CN105642892B - 激光增材制造in718合金成形固溶强化方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种激光增材制造IN718合金成形固溶强化方法，包括以下步骤：向IN718原始合金粉末中添加固溶强化元素，形成复合粉末；将步骤1得到的复合粉末作为激光熔化成形的原材料，采用SLM成形机进行激光熔化成形。优点为：(1)巧妙利用了激光高温瞬间熔凝的加工特点，通过简单添加固溶强化元素粉末，在零件的成形过程中完成了固溶强化热处理，满足了SLM技术成形IN718零件的复杂度和高强度的双重要求；(2)由于省去了后续的热处理过程，由此能够保持不破坏基体细晶组织的前提下，达到细晶和固溶强化双重目的。
Description
技术领域
本发明属于金属粉末激光熔化增材制造技术领域，具体涉及一种激光增材制造IN718合金成形固溶强化方法。
背景技术
“3D打印”技术，也称为增材制造技术，属于快速成型技术的一种。它是一种以数字模型文件为基础，通过软件分层离散和数控成型系统，利用激光束、热熔喷嘴等方式将粉末状金属或塑料等可粘合材料，进行逐层堆积黏结最终叠加成型，制造出实体产品的技术。
3D打印的核心原理是“分层制造，逐层叠加”，与传统“减材制造”的制造技术相比，3D打印技术将机械、材料、计算机、通信、控制技术和生物医学等技术融合贯通，具有实现一体制造复杂形状工件、大大缩短产品生产周期、节省大量材料、提高生产效率等明显优势。具体的，首先，3D打印技术的应用领域将不断扩大(广度)；其次，3D打印技术在各个应用领域的应用层面不断深入(深度)；再者，3D打印技术自身的物化形式(装备与工艺)将更加丰富。由此，该技术必然在不久的将来快速渗透到国防、航空航天、电力、汽车、生物医学模具、铸造、电力、农业、家电、工艺美术、动漫等诸多领域，深刻影响着上述领域的设计理念，并配合其他技术(包括传统技术)，完善、甚至更新某些司空见惯的制造方案，使制造更为智能、简捷、绿色，产品性能更加贴近理想状态。2012年以来，3D打印逐渐成为科技界的热点，被誉为“第四次工业革命最具标志性的生产技术”，其发展前景之广阔难以估量。全球3D打印行业的市场规模在保持25％-30％的平均增速基础上不断上扬。
高温合金是指以铁、镍、铀为基，能在600℃以上的高温及一定应力作用下长期工作的一类金属材料。高温合金具有较高的高温强度，良好的抗氧化和抗热腐蚀性能，良好的疲劳性能、断裂韧性、塑性等综合性能。高温合金为单一奥氏体基体组织，在各种温度下具有良好的组织稳定性和使用的可靠性。IN718合金是以体心四方的γ"和面心立方的γ′相沉淀强化的镍基高温合金，在-253～700℃温度范围内具有良好的综合性能，650℃以下的屈服强度居变形高温合金的首位，并具有良好的抗疲劳、抗辐射、抗氧化、耐腐蚀性能，以及良好的加工性能、焊接性能和长期组织稳定性，能够制造各种形状复杂的零部件，在宇航、核能、石油工业中，在上述温度范围内获得了极为广泛的应用。由于IN718合金高温下的高强度特性，致使加工成形该合金存在困难，所成形的零件不但具有较低结构复杂度，而且加工工艺周期较长，切削困难，材料利用率低，有时材料利用率甚至达到10％以下。
基于上述成形局限性，目前已有科研机构通过选择性激光熔化(Selective LaserMelting；SLM)技术成形高温合金零件，不但提高了零件成形的复杂度，而且会在合金内部形成快速凝固组织，组织结构更加细小，为零件材料提供更为优越的性能。如图1所示，为SLM技术成形IN718合金的微观细晶组织图，可见，为SLM成形过程保留了快速凝固微细组织。但是，目前SLM制造的零件，后期同样进行传统铸造及锻造工艺必要的热处理，导致本来SLM成形过程保留的快速凝固微细组织(图1)就会被破坏，而最终可能为较粗大的晶粒组织替代，参考图2，为采用传统方法热处理后IN718合金的微观组织图，由图2可以看出，采用传统铸造及锻造工艺等热处理后，得到较粗大的晶粒组织。可见，后期热处理过程消除了SLM技术制造IN718合金零件内部组织的优越性。
发明内容
针对现有技术存在的缺陷，本发明提供一种激光增材制造IN718合金成形固溶强化方法，可有效解决上述问题。
本发明采用的技术方案如下：
本发明提供一种激光增材制造IN718合金成形固溶强化方法，包括以下步骤：
步骤1，通过三维运动重力混合的方式，向IN718原始合金粉末中添加固溶强化元素，形成复合粉末；其中，混合时间为20～50小时；固溶强化元素在复合粉末中的质量百分数为0.1～1.5％；固溶强化元素的粒度d1范围为：0＜d1＜5um；IN718原始合金粉末的粒度d2范围为：0＜d2＜60um；
步骤2，将步骤1得到的复合粉末作为激光熔化成形的原材料，采用SLM成形机进行激光熔化成形；其中，激光熔化成形的工艺参数设置为：激光功率：300～1000W；扫描速度：1000～3000mm/s；加工层厚：0.03～0.05mm；扫描间隔0.03～0.1mm。
优选的，所述固溶强化元素为钨、钼、铬和钒中的一种或几种混合物。
优选的，所述IN718原始合金粉末为球形形貌。
优选的，步骤2具体为：
步骤2.1，计算机建立待成形零件的几何模型，并对所建立的几何模型进行切片和分层处理，规划得到对每层的激光扫描路径；
步骤2.2，向SLM成形机的储粉缸中放置步骤1得到的复合粉末；将成形基板上升到指定高度；
步骤2.3；送粉装置将储粉缸中的复合粉末均匀铺到成形基板上，其中，铺到成形基板的复合粉末层厚为0.03～0.05mm；
步骤2.4，然后，激光振镜扫描装置以300～1000W的激光功率、1000～3000mm/s的扫描速度以及0.03～0.1mm的单线扫描间隔，按已规划的激光扫描路径，对成形基板上的复合粉末进行扫描；被扫描区域的复合粉末快速熔凝固化，形成零件的一层；
步骤2.5，控制成形基板下降一个层厚的距离，在快速熔凝固化后的薄层表面铺上一层新的复合粉末，进行下一次的扫描加工，如此不断循环，直到制造完成整个零件；
待整个零件均制备完成后，即完成激光熔化成形工艺。
优选的，步骤2.4中，还包括：激光扫描采用分块单元方式，单元内单根激光扫描线的长度范围：15～45mm。
优选的，步骤2.4中，激光振镜扫描装置以800～1000W的激光功率、2000～3000mm/s的扫描速度以及0.03～0.08mm的单线扫描间隔，按已规划的激光扫描路径，对成形基板上的复合粉末进行扫描。
优选的，步骤2.4中，激光振镜扫描装置以900W的激光功率、2500mm/s的扫描速度以及0.05mm的单线扫描间隔，按已规划的激光扫描路径，对成形基板上的复合粉末进行扫描。
本发明提供的激光增材制造IN718合金成形固溶强化方法具有以下优点：
(1)巧妙利用了激光高温瞬间熔凝的加工特点，通过简单添加固溶强化元素粉末，在零件的成形过程中完成了固溶强化热处理，满足了SLM技术成形IN718零件的复杂度和高强度的双重要求；
(2)由于省去了后续的热处理过程，由此能够保持不破坏基体细晶组织的前提下，达到细晶和固溶强化双重目的。
附图说明
图1为S LM技术成形IN718合金的微观细晶组织图；
图2为采用传统方法热处理后IN718合金的微观组织图；
图3为激光增材制造IN718合金成形固溶强化方法的流程示意图；
图4为IN718原始合金粉末的球形形貌图；
图5为本所明所采用的SLM成形机的结构示意图；
其中，1-激光器；2-光路系统；3-振镜系统；4-加热灯丝；5-加热罩；6-计算机；7-成形基板；8-储粉缸；9-铺粉装置。
具体实施方式
以下结合附图对本发明进行详细说明：
本发明提供一种激光增材制造IN718合金成形固溶强化方法，通过预先向IN718原始合金粉末中添加固溶强化元素，并调整IN718原始合金粉末中所添加固溶强化元素的质量百分比，进而改变IN718原始合金粉末在SLM成形条件下固溶性能强化机制，最终既保持了成形过程中产生的有利的微观细晶组织，也同时产生了必要的固溶强化效果。
如图3所示，为激光增材制造IN718合金成形固溶强化方法的流程示意图，包括以下步骤：
步骤1，通过三维运动重力混合的方式，向IN718原始合金粉末中添加固溶强化元素，其中，固溶强化元素为钨、钼、铬和钒中的一种或几种混合物，从而形成复合粉末；其中，IN718原始合金粉末为球形形貌，如图4所示，为IN718原始合金粉末的球形形貌图；混合时间为20～50小时；固溶强化元素在复合粉末中的质量百分数为0.1～1.5％；固溶强化元素的粒度d1范围为：0＜d1＜5um；IN718原始合金粉末的粒度d2范围为：0＜d2＜60um；
步骤2，将步骤1得到的复合粉末作为激光熔化成形的原材料，采用SLM成形机进行激光熔化成形；其中，激光熔化成形的工艺参数设置为：激光功率：300～1000W；扫描速度：1000～3000mm/s；加工层厚：0.03～0.05mm；扫描间隔0.03～0.1mm。优选的，激光功率800～1000W；扫描速度2000～3000mm/s以及单线扫描间隔0.03～0.08mm。更优选的，激光功率900W；扫描速度2500mm/s以及单线扫描间隔0.05mm。
本步骤具体为：
步骤2.1，计算机建立待成形零件的几何模型，并对所建立的几何模型进行切片和分层处理，规划得到对每层的激光扫描路径；
步骤2.2，向SLM成形机的储粉缸中放置步骤1得到的复合粉末；将成形基板上升到指定高度；
步骤2.3；送粉装置将储粉缸中的复合粉末均匀铺到成形基板上，其中，铺到成形基板的复合粉末层厚为0.03～0.05mm；
步骤2.4，然后，激光振镜扫描装置以300～1000W的激光功率、1000～3000mm/s的扫描速度以及0.03～0.1mm的单线扫描间隔，按已规划的激光扫描路径，对成形基板上的复合粉末进行扫描；被扫描区域的复合粉末快速熔凝固化，形成零件的一层；
本步骤中，激光扫描采用分块单元方式，单元内单根激光扫描线的长度范围：15～45mm。
步骤2.5，控制成形基板下降一个层厚的距离，在快速熔凝固化后的薄层表面铺上一层新的复合粉末，进行下一次的扫描加工，如此不断循环，直到制造完成整个零件；
待整个零件均制备完成后，即完成激光熔化成形工艺。
下面介绍一组比较例：
试验例：
步骤1，通过三维运动重力混合的方式，向IN718原始合金粉末中添加固溶强化元素，其中，固溶强化元素为钨、钼、铬和钒的混合物，从而形成复合粉末；其中，IN718原始合金粉末为球形形貌，混合时间为50小时；固溶强化元素在复合粉末中的质量百分数为1.5％；固溶强化元素的粒度d1范围为：0＜d1＜5um；IN718原始合金粉末的粒度d2范围为：0＜d2＜60um；
步骤2，将步骤1得到的复合粉末作为激光熔化成形的原材料，采用SLM成形机进行激光熔化成形；其中，激光熔化成形的工艺参数设置为：激光功率：900W；扫描速度：2500mm/s；加工层厚：0.03mm；扫描间隔0.05mm。本步骤具体为：
步骤2.1，计算机建立待成形零件的几何模型，并对所建立的几何模型进行切片和分层处理，规划得到对每层的激光扫描路径；
步骤2.2，向SLM成形机的储粉缸中放置步骤1得到的复合粉末；将成形基板上升到指定高度；
步骤2.3；送粉装置将储粉缸中的复合粉末均匀铺到成形基板上；
步骤2.4，然后，激光振镜扫描装置以900W的激光功率、2500mm/s的扫描速度以及0.05mm的单线扫描间隔，按已规划的激光扫描路径，对成形基板上的复合粉末进行扫描；被扫描区域的复合粉末快速熔凝固化，形成零件的一层；
本步骤中，激光扫描采用分块单元方式，单元内单根激光扫描线的长度范围：15～45mm。
步骤2.5，控制成形基板下降一个层厚的距离，在快速熔凝固化后的薄层表面铺上一层新的复合粉末，进行下一次的扫描加工，如此不断循环，直到制造完成整个零件；
待整个零件均制备完成后，即完成激光熔化成形工艺。由此制备得到试验例所制备得到的合金零件，记为合金零件a。
对照例：
步骤1，采用试验例所采用的完全相同的IN718原始合金粉末作为激光熔化成形的原材料，采用SLM成形机进行激光熔化成形；其中，激光熔化成形的工艺参数设置为：激光功率：900W；扫描速度：2500mm/s；加工层厚：0.03mm；扫描间隔0.05mm。本步骤具体为：
步骤1.1，计算机建立待成形零件的几何模型，并对所建立的几何模型进行切片和分层处理，规划得到对每层的激光扫描路径；
步骤1.2，向SLM成形机的储粉缸中放置IN718原始合金粉末；将成形基板上升到指定高度；
步骤1.3；送粉装置将储粉缸中的IN718原始合金粉末均匀铺到成形基板上；
步骤1.4，然后，激光振镜扫描装置以900W的激光功率、2500mm/s的扫描速度以及0.05mm的单线扫描间隔，按已规划的激光扫描路径，对成形基板上的IN718原始合金粉末进行扫描；被扫描区域的IN718原始合金粉末熔凝固化，形成零件的一层；
本步骤中，激光扫描采用分块单元方式，单元内单根激光扫描线的长度范围：15～45mm。
步骤1.5，控制成形基板下降一个层厚的距离，在熔凝固化后的薄层表面铺上一层新的IN718原始合金粉末，进行下一次的扫描加工，如此不断循环，直到制造完成整个零件；
步骤2，将步骤1制备得到的零件进行热处理，热处理为：在温度600-950℃，真空度5.0×10-2-6×10-4Pa下，保温时间2-4h。
由此制备得到合金零件，将对照例制备得到的合金零件记为合金零件b。
对合金零件a和合金零件b进行测试，测试结果如下：
合金零件a的抗拉强度为1360MPa；屈服强度为1000MPa，并且，合金零件a保留SLM成形过程形成的快速凝固微细组织，见图1。
合金零件b的抗拉强度为1160MPa；屈服强度为800MPa，并且，合金零件具有较粗大的晶粒组织，见图2。
本发明提供的激光增材制造IN718合金成形固溶强化方法，SLM成形过程中，复合粉末经过激光快速熔凝，由于熔化温度大多数都在2000℃以上，此温度对应的合金元素在基体中的溶解度远高于其添加的含量百分比。因此，本发明主要采用添加固溶强化元素的方法，在后续的成形合金化中，增加基体中此类元素的过饱和度，由于熔化光斑直径非常小(一般低于0.1mm)，瞬间凝固使溶解的元素无法按照平衡冷却对应的溶解度变化方式析出，这种快速凝固造成基体中存在过饱和的固溶元素，增强了固溶强化效果。因此，SLM成形后的IN718合金零件不进行任何热处理，保持SLM成形组织不受破坏。而常规方法在SLM成形IN718合金后，依然采用传统的热处理方法进行热处理，虽然保持住SLM成形零件的复杂度特点，但在零件性能上并无更多改进。
本发明提供的激光增材制造IN718合金成形固溶强化方法，具有以下优点：
(1)巧妙利用了激光高温瞬间熔凝的加工特点，通过简单添加固溶强化元素粉末，在零件的成形过程中完成了固溶强化热处理，满足了SLM技术成形IN718零件的复杂度和高强度的双重要求；经实验证实，采用本发明的方法，SLM成形后的合金，不进行任何热处理，其具有优异的力学性能，包括：抗拉强度、屈服强度等；并且，其所具有的力学性能还要略优异于采用常规IN718粉末同时进行后续热处理所得到的合金力学性能。
(2)通过较高激光输出功率与快速的扫描速度以及较短的单线扫描距离相配合，产生较高的熔凝速度，从而完成固溶效应，方法简单可行；
(3)添加固溶强化元素后，省去了SLM成形IN718合金的热处理工艺，后续的自然时效有可能替代强制时效而达到同样强化效果；
(4)由于省去了后续的热处理过程，由此能够保持不破坏基体细晶组织的前提下，达到细晶和固溶强化双重目的。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种激光增材制造IN718合金成形固溶强化方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，通过三维运动重力混合的方式，向IN718原始合金粉末中添加固溶强化元素，形成复合粉末；其中，混合时间为20～50小时；固溶强化元素在复合粉末中的质量百分数为0.1～1.5％；固溶强化元素的粒度d1范围为：0＜d1＜5um；IN718原始合金粉末的粒度d2范围为：0＜d2＜60um；
步骤2，将步骤1得到的复合粉末作为激光熔化成形的原材料，采用SLM成形机进行激光熔化成形；其中，激光熔化成形的工艺参数设置为：激光功率：300～1000W；扫描速度：1000～3000mm/s；加工层厚：0.03～0.05mm；扫描间隔0.03～0.1mm。
2.根据权利要求1所述的激光增材制造IN718合金成形固溶强化方法，其特征在于，所述固溶强化元素为钨、钼、铬和钒中的一种或几种混合物。
3.根据权利要求1所述的激光增材制造IN718合金成形固溶强化方法，其特征在于，所述IN718原始合金粉末为球形形貌。
4.根据权利要求1所述的激光增材制造IN718合金成形固溶强化方法，其特征在于，步骤2具体为：
步骤2.1，计算机建立待成形零件的几何模型，并对所建立的几何模型进行切片和分层处理，规划得到对每层的激光扫描路径；
步骤2.2，向SLM成形机的储粉缸中放置步骤1得到的复合粉末；将成形基板上升到指定高度；
步骤2.3；送粉装置将储粉缸中的复合粉末均匀铺到成形基板上，其中，铺到成形基板的复合粉末层厚为0.03～0.05mm；
步骤2.4，然后，激光振镜扫描装置以300～1000W的激光功率、1000～3000mm/s的扫描速度以及0.03～0.1mm的单线扫描间隔，按已规划的激光扫描路径，对成形基板上的复合粉末进行扫描；被扫描区域的复合粉末快速熔凝固化，形成零件的一层；
步骤2.5，控制成形基板下降一个层厚的距离，在快速熔凝固化后的薄层表面铺上一层新的复合粉末，进行下一次的扫描加工，如此不断循环，直到制造完成整个零件；
待整个零件均制备完成后，即完成激光熔化成形工艺。
5.根据权利要求4所述的激光增材制造IN718合金成形固溶强化方法，其特征在于，步骤2.4中，还包括：激光扫描采用分块单元方式，单元内单根激光扫描线的长度范围：15～45mm。
6.根据权利要求4所述的激光增材制造IN718合金成形固溶强化方法，其特征在于，步骤2.4中，激光振镜扫描装置以800～1000W的激光功率、2000～3000mm/s的扫描速度以及0.03～0.08mm的单线扫描间隔，按已规划的激光扫描路径，对成形基板上的复合粉末进行扫描。
7.根据权利要求6所述的激光增材制造IN718合金成形固溶强化方法，其特征在于，步骤2.4中，激光振镜扫描装置以900W的激光功率、2500mm/s的扫描速度以及0.05mm的单线扫描间隔，按已规划的激光扫描路径，对成形基板上的复合粉末进行扫描。
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