CN105689710B - 一种高能束金属增材制造的微观组织调控方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高能束金属增材制造的微观组织调控方法，具体为：步骤1，根据所需成形的目标材料的形状及其凝固相和微观组织结构，设定与之相匹配的高能束和感应加热双热源同步加热温度场调控参数；步骤2，将目标材料放入送料装置，并将目标材料基材板放入充氩惰性气氛加工室，按照步骤1设定加工参数，进行增材制造成形，其中增材制造成形过程中的氧气含量保持在100ppm以下。本发明通过高能束和同步感应加热的耦合作用，调控熔池及周边区域的温度梯度、熔池凝固速度等热行为，进而控制成形材料的凝固组织和微观相结构的形成，例如微观组织形态、尺度等。
Description
技术领域
本发明属于金属材料显微组织控制技术领域，涉及一种高能束金属增材制造的微观组织调控方法。
背景技术
众所周知，材料的性能由其微观组织决定，伴随着我国航空航天事业的蓬勃发展，对材料的性能的要求也提出了更高的要求。航空发动机涡轮机叶片从最初的锻造叶片发展到真空熔模铸造叶片，20世纪60年代又兴起了采用定向凝固铸造代替了原先的普通铸造，叶片组织也从最初的等轴晶发展到柱状晶，而现在航空发动机燃烧室的涡轮叶片采用的都是单晶组织。这是因为即使同一种材料由于内部组织结构的不同，材料的性能的差别显著。因此，零件制造过程中对于微观组织的控制极为重要；另一方面，同一构件的不同部位可能处于不同的服役条件下，比如航空发动机的涡轮盘，盘心部位在较低的温度下长期工作，承受拉应力较大，进而要求其组织具有高强度、高塑性和优良的低周疲劳性能，而盘缘部位长期在较高温度下工作，要求其组织具有优良的高温拉伸性能、高温蠕变抗力、裂纹扩展抗力以及较高的断裂韧性。上述要求都是单一材料单一组织无法满足的，因此，制造出不同部位具有不同的组织性能的构件将是解决这一问题的一种方法。如今高能束增材制造技术已经取得了长足的发展，可以成形出各种形状的构件来，采用的是逐层堆积的方法将构件打印出来，只要控制好熔池的凝固条件以及后续的热历史行为，就可以得到具有不同凝固组织和相结构的构件，也可在不同部位实现微观组织的控制，但由于仅靠高能束加工的过程热行为有其局限性，难以满足许多材料增材制造构件的微观组织控制需求。
为了满足这种需求我们在高能束作为热源的基础上添加一个辅助热源进行耦合，这种技术方案在诸多国内外专利与论文中被用于激光熔覆和焊接领域中。但是这种技术在高能束增材制造中并未有很好的研究。相比于激光熔覆，高能束增材制造。中国专利(申请号201120111456.7，申请日2011-04-15，公开日2011-11-30)公开了一种激光感应复合熔化直接成形装置，中国发明专利(申请号201110094071.3，申请日2011-04-15，公开日2011-09-14)公开了一种激光感应复合熔化直接成形方法及装置，两者都具备以下优点：①加工效率高；②零件组织致密，成分均匀，晶粒细小，力学性能优良；③加工得到的产品残余应力较小，无变形和开裂现象。但是上述的两项专利仅仅是在激光单热源成形的基础上通过添加感应加热来达到预热效果，并没有涉及双热源工艺匹配调控成形温度场的方法，而温度场的可控正是微观组织控制的基础。
发明内容
本发明的目的是提供一种高能束金属增材制造的微观组织调控方法，在成形过程中通过调节双热源的匹配性来调控温度场分布，以控制成形过程中的微观组织形成。
本发明所采用的技术方案是，一种高能束金属增材制造的微观组织调控方法，具体按以下步骤实施：
步骤1，根据所需成形的目标材料的形状及其凝固相和微观组织结构，设定与之相匹配的高能束与感应加热双热源同步加热温度场调控参数；
步骤2，将目标材料放入送料装置，并将目标材料基材板放入充氩惰性气氛加工室，按照步骤1设定加工参数，进行增材制造成形，其中增材制造成形过程中的氧气含量保持在100ppm以下。
本发明的特点还在于，
步骤1中温度场调控参数包括感应线圈参数和双热源加热参数。
感应线圈参数的选取具体为：成形三维实体零件时，选用圆形线圈；成形薄壁零件时，可根据薄壁零件高度方向的截面轮廓形状选用形状相似的细长线圈。
圆形线圈直径为2cm～10cm，加工时线圈放置在加工平面上方并将线圈与基材板的距离设置在1mm～10mm；细长线圈放置在薄壁零件加工平面，将零件包围，且保持与零件轮廓相等的间距，距离设置为1mm～10mm。
线圈为直径3mm～10mm的铜管。
高能束为激光束，双热源加热参数包括激光束参数和感应加热参数，其中激光束参数：激光功率为300～8000W、光斑直径为2～7mm，感应加热参数：感应加热功率为30～100KW、感应加热频率为15～50kHz。
步骤2具体为：在数控系统上设定扫描路径，确定扫描速度；打开送料器调整送料速率；设定激光束和感应加热参数；开启激光器和感应加热器进行同步加热，每扫描一层后运动平台下降，控制单层熔覆高度，如此反复直至零件成形完毕。
所述扫描速度为300～2000mm/min，送料速率为2～40g/min。
单层熔覆高度为0.2～2mm。
本发明的有益效果是，本发明通过使高能束和同步辅助的耦合作用，控制熔池及周边区域的温度梯度、熔池凝固速度等热行为，进而控制成形材料的凝固组织和微观相结构的形成，例如，微观组织形态、尺度等。
附图说明
图1是本发明调控过程装置的结构示意图；
图2是成形薄壁零件时的装置示意图；
图3是实施例1调控成形后的TC4的显微组织图；
图4是实施例2调控成形后的TC4的显微组织图。
图中，1.激光器，2.感应加热器，3.送料器，4.计算机，5.运动平台，6.感应线圈，7.光斑。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明提供了一种高能束金属增材制造的微观组织调控方法，具体按以下步骤实施：
步骤1，根据所需成形的目标材料的形状及其凝固相和微观组织结构，设定与之相匹配的高能束与感应加热双热源同步加热温度场调控参数，温度场调控参数包括感应线圈参数和双热源加热参数：
1.1感应线圈的选取
根据成形零件的形状选择合适的线圈：成形三维实体零件时，可选用圆形线圈，且线圈直径为2cm～10cm，加工时线圈放置在加工平面上方并将线圈与基材板的距离设置在1mm～10mm；当成形薄壁零件时，也可根据薄壁零件高度方向的截面轮廓形状选用形状相似的细长线圈，将其放置在薄壁件加工平面，将零件包围，且保持与零件轮廓相等的间距，距离设置为1mm～10mm。线圈为直径3mm～10mm的铜管。将选好的线圈安装在感应加热器上。
1.2双热源加热参数
本发明采用的高能束为激光束，双热源加热参数包括激光束参数和感应加热参数，其中激光束参数：激光功率为300～8000W、光斑直径为2～7mm，感应加热参数：感应加热功率为30～100KW、感应加热频率为15～50kHz。
步骤2，将目标材料放入送料装置，并将目标材料基材板放入充氩惰性气氛加工室，其中增材制造成形过程中的氧气含量保持在100ppm以下。
步骤3，在数控系统上设定扫描路径，并确定扫描速度，扫描速度为300～2000mm/min；打开送料器调整送料速率，送料速率为2～40g/min；按照步骤1设定激光器和感应加热器的参数，开启激光器和感应加热器进行同步加热，每扫描一层后运动平台下降，单层熔覆高度为0.2～2mm，如此反复直至零件成形完毕。
成形三维实体零件时，感应线圈与高能束不动，成形件随运动平台运动；成形薄壁零件时，高能束不动，感应线圈与成形件都随运动平台运动。
步骤4，关闭激光器器与感应加热器，将零件在充氩惰性气氛保护室的惰性气氛中冷却至室温取出。
本发明所用的激光束还可以是等离子束或电子束中的任意一种。
送料方式可以是送粉和送丝中的任意一种。
本发明中凝固相和微观组织结构与双热源同步加热温度场调控参数匹配的理论为：
对加工参数数值范围进行分段并模拟温度场，获得加工参数对应的熔池凝固条件(包括熔池凝固界面的温度梯度和凝固速度)；通过Lin建立的等轴晶柱状晶转变(CET)数值模型(林鑫,李延民,王猛,冯莉萍,陈静,黄卫东.合金凝固列状晶/等轴晶转变[J].中国科学E辑:技术科学,2003,07)对目标材料计算得到CET曲线图，其中Lin的模型是基于枝晶生长理论建立起来的多元合金CET模型，通过这个模型可以求得多元合金凝固CET的临界转变温度梯度和凝固速度。根据温场模拟获得的高能束/感应加热复合工艺的熔池温场及凝固条件，并结合CET条件，确定高能束/感应双热源匹配的加工参数，由此可以建立起双热源工艺参数与凝固组织形态的对应关系。针对高能束参数与感应加热参数进行正交实验并对实验制备的样品进行金相实验处理，在光镜下测得相结构的长宽比，由此可以建立起双热源匹配工艺参数与微观相结构形态的对应关系；最终，根据期望获得的凝固组织和微观相结构，综合考虑复合工艺参数与凝固组织、微观相结构的关系，选取所需高能束与感应加热复合的成形工艺参数。
图1为本发明调控过程装置结构示意图，在激光束的作用下，成形构件内部在快速凝固条件下，由于快热快冷作用会形成非平衡组织，很多对材料性能有益相和显微组织在如此快的凝固速率下根本无法形成，即使形成了尺寸也受到了限制，这对提升材料的性能不利。本发明将实施参数输入计算机4，在加工过程中通过计算机4选取相对应的实施参数，并控制运动平台运动5，加工过程中通过耦合激光器1的功率、光斑7大小，感应加热器2的输入功率、频率，感应线圈6的线圈形状，送粉器3的送粉速率，在成形过程中，控制熔池及周边区域的温度梯度和熔池凝固速度，控制材料的凝固组织，促进有益相的形成和长大。通过对温度场调控，还能对凝固组织的晶粒取向和晶粒大小起到一定的调控作用。
图2为成形薄壁零件时的装置示意图，所用线圈为矩形线圈，线圈与加工平面平齐，将零件包围，且线圈轮廓与零件轮廓保持同样的间距。
本发明通过在高能束加工位置周围添加同步辅助加热装置，通过两个热源的耦合作用，控制熔池及周边区域的温度梯度、熔池凝固速度等热行为，进而控制成形材料的凝固组织和微观相结构的形成，例如，微观组织形态、尺度等。成形过程中，高能束和同步辅助加热的匹配关系，与材料和希望得到的微观组织和相结构有关。
实施例1
步骤1，设定TC4目标凝固组织为小柱状晶与等轴晶夹杂，且相结构长宽比为1～50，并由此选取了激光感应复合成形工艺参数。
步骤2，此次成形件为薄壁件，故选取由直径为10mm的铜管制得的矩形线圈并将线圈与成形件的距离设置在10mm。将选好的线圈安装在感应加热器上。
步骤3，将TC4粉放入送粉器，并将TC4基材板放入充氩惰性气氛加工室，其中增材制造成形过程中的氧气含量保持在100ppm以下；
步骤4，在数控系统上设定扫描路径，并确定扫描速度为2000mm/min。打开送粉器并设置送粉速率为40g/min。设定激光功率为8000W、光斑直径为7mm、感应加热功率为100KW、感应加热频率为50kHz，开启高能束发生器和感应加热器进行同步加热，每扫描一层后运动平台下降，单层熔覆高度为2mm，如此反复直至零件成形完毕。成形时，激光束不动，感应线圈与成形件随运动平台运动。
步骤5，关闭高能束发生器与感应加热器，让零件在充氩惰性气氛保护室的惰性气氛中冷却至室温取出，即完成了微观组织的调控。
图3为调控成形后的TC4的显微组织图，其微观组织的长宽比为1～50。
实施例2
步骤1，设定TC4目标凝固组织外延生长的粗大柱状晶，且相结构长宽比为100～1000，并由此选取了激光感应复合成形工艺参数。
步骤2，此次成形件为薄壁件，故选取由直径为3mm的铜管制得的矩形线圈并将线圈与成形件的距离设置在5mm。将选好的线圈安装在感应加热器上。
步骤3，将TC4粉放入送粉器，并将TC4基材板放入充氩惰性气氛加工室，其中增材制造成形过程中的氧气含量保持在100ppm以下。
步骤4，在数控系统上设定扫描路径，并确定扫描速度为300mm/min。打开送粉器并设置送粉速率为2g/min。设定激光功率为300W、光斑直径为2.9mm、感应加热功率为30KW、感应加热频率为15kHz，开启高能束发生器和感应加热器进行同步加热，每扫描一层后运动平台下降，单层熔覆高度为0.2mm，如此反复直至零件成形完毕。成形时，激光束不动，感应线圈与成形件随运动平台运动。
步骤5，关闭高能束发生器与感应加热器，让零件在充氩惰性气氛保护室的惰性气氛中冷却至室温取出，即完成了微观组织的调控。
图4为调控成形后的TC4的显微组织图，其微观组织的长宽比为100～1000。
实施例3
步骤1，设定GH4169目标凝固组织外延生长的粗大柱状晶，且得到了γ+δ相，长宽比为0.25～0.30，并由此选取了激光感应复合成形工艺参数。
步骤2，此次成形件为立体件，故选取由直径为4mm的铜管制成直径为2cm的圆形线圈并将线圈与加工平面的距离设置在5mm。将选好的线圈安装在感应加热器上。
步骤3，将GH4169粉放入送粉器，并将GH4169基材板放入充氩惰性气氛加工室，其中增材制造成形过程中的氧气含量保持在100ppm以下；
步骤4，在数控系统上设定扫描路径，并确定扫描速度为700mm/min。打开送粉器并设置送粉速率为20g/min。设定激光功率为2200W、光斑直径为3mm、感应加热功率为80KW、感应加热频率为50Hz，开启高能束发生器和感应加热器进行同步加热，每扫描一层后运动平台下降，单层熔覆高度为0.9mm，如此反复直至零件成形完毕。成形时，激光束和感应线圈不动，成形件随运动平台运动。
步骤5，关闭高能束发生器与感应加热器，让零件在充氩惰性气氛保护室的惰性气氛中冷却至室温取出，即完成了微观组织的调控。
实施例4
步骤1，设定GH4169目标凝固组织外延生长的粗大柱状晶，且得到了γ”+Laves相，长宽比为0.5～2.0，并由此选取了激光感应复合成形工艺参数。
步骤2，此次成形件为立体件，故选取由直径为3mm的铜管制成直径为5cm的圆形线圈并将线圈与加工平面的距离设置在5mm。将选好的线圈安装在感应加热器上。
步骤3，将GH4169粉放入送粉器，并将GH4169基材板放入充氩惰性气氛加工室，其中增材制造成形过程中的氧气含量保持在100ppm以下。
步骤4，在数控系统上设定扫描路径，并确定扫描速度为900mm/min。打开送粉器并设置送粉速率为18g/min。设定激光功率为3000W、光斑直径为3mm、感应加热功率为100KW、感应加热频率为50Hz，开启高能束发生器和感应加热器进行同步加热，每扫描一层后运动平台下降，单层熔覆高度为1.0mm，如此反复直至零件成形完毕。成形时，激光束和感应线圈不动，成形件随运动平台运动。
步骤5，关闭高能束发生器与感应加热器，让零件在充氩惰性气氛保护室的惰性气氛中冷却至室温取出，即完成了微观组织的调控。
实施例5
步骤1，设定Ti60目标凝固组织外延生长的粗大柱状晶，且相结构长宽比为1.5～3.5，并由此选取了激光感应复合成形工艺参数。
步骤2，此次成形件为薄壁件，故选取由直径为3mm制得的矩形线圈并将线圈与成形件的距离设置在5mm。将选好的线圈安装在感应加热器上。
步骤3，将Ti60粉放入送粉器，并将Ti60基材板放入充氩惰性气氛加工室，其中增材制造成形过程中的氧气含量保持在100ppm以下。
步骤4，在数控系统上设定扫描路径，并确定扫描速度为1100mm/min。打开送粉器并设置送粉速率为22g/min。设定激光功率为1500W、光斑直径为4mm、感应加热功率为50KW、感应加热频率为50Hz，开启高能束发生器和感应加热器进行同步加热，每扫描一层后复合加工头不动，运动平台下降，单层熔覆高度为1.2mm，如此反复直至零件成形完毕。成形时，激光束不动，感应线圈与成形件随运动平台运动。
步骤5，关闭高能束发生器与感应加热器，让零件在充氩惰性气氛保护室的惰性气氛中冷却至室温取出，即完成了微观组织的调控。
实施例6
步骤1，设定GH4169目标凝固组织外延生长的粗大柱状晶，且相结构长宽比为3.0～10，并由此选取了激光感应复合成形工艺参数。
步骤2，此次成形件为薄壁件，故选取由直径为3mm制得的矩形线圈并将线圈与成形件的距离设置在8mm。将选好的线圈安装在感应加热器上。
步骤3，将Ti60粉放入送粉器，并将Ti60基材板放入充氩惰性气氛加工室，其中增材制造成形过程中的氧气含量保持在100ppm以下。
步骤4，在数控系统上设定扫描路径，并确定扫描速度为420mm/min。打开送粉器并设置送粉速率为4g/min。设定激光功率为1000W、光斑直径为2mm、感应加热功率为30KW、感应加热频率为50Hz，开启高能束发生器和感应加热器进行同步加热，每扫描一层后复合加工头不动，运动平台下降，单层熔覆高度为0.3mm，如此反复直至零件成形完毕。成形时，激光束不动，感应线圈与成形件随运动平台运动。
步骤5，关闭高能束发生器与感应加热器，让零件在充氩惰性气氛保护室的惰性气氛中冷却至室温取出，即完成了微观组织的调控。
Claims (5)
1.一种高能束金属增材制造的微观组织调控方法，其特征在于，具体按以下步骤实施：
步骤1，根据所需成形的目标材料的形状及其凝固组织与微观相结构，设定与之相匹配的高能束与感应加热双热源同步加热温度场调控参数；
所述温度场调控参数包括感应线圈参数和双热源加热参数，感应线圈参数的选取具体为：成形三维实体零件时，选用圆形线圈；成形薄壁零件时，根据薄壁零件高度方向的截面轮廓形状选用形状相似的细长线圈；
高能束为激光束，双热源加热参数包括激光束参数和感应加热参数，其中激光束参数：激光功率为300～8000W、光斑直径为2～7mm，感应加热参数：感应加热功率为30～100kW、感应加热频率为15～50kHz；
所述圆形线圈直径为2cm～10cm，加工时线圈放置在加工平面上方并将线圈与基材板的距离设置在1mm～10mm；细长线圈放置在薄壁零件加工平面，将零件包围，且保持与零件轮廓相等的间距，距离设置为1mm～10mm；
步骤2，将目标材料放入送料装置，并将目标材料基材板放入充氩惰性气氛加工室，按照步骤1设定加工参数，进行增材制造成形，其中增材制造成形过程中的氧气含量保持在100ppm以下。
2.根据权利要求1所述的一种高能束金属增材制造的微观组织调控方法，其特征在于，所述线圈为直径3mm～10mm的铜管。
3.根据权利要求1所述的一种高能束金属增材制造的微观组织调控方法，其特征在于，所述步骤2具体为：在数控系统上设定扫描路径，确定扫描速度；打开送料器调整送料速率；设定激光束和感应加热参数；开启激光器和感应加热器进行同步加热，每扫描一层后运动平台下降，控制单层熔覆高度，如此反复直至零件成形完毕。
4.根据权利要求3所述的一种高能束金属增材制造的微观组织调控方法，其特征在于，所述扫描速度为300～2000mm/min，送料速率为2～40g/min。
5.根据权利要求3所述的一种高能束金属增材制造的微观组织调控方法，其特征在于，所述单层熔覆高度为0.2～2mm。
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