CN107774997A - 一种镍基定向高温合金激光定向增材方法 - Google Patents

一种镍基定向高温合金激光定向增材方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于金属激光增材制造领域，具体为一种镍基定向高温合金激光定向增材方法，适用于复杂结构的定向高温合金零件激光快速定向生长，解决由于磨损造成零件失效的问题。采用Ni‑Cr‑Mo、Ni‑Cr‑Nb和Co‑Cr‑Ni三种粉末，在真空手套箱中用同步送粉方法进行激光沉积，沉积过程中用保护气体覆盖激光沉积作用区，同时采用液氮连续冷却的方法冷却沉积平台增大沉积层冷却的温度梯度，可实现镍基定向高温合金快速定向增材，从而达到零件尺寸的恢复。本发明为镍基定向合金提供一种新型定向生长工艺方法，该方法沉积过程采用自动化控制，效率高；沉积枝晶组织定向性良好，致密均匀，热影响区窄且无热裂纹产生，沉积层与基体的焊接抗拉性能达到基体性能80％以上。

Description

一种镍基定向高温合金激光定向增材方法
技术领域
本发明属于金属激光增材制造领域，涉及一种镍基定向高温合金激光定向增材方法，适用于复杂结构的镍基定向高温合金零件激光快速定向生长。
背景技术
高温合金从诞生那刻开始就主要用于航空发动机，在现代先进的航空发动机中，高温合金材料用量占发动机总量的40％～60％。在航空发动机中，高温合金主要运用于四大热端部件，导向器、涡轮叶片、涡轮盘和燃烧室。同时，高温合金还是燃汽轮机及火箭发动机等高温热端部件的不可替代的材料。现在，镍基定向高温合金已经成为航空用途的主要材料，是喷气式航空发动机叶片与热端部件主要材料，它们工作在高温与高应力条件下，叶片在高速运转过程中，极易发生叶尖等部位的磨损，造成零件尺寸失效，高温合金的定向修复难度大，经济损失，这样给发动机叶片延长使用寿命带来较大困难。同时，随着我国现代工业化建设的发展，各民航工业对镍基定向高温合金材料的需求日渐增多，愈以迫切。在推动高温合金本身的发展和提高同时，也带来高温合金定向增材制造严峻问题。
迄今为止，航空发动机内部复杂形状的定向镍基高温零件主要来源于进口，国内铸造的成品率较低且缺陷存在较多，零件易出现铸造裂纹，且成品的寿命较低，难满足快速发展的航空发动机等行业要求，严重制约航空发动机零件在我国工业领域国产化的应用。且进口的镍基定向高温零件(如：航空发动机叶片等)价值较高，发动机内定向高温合金叶片达数量较多，一旦叶片等尺寸失效就面临零件的报废，造成巨大的经济损失。
激光增材制造技术，也称激光熔化成型技术(Laser Melt Deposition,LMD)是以高功率激光为热源，通过激光熔合同步输送的原材料，逐层堆积而实现增材制造，在制造结构复杂的定向镍基合金具有高效率、高质量及高性能等特有优势，可实现任意复杂形状金属零件的成型制造。因此，研究镍基定向高温合金激光定向增材方法，创新制造定向高温合金定向生长，为我国关键航空零部件制造自主化增材制造具有重要的实用价值和理论意义。
发明内容
本发明的目的在于提供一种镍基定向高温合金激光定向增材方法，解决镍基定向高温合金零件由于磨损造成零件尺寸失效的问题。
本发明的技术方案如下：
一种镍基定向高温合金激光定向增材方法，该方法的工艺步骤如下：
采用粒度高温合金粉末，将粉末进行干燥处理，干燥处理的温度50～150℃，干燥结束后，冷却至室温；打磨定向镍基高温合金的沉积平面至光亮平整，利用酒精和丙酮将平面进行清洗，经干燥处理后固定于激光沉积平台；在真空手套箱环境中，采取同步送粉的沉积方式，选择一种光斑的光束在高温合金基体上进行激光增材处理，沉积过程中用保护气体覆盖激光沉积作用区，减少激光作用区的夹杂物产生并提高凝固速率；同时，采用液氮连续冷却的方法进行沉积平台冷却，提高沉积过程的温度梯度，有效控制沉积层枝晶组织的快速定向生长。
所述的高温合金粉末，粒度在80～250目，球形度≥90％，氧含量≤300PPM。
所述的干燥处理是将混合粉末置于干燥箱中1小时以上。
所述的高温合金粉末为Ni-Cr-Mo、Ni-Cr-Nb或Co-Cr-Ni，其中三种高温合金粉末的名义成分为Ni-19Cr-5Mo-4Nb-Ti、Ni-18Cr-4Nb-2Mo-Ti和Co-25Cr-11Ni-8W。
所述的高温合金粉末与定向镍基高温合金具有较好的润湿性和良好焊接性能。
所述的真空手套箱环境，H2O≤100PPM、O2≤100PPM。
所述的激光沉积的工艺参数如下：
激光连续辐照，激光功率为400～1500W，功率密度104～106W/cm2，扫描速度为5～15mm/s，搭接量为40％～70％，辐照光斑Φ2mm～Φ5mm；
送粉方式为同轴氩气送粉，送粉速度为5～20g/min，采用惰性气体氩气保护，保护气流量为10～20L/min。
所述的激光沉积的激光器是光纤耦合半导体激光器。
所述的沉积平台冷却中，液氮的流速为2～6L/min，温度梯度20000～50000K/m，冷却速度200～400K/s。
所述的激光沉积过程采用自动化控制，激光沉积组织定向性好，致密均匀，热影响区窄且无热裂纹产生，沉积层的抗拉性能达到基体性能80％以上。
本发明的设计思想是：
本发明采用与定向镍基高温合金具有较好的润湿性和良好焊接性能的Ni-Cr-Mo、Ni-Cr-Nb和Co-Cr-Ni三种粉末，且三种粉末激光沉积层的力学性能较高，利用液氮连续冷却激光沉积平台，同时采用一定流量的保护气体覆盖激光沉积作用区，加速激光沉积高温合金的冷却速度，保证激光沉积枝晶组织良好定向生长，并且沉积枝晶组织致密均匀，热影响区窄且无热裂纹产生，沉积层的抗拉性均能达到基体性能80％以上，同时此方法采用自动化控制，效率高。
本发明的优点及有益效果是：
1、本发明提供的一种镍基定向高温合金激光定向增材方法，使镍基定向高温合金零件定向接长生长成为可能，节约零件制造成本；激光沉积高温合金组织致密均匀，定向性良好，为激光增材制造定向高温合金提供一种可靠稳定的解决方案。
2、本发明解决由于定向高温合金熔焊性能差易产生裂纹缺陷等问题，激光沉积层和镍基高温合金交界处热影响区窄且无裂纹孔洞等缺陷。
3、本发明采用Ni-Cr-Mo、Ni-Cr-Nb和Co-Cr-Ni三种粉末具有与定向镍基高温合金具有较好的润湿性和良好焊接性能的优点，且三种粉末激光沉积层的力学性能较高。
4、本发明中激光沉积层与高温合金基体的焊接抗拉性能达到基体性能80％以上，激光沉积层与基材冶金结合较好。
附图说明
图1为实施例1中DZ125定向高温合金激光沉积Ni-Cr-Mo粉末微观组织；图中，laser deposited layer代表激光沉积层，DZ125alloy代表DZ125定向高温合金。
图2为实施例1激光沉积Ni-Cr-Mo粉末沉积层枝晶定向生长微观组织。
具体实施方式
在具体实施过程中，本发明采用一定粒度高温合金粉末Ni-Cr-Mo、Ni-Cr-Nb和Co-Cr-Ni，将粉末进行干燥处理，干燥处理的温度50～150℃，干燥结束后，冷却至室温；打磨定向镍基高温合金的沉积平面至光亮平整，利用酒精和丙酮将平面清洗干净，然后干燥处理；在真空手套箱环境中，采取同步送粉的沉积方式，选择一种光斑的光束在高温合金基体上进行激光增材处理，沉积过程中用一定流量的保护气体覆盖激光沉积作用区，减少激光作用区的夹杂物产生并提高凝固速率；同时采用液氮连续冷却的方法进行沉积平台冷却，提高沉积过程的温度梯度，有效提高沉积层枝晶组织的快速定向生长速率。
以下对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
本实施例中，镍基定向高温合金激光定向增材方法，具体步骤如下：
1、高温合金粉末粒度在100～250目，球形度≥95％，氧含量≤300PPM，采用的合金粉末是Ni-Cr-Mo粉末，名义成分为Ni-19Cr-5Mo-4Nb-Ti(按重量百分比计，Cr 19％，Mo5％，Nb 4％，Ti 1％，Ni余)。
2、粉末干燥处理：温度120℃×1.5h。
3、沉积基体：DZ125镍基高温合金。
4、基体打磨高温合金的沉积平面至光亮平整，利用酒精和丙酮将平面清洗处理后干燥。
5、激光沉积真空手套箱环境：H2O、O2≤50PPM。
6、激光沉积的工艺参数：激光连续辐照，激光功率为600W，功率密度105W/cm2，扫描速度为6mm/s，搭接量为50％，辐照光斑Φ2mm；激光同轴氩气送粉，送粉速度8g/min，载气流量3.5L/min，采用低温高纯氩气保护，氩气纯度>99.999％，氩气流量为12L/min，氩气温度-70℃。
7、激光器：3000W的光纤耦合半导体激光器。
8、冷却沉积平台液氮的流速为3L/min，温度梯度2700K/m，冷却速度250K/s。
如图1所示，从激光沉积Ni-Cr-Mo粉末和基体界面组织结构看出，沉积组织与基体的界面区域热影响区窄，且无裂纹等缺陷。
如图2所示，从激光沉积Ni-Cr-Mo粉末沉积层微观组织看出，沉积层的枝晶组织定向性良好，枝晶间间距均匀。
DZ125高温合金基体激光沉积Ni-Cr-Mo粉末的焊接抗拉强度850MPa，可达到基体抗拉强度的84％以上。
实施例2
本实施例中，镍基定向高温合金激光定向增材方法，具体步骤如下：
1、高温合金粉末粒度在100～250目，球形度≥92％，氧含量≤300PPM，采用的合金粉末是Ni-Cr-Nb粉末，名义成分为Ni-18Cr-4Nb-2Mo-Ti(按重量百分比计，Cr 18％，Nb4％，Mo 2％，Ti 1％，Ni余)。
2、粉末干燥处理：温度100℃×2h。
3、沉积基体：DZ125镍基高温合金。
4、基体打磨高温合金的沉积平面至光亮平整，利用酒精和丙酮将平面清洗处理后干燥。
5、激光沉积真空手套箱环境：H2O、O2≤50PPM。
6、激光沉积的工艺参数：激光连续辐照，激光功率为800W，功率密度2×105W/cm2，扫描速度为10mm/s，搭接量为40％，辐照光斑Φ3mm；激光同轴氩气送粉，送粉速度10g/min，载气流量4L/min，采用低温高纯氩气保护，氩气纯度>99.999％，氩气流量为15L/min，氩气温度-76℃。
7、激光器：3000W的光纤耦合半导体激光器。
8、冷却沉积平台液氮的流速为4L/min，温度梯度3400K/m，冷却速度330K/s。
本实施例中，通过以上方法DZ125高温合金激光沉积Ni-Cr-Nb粉末组织均匀致密，枝晶组织定向性良好；且沉积层与基材的交界区域无裂纹等缺陷。同时，DZ125高温合金基体激光沉积Ni-Cr-Nb粉末的焊接抗拉强度820MPa，可达到基体抗拉强度的81％以上。
实施例3
本实施例中，镍基定向高温合金激光定向增材方法，具体步骤如下：
1、高温合金粉末粒度在100～250目，球形度≥94％，氧含量≤300PPM，采用的合金粉末是Co-Cr-Ni粉末，名义成分为Co-25Cr-11Ni-8W(按重量百分比计，Cr 25％，Ni 11％，W8％，Co余)。
2、粉末干燥处理：温度80℃×2h。
3、沉积基体：DZ125镍基高温合金。
4、基体打磨高温合金的沉积平面至光亮平整，利用酒精和丙酮将平面清洗处理后干燥。
5、激光沉积真空手套箱环境：H2O、O2≤50PPM。
6、激光沉积的工艺参数：激光连续辐照，激光功率为700W，功率密度5×105W/cm2，扫描速度为8mm/s，搭接量为45％，辐照光斑Φ4mm；激光同轴氩气送粉，送粉速度12g/min，载气流量4.5L/min，采用低温高纯氩气保护，氩气纯度>99.999％，氩气流量为18L/min，氩气温度-82℃。
7、激光器：3000W的光纤耦合半导体激光器。
8、冷却沉积平台液氮的流速为5L/min，温度梯度4400K/m，冷却速度380K/s。
本实施例中，通过以上方法DZ125高温合金激光沉积Co-Cr-Ni粉末组织均匀致密，枝晶定向性良好；且沉积层与基材的交界区域无孔洞裂纹等缺陷。同时，DZ125高温合金基体激光沉积Co-Cr-Ni粉末的焊接抗拉强度870MPa，可达到基体抗拉强度的86％以上。
实施例结果表明，采用Ni-Cr-Mo、Ni-Cr-Nb和Co-Cr-Ni三种合金粉末，在真空手套箱中用同步送粉方法进行激光沉积，沉积过程中用一定流量的保护气体覆盖激光沉积作用区，同时采用液氮连续冷却的方法进行沉积平台冷却，提高沉积层冷却枝晶生长的温度梯度，可实现定向镍基高温合金快速定向增材，从而达到零件尺寸的恢复。本发明为定向凝固镍基合金提供一种新型定向接长工艺方法，该工艺方法沉积过程采用自动化控制，效率高，成型性好；同时，沉积枝晶组织定向性良好，致密均匀，热影响区窄且无热裂纹产生，沉积层的抗拉性均能达到基体性能80％以上，为激光增材再制造定向镍基高温合金提供高效率且稳定可靠的解决方案。

Claims (10)

1.一种镍基定向高温合金激光定向增材方法，其特征在于，该方法的工艺步骤如下：
采用粒度高温合金粉末，将粉末进行干燥处理，干燥处理的温度50～150℃，干燥结束后，冷却至室温；打磨定向镍基高温合金的沉积平面至光亮平整，利用酒精和丙酮将平面进行清洗，经干燥处理后固定于激光沉积平台；在真空手套箱环境中，采取同步送粉的沉积方式，选择一种光斑的光束在高温合金基体上进行激光增材处理，沉积过程中用保护气体覆盖激光沉积作用区，减少激光作用区的夹杂物产生并提高凝固速率；同时，采用液氮连续冷却的方法进行沉积平台冷却，提高沉积过程的温度梯度，有效控制沉积层枝晶组织的快速定向生长。
2.根据权利要求1所述的镍基定向高温合金激光定向增材方法，其特征在于，所述的高温合金粉末，粒度在80～250目，球形度≥90％，氧含量≤300PPM。
3.根据权利要求1所述的镍基定向高温合金激光定向增材方法，其特征在于，所述的干燥处理是将混合粉末置于干燥箱中1小时以上。
4.根据权利要求1所述的镍基定向高温合金激光定向增材方法，其特征在于，所述的高温合金粉末为Ni-Cr-Mo、Ni-Cr-Nb或Co-Cr-Ni，其中三种高温合金粉末的名义成分为Ni-19Cr-5Mo-4Nb-Ti、Ni-18Cr-4Nb-2Mo-Ti和Co-25Cr-11Ni-8W。
5.根据权利要求1或4所述的镍基定向高温合金激光定向增材方法，其特征在于，所述的高温合金粉末与定向镍基高温合金具有较好的润湿性和良好焊接性能。
6.根据权利要求1所述的镍基定向高温合金激光定向增材方法，其特征在于，所述的真空手套箱环境，H2O≤100PPM、O2≤100PPM。
7.根据权利要求1所述的镍基定向高温合金激光定向增材方法，其特征在于，所述的激光沉积的工艺参数如下：
激光连续辐照，激光功率为400～1500W，功率密度104～106W/cm2，扫描速度为5～15mm/s，搭接量为40％～70％，辐照光斑Φ2mm～Φ5mm；
送粉方式为同轴氩气送粉，送粉速度为5～20g/min，采用惰性气体氩气保护，保护气流量为10～20L/min。
8.根据权利要求1或7所述的镍基定向高温合金激光定向增材方法，其特征在于，所述的激光沉积的激光器是光纤耦合半导体激光器。
9.根据权利要求1所述的镍基定向高温合金激光定向增材方法，其特征在于，所述的沉积平台冷却中，液氮的流速为2～6L/min，温度梯度20000～50000K/m，冷却速度200～400K/s。
10.根据权利要求1所述的镍基定向高温合金激光定向增材方法，其特征在于，所述的激光沉积过程采用自动化控制，激光沉积组织定向性好，致密均匀，热影响区窄且无热裂纹产生，沉积层的抗拉性能达到基体性能80％以上。
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