～200μm)小一到两个数量级(通常10μm左右)。

稀土及其氧化物是一种非常常见的细化剂，国际国内进行了很多尝试。多数人的研究是激光表面改性，由于稀土元素的加入，明显地改善了零件的显微组织，耐磨性提高了1-4倍，硬度增加，耐腐蚀性能提高。但是由于对其机理的研究不是太透彻，还没有普及并应用到实际工业领域。而且轻重稀土元素有17种之多，加上碳化物、氧化物、氮化物和金属间化合物，为涂层的改性，零件组织的细化提供了广阔的应用前景。还有的研究表明，在熔覆材料中加入了稀土元素后，熔覆层的显微组织得到了一定程度的细化，柱状晶的产生范围有所减小，熔覆层的显微硬度相应的提高，熔覆层的耐磨性比未加稀土的提高将近1倍，说明稀土元素在激光熔覆过程中进入熔覆层并对熔覆层的结晶过程产生影响，使熔覆层的强韧性同时得到提高。根据电子探针对熔覆层的成分进行面分析和线分析的实验结果可以看出，稀土Ce在熔覆层中较均匀的分布。西北工业大学的刘林课题组对晶粒细化进行了多年的深入研究，刘瑞瑞通过对稀土的选择，研究了稀土金属间化合物的在铸造条件下的工艺与组织性能，本发明意图在高能束表面改性或金属3D打印过程中，通过原位内生稀土金属间化合物，得到细晶的组织。北京航空工艺研究所的赵冰等对增材制造Ti合金进行了研究，他们的研究表明，通过合理的后续热处理加轧制的方法可以减少烧结过程的气孔等缺陷，从而得到等轴晶组织。

附图3为铸态条件下添加稀土添加剂前后的金相显微组织图。目前工业领域的其他常用金属材料如A1基、钛基、铁基和镁基材料是稀土添加剂研究最多的材料类型。外加的合金元素对合金的强化作用主要表现在固溶强化、时效强化、过剩强化和细晶组织强化。

电子束与激光技术相比具有成本低，和效率高的特点，有代表性的是瑞典的Arcam公司的产品，该公司的金属增材制造产品已经商品化，在航空等高技术领域中显露头角。在精度要求相对不高的情况下，可以采用电子束作为热源，当对精度要求较高时，则采用激光作为热源，获得所要求的稀土强化等轴细晶涂层甚至金属零件。金属增材制造法主要有送粉法和铺粉法，送粉法主要有同轴送粉和侧向送粉，在制备圆形或筒形零件是常用同轴送粉法，确保每一个部位都能形状和高度一致，侧向则是适合做各项异性的零件；同样烧结适合的温度低、强度差的零件，而熔融法则用于直接制备高性能金属零件。代表性的有EOS公司和Conceptlaser公司的产品。目前已经达到上万千瓦，两台甚至多台激光器同时运行的水平。

本发明的目的是利用当前比较热门的高能束3D打印的方法，通过控制工艺条件，分别添加稀土元素、稀土化合物和稀土元素以形成稀土金属间化合物，对组织进行细化和对性能进行强化，克服当前不能完全获得等轴晶零件和内部组织不均匀的不足。该方法最直接的应用将用在航空涡轮及燃气轮机中低温零件的制备上，这种工艺、材料的新结合在工业领域具有非常广阔的应用前景和巨大的社会经济效益。

发明内容

本发明利用高能束(电子束和激光束)3D打印加工技术，以添加稀土元素、稀土化合物及借助于相图得到稀土金属间化合物等诸方式，在高能束加工过程中得到相应的细化剂，得到组织细化的零件。该技术与传统技术相互补充，从而能获得优质的等轴晶涡轮叶片和涡轮转子等。该技术是一种具有简单，易行，智能化的高能束制备金属零件的方法，特别适合具有复杂结构的金属叶片等零件。该技术节省材料，组织性能良好，硬度高，质量有保证，加工效率高等特点。当高能束功率足够大的时候还可以单道次性成形。

附图说明

图1不同晶粒尺度的涡轮叶片金相照片，(a)等轴晶叶片(b)柱状晶叶片(c)单晶叶片

附图2为铸态条件下添加稀土添加剂前后的金相显微组织图。

附图3为铸态条件下未添加细化剂和添加细化剂的金相图。

附图4为激光金属3D打印定向凝固零件流程图。

具体实施方式

实施例：

为能进一步了解本发明的技术内容、特点及功效，兹列举以下实例，并配合附图详细说明如下：

参照附图4。

实施例1

一种激光制备稀土强化熔覆层及激光3D打印金属零件的方法，本实施例中材料选择镍基高温合金Incone1718，稀土元素为Y，添加量为0.5％，分别采用电子束和激光加工的方法，按图纸完成零件的制备。对零件的表面进行清洗和处理，完成零件加工后，对零件进行后处理，然后试车，装机运行。

实施例2

一种激光制备稀土强化熔覆层及激光3D打印金属零件的方法，本实施例中材料选择镍基高温合金Incone1718，稀土添加剂为La₂O₃，添加量为0.4％，在进行高能束强化制备3D打印金属零件的制备时，将数据输入到加工机，按图纸完成零件的制备。对零件的表面进行清洗和处理，然后试车，装机运行。

实施例3

一种激光制备稀土强化熔覆层及激光3D打印金属零件的方法，本实施例中材料选择镍基高温合金Incone1718，稀土元素为Ce，结合相图得到满足前述稀土强化金属间化合物的物质为BCeCo4，进行金属电子束和激光3D打印，按图纸完成零件的制备。对零件的表面进行清洗和处理，采用单道获然后将数据输入到加工机，完成熔覆后，对零件进行后处理，然后试车，装机运行。

Claims (6)

1.一种高能束金属3D打印制备稀土强化等轴细晶零件的方法，包括：

A.首先确定需要制备的涂层和零件，选择粉末和稀土添加剂，添加剂的方式有三类：元素、化合物及稀土金属间化合物。同时还要注重基材的选择，必须满足二者尽可能接近，其中熔点应该二者要尽可能匹配(即若零件是镍基高温合金，则基材也选用镍基高温合金，而且成分和结构越接近越能满足要求)，保证获得的涂层或零件为等轴细晶。涂层的扫描方向和涂层堆积高度及材料成分要根据零件的组织和性能进行布局。

B.对所要求产品分别进行电子束和激光进行加工，制备过程中，先对熔池进行模拟及计算，进行工艺参数选择，包括高能束流功率、送粉量、扫描速度、保护气体的流量，同时考虑质量检测对加工过程的质量和稳定性、连续性进行闭环控制，以保证获得的零件精度高，需后加工量小。对一些特殊的材料还要在真空下进行处理。

C.对金属涂层和零件进行组织和性能研究，同时还要进行后续机加工与抛光、喷漆等处理。

2.如权利要求1所述的一种高能束金属3D打印制备稀土强化等轴细晶零件的方法，其特征在于：根据打印零件的材质、形状、尺寸状况，对于热源为电子束，功率为3500～4000瓦，扫描速度8km/s，单层厚度50～200μm。对于热源激光器，激光器的功率为200～400W，扫描速度5～12m/s，单层厚度20-80μm，光斑直径50～200μm。

3.如权利要求2所述的一种高能束金属3D打印制备稀土强化等轴细晶零件的方法，其特征在于：所述步骤B包括

B1根据需要制备的零件，利用AutoCAD或ProEWildfire5.0获得三维模型，或者利用反求的访法获得三维模型。

B2利用第三方软件将模型分层切片，得到.st1文件；

B3输入涂层的电子数据，打开激光成形系统，形成零件；

B5根据受热情况，决定采用岛形或线形烧结。

4.如权利要求1所述的一种高能束金属3D打印制备稀土强化等轴细晶零件的方法，其特征在于：所述步骤C包括

C1将制备后的金属件取下；

C2对制备后零件进行后续热处理，以改善组织和性能；

C3对制备部位或表面精度未符合设计要求的部位进行后续加工。

5.如权利要求2所述的一种高能束金属3D打印制备稀土强化等轴细晶零件的方法法，其特征在于：打印过程中，保护气体氩气的流量为3-7ml/min。

6.如权利要求2所述的一种高能束金属3D打印制备稀土强化等轴细晶零件的方法，其特征在于：修复过程中，采用实时监控和温度、位置传感器进行闭环控制，确保打印质量。