CN107335803B - 一种面向k465镍基高温合金激光增材制造的基板预热装置和预热方法 - Google Patents

一种面向k465镍基高温合金激光增材制造的基板预热装置和预热方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种面向K465镍基高温合金激光增材制造的基板预热装置和预热方法，属于基板预热方法技术领域。通过分析K465镍基高温合金析出相溶解温度、完全去应力温度，确定预热工艺、实现预热装置构型和布置方式，最终结合激光增材制造效率、制造设备特征等，确定面向K465镍基高温合金的预热参数。采用该预热方法可显著地改善K465镍基高温合金激光增材制造过程零件变形和开裂等问题，该预热方法具有较好的大型结构件制备及工程现场应用前景。

Description

一种面向K465镍基高温合金激光增材制造的基板预热装置和 预热方法
技术领域
本发明涉及基板预热方法技术领域，具体涉及一种面向K465镍基高温合金激光增材制造的基板预热装置和预热方法。
背景技术
高温合金在航空航天、燃气轮机等领域有着广泛的应用，K465镍基高温合金是一种析出相强化、固溶强化的铸造镍基高温合金，该合金具有较高的热强性、耐高温氧化性，适用于制备航空发动机涡轮叶片。目前该合金常规成形工艺制造困难，甚至无法加工，而激光增材制造技术作为一种新型的高柔性、数字化制造技术，使其在航空航天及国防军工领域拥有广泛的应用前景，采用激光增材制造技术可实现传统工艺无法制备的一些难加工材料、结构的制造，特别适用于大型薄壁空腔结构件。
针对K465镍基高温合金激光增材制造工艺性能而言，其组织中分布于枝晶间的共晶相存在以及合金的低变形性，使得合金成形过程极容易出现裂纹，制备难度较大。而降低成形过程温度场梯度，减少成形热应力是从工艺角度控制裂纹的最优化方法。目前，许多研究机构都提出了预热装置的实现方法，但是现有预热方式设计复杂，成本高，尚无专用于K465镍基高温合金的激光增材制造预热工艺和装置。
发明内容
本发明的目的在于提供一种面向K465镍基高温合金激光增材制造的基板预热装置和预热方法，本发明由预热工艺设计、预热装置构型、预热系统布置、预热参数控制四个部分构成。所述预热装置具有高柔性、低成本、适于大型结构件制备及工程应用的特点，采用本发明预热装置和预热方法可有效解决K465镍基高温合金激光增材制造过程中由于温度梯度过大而导致的变形与开裂等问题。
为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：
一种面向K465镍基高温合金激光增材制造的基板预热装置，该装置包括履带式加热器、K型热电偶、交流接触器和温度数显调节仪，其中：所述履带式加热器置于基准平台上，在基准平台与履带式加热器之间放置隔热层，成形基板放置于履带式加热器上面，所述K型热电偶设于成形基板上；所述履带式加热器通过交流接触器与数显调节仪相连接，温度数显调节仪设置预热温度，并通过热电偶监测成形基板的实时温度，来实现预热装置的开或关。
所述履带式加热器的尺寸依据待加工零件尺寸及基板尺寸设计，所述履带式加热器四周放置垫块，通过垫块使得成形基板由基准平台支撑。
所述隔热层的材质为硅酸铝纤维。
在成形基板的厚度方向中部位置处钻合适尺寸的小孔，将热电偶安置于基板上小孔位置处，用于检测基板温度。
利用上述预热装置进行K465镍基高温合金激光增材制造的基板预热方法，该方法过程如下：
增材制造前，采用所述预热装置对基板进行加热，在60min以内基板由室温上升至300-450℃，保温15-30min后进行增材制造；增材制造过程中，采用所述预热装置持续对基板进行预热处理，预热温度300-400℃；增材制造过程结束时，将预热装置温度设置为150-200℃范围，保持30-60min后，关闭预热装置，使成形零件自然冷却。
本发明具有以下优点和有益效果：
1、本发明针对K465镍基高温合金的材料特性和制备工艺方法，提出一种面向K465镍基合金激光增材制造基板预热装置和方法，该装置以履带式加热器作为核心加热工艺元件，通过预热工艺设计、预热装置构型、预热系统布置、预热参数控制四个部分，显著地改善K465镍基高温合金激光增材制造过程零件变形和开裂等问题，实现K465镍基高温合金无裂纹低成本的制造。该预热方法具有较好的大型结构及工程现场应用前景。
2、通过合理的预热工艺，可以显著的降低成形过程由于成形过程温度梯度造成的应力不均匀的状态，从而解决K465镍基高温合金激光增材制造过程变形开裂等问题。
3、对于大型结构件激光增材制造过程而言，在增材制造前进行预热处理，可以显著的提高零件整体的温度，从而提高增材制造过程单道熔覆宽度及单层高度，能够较明显的提高加工效率(堆积速度)。
4、选用履带式陶瓷型电加热器作为加热源，加热过程安全性高，预热系统组成简单，适合于相关大型结构及工程现场应用。
附图说明
图1为本发明预热装置原理图。
图2为预热装置安放原理图。
图3为履带式加热器原理图。
图中：1-K型热电偶；2-成形基板；3-履带式加热器；4-硅酸铝纤维；5-基准平台；6-温控箱。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行详述。
本发明是在K465镍基高温合金激光增材制造过程，采用特定预热装置和预热方法解决零件制造过程中由于温度梯度过大而导致的变形与开裂等问题。
(1)预热工艺设计
通过分析K465镍基高温合金的组分、析出相溶解温度，预热温度要保证合金不发生相变化，其组织由γ、γ’、γ+γ’共晶相、碳化物相，析出相出现变化温度在900℃以上，因此，本发明预热温度应该在900℃以下；而K465镍基高温合金的完全去应力温度区间在650～700℃之间。最终结合合金特征、成形工艺特点，增材制造过程合金预热温度保证在700℃以下，结合加热装置特点、增材制造设备高温环境工作热稳定性等确定出预热温度区间。另外由于成形结构件尺寸范围较大，要求预热装置有较大的有效预热范围，预热温度控制精度高。
(2)预热装置构成
由于成形结构件尺寸范围较大，要求预热装置有较大的有效预热范围，要保证预热温度高，预热温度控制精度高。基于以上特点选择履带式加热器作为加热元件来实现成形预热控制。履带式加热器尺寸选择依据待加工零件尺寸及基板尺寸设计，在加热过程中，履带式加热器置于成形件底部，并紧密贴合，有效避免由于成形粉末沉积而造成设备危险，履带式加热器可以充分满足预热范围较大和预热温度较高的要求。可以实现成形基板的预热温度在100-700℃之间。
本发明基板预热装置原理图如图1所示，该基板预热装置由履带式加热器3、K型热电偶1、交流接触器、XTDM数显调节仪等关键部件构成，其中数显调节仪可以实现在室温-700℃范围内温度设定，并且通过连接K型热电偶实时监测与显示成形基板当前温度。当温度达到设定温度时，数显调节仪通过控制交流接触器，关闭加热器。温度低于设定温度时，自动开启加热器加热。
(3)预热装置布置
本发明的预热装置结构如图2所示，将履带式加热器3放置于基准平台5上，在成形基板2与履带式加热器3之间放置硅酸铝纤维4，放置硅酸铝纤维层的目的在于限制履带式加热器产生的热量向基准平台5处传递，最大限度的向成形基板2传递，成形基板2放置于履带式加热器3上面；
在履带式加热器3四周放置垫块，使得成形基板2由基准平台5支撑，避免成形基板2将履带式加热器3的陶瓷片压坏，垫块的高度设置要合理，设置原则要保证履带式加热器3与成形基板2能够紧密接触却不产生太大的压力而压碎陶瓷片。履带式加热器3通过交流接触器(温控箱6内部)与数显调节仪相连，在基板厚度方向中部位置处钻合适尺寸的小孔，将K型热电偶1安置于基板小孔位置处，用于检测基板温度。K型热电偶与数显调节仪相连。数显温度调节仪设置预热温度，并通过热电偶监测基板实时温度，来控制预热装置的开关。采用该套预热系统，可以显著的改善增材制造过程零件变形及脆性材料开裂问题。对于尺寸大的成形基板，预热装置能够在预热区域均匀预热，避免不同位置处存在温度差异，对成形零件的最终质量也有很重要的影响。
图3为履带式加热器示意图，镍铬加热丝在该加热器中呈型“弓”字型迂回布置，保证在加热面积内，最大限度的提升加热效率，电热丝外部由耐高温和绝缘性的陶瓷片保护，该加热器的有效加热面积达600mm×420mm、最高加热温度可达1000℃。其中加热面积可以依据具体的工艺条件适当的选择。增材制造过程是一个多尘环境，另外粉末可能会沉积到加热器件上而造成危险，在预热过程必须将履带式加热器完全的隐藏于基板下部，并将四周进行密封处理。
增材制造过程中熔覆头与基板之间距离较短，而当基板预热温度在300℃以上时，针对由于热辐射作用而导致的熔覆头前端送粉软管和冷却水管出现软化情况，本发明采用隔热措施，在该塑料套管上加套内径为8mm的Al2O3陶瓷隔热管，可以有效地避免送粉管软化现象。
(4)预热参数设计
对于激光增材制造过程基板预热参数设计的关键在于预热温度的设计和保温时间的选择，其中预热温度设计依据材料特性、激光增材制造过程裂纹倾向性、基板变形情况、已成形部位高温状态氧化情况、成形效率等多个因素进行确定，通过分析以上相关因素，确定最合理的预热温度区间。而对于大型结构件，只有在激光增材制造全过程保证预热温度恒定，才能最大程度的发挥预热装置的优势。采用预热装置在空气环境下进行增材制造过程中，发现基板预热下端温度在300℃以上时零件预热对高温合金制造过程裂纹控制有改善作用，而预热温度设置超500℃后，由于温度太高，已成形部位和基板处无保护气氛，导致这些位置处出现明显氧化现象。预热温度设置在300-450℃范围内，综合裂纹倾向性、预热速率、成形效率达到最优化。对于成形结束后，对成形零件进行保温，可使零件冷却速度下降。降低温度梯度显著的降低后续零件开裂情况。
本发明采用上述预热装置，进行了K465高温合金零件增材制造，增材制造过程设置的基板预热温度为300-450℃，采用履带式加热器，由室温上升到400℃，需要时间为60min以内，该预热装置具有较高的预热速率，另外预热温度精确调节。在该温度下加热持续20min左右，保证基板整体温度均匀后，再开始进行增材制造，成形过程中持续进行预热处理(300-400℃)，保证基板温度恒定在预热温度范围内。在增材制造过程结束时，将预热系统温度设置为150-200℃范围，保持30-60min后，关闭预热装置，使成形零件自然冷却，经对比分析表明，采用预热处理相比于不采用预热显著降低了高温合金成形零件表面裂纹情况、提升了增材制造效率。

Claims (4)

1.一种面向K465镍基高温合金激光增材制造的基板预热方法，其特征在于：该基板预热方法利用基板预热装置进行，所述基板预热装置包括履带式加热器、K型热电偶、交流接触器和温度数显调节仪，其中：所述履带式加热器置于基准平台上，在基准平台与履带式加热器之间放置隔热层，成形基板放置于履带式加热器上面，所述K型热电偶设于成形基板上；所述履带式加热器通过交流接触器与数显调节仪相连接，温度数显调节仪设置预热温度，并通过热电偶监测成形基板的实时温度，来实现预热装置的开或关；
所述基板预热方法的过程如下：
增材制造前，采用所述预热装置对基板进行加热，在60min以内基板由室温上升至300-450℃，保温15-30min后进行增材制造；增材制造过程中，采用所述预热装置持续对基板进行预热处理，预热温度300-400℃；增材制造过程结束时，将预热装置温度设置为150-200℃范围，保持30-60min后，关闭预热装置，使成形零件自然冷却。
2.根据权利要求1所述的面向K465镍基高温合金激光增材制造的基板预热方法，其特征在于：所述履带式加热器的尺寸依据待加工零件尺寸及基板尺寸设计，所述履带式加热器四周放置垫块，通过垫块使得成形基板由基准平台支撑。
3.根据权利要求1所述的面向K465镍基高温合金激光增材制造的基板预热方法，其特征在于：所述隔热层的材质为硅酸铝纤维。
4.根据权利要求1所述的面向K465镍基高温合金激光增材制造的基板预热方法，其特征在于：在成形基板的厚度方向中部位置处钻合适尺寸的小孔，将热电偶安置于基板上小孔位置处，用于检测基板温度。
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