CN107790720A - 一种高温合金增材制造方法 - Google Patents

一种高温合金增材制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种高温合金增材制造方法，包括步骤：制备原材料高温合金粉末，控制流动性≤25s/50g；对待成型的高温合金构件的三维模型进行切片处理，设定预设切片厚度；规划高温合金构件的扫描路径，逐层扫描时设定预设偏转角；设定激光选区熔化工艺参数，同时将基板预热；通过铺粉机构在基板上均匀铺设一层厚度为预设粉末厚度的原材料高温合金粉末，采用激光束按照切片形状及扫描路径对粉末进行快速熔化，逐层叠加，直至高温合金构件完全成型，打印完成后在成型腔室内放置2‑3h；对取出的高温合金构件进行热处理。本发明可实现高性能高温合金构件的近净成型，打印构件综合力学性能达到锻件水平，从而提高高温合金构件的综合力学性能。

Description

一种高温合金增材制造方法
技术领域
本发明涉及金属增材制造技术领域，更具体地说，涉及一种高温合金增材制造方法。
背景技术
镍基高温合金具有优良的耐高温、抗氧化、耐腐蚀性能，可广泛应用于燃气轮机导向叶片等耐高温、耐蚀的关键部件。IN939合金是γ’强化镍基超合金，可通过若干种热处理赋予其优良的高温机械特性，例如良好的抗拉强度和抗蠕变性，但是也降低了合金的可焊接性。
新部件，诸如涡轮叶片和环形段等使用传统工艺制备，在制造期间和维修期间必须用到焊接工艺。然而，在通常情况下，焊接工艺在焊接位置处会产生热应力，IN939高温合金构件较易出现因内应力释放导致的翘曲变形现象，甚至造成IN939合金开裂，影响了高温合金构件的综合力学性能。
综上所述，如何提高高温合金构件的综合力学性能，是目前本领域技术人员亟待解决的技术问题。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种高温合金增材制造方法，以提高高温合金构件的综合力学性能。
为了达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种高温合金增材制造方法，包括步骤：
1)制备原材料高温合金粉末，并控制所述原材料高温合金粉末的流动性≤25s/50g；
2)对待成型的高温合金构件的三维模型进行切片处理，设定预设切片厚度；规划所述高温合金构件的扫描路径，逐层扫描时设定预设偏转角；
3)设定激光选区熔化工艺参数并使成型腔室内氩气保护，控制所述成型腔室内氧含量低于100ppm且压力维持在10-40mbar，同时将基板预热；
4)通过铺粉机构在所述基板上均匀铺设一层厚度为预设粉末厚度的原材料高温合金粉末，采用激光束按照切片形状及扫描路径对粉末进行快速熔化，逐层叠加，直至高温合金构件完全成型，打印完成后将所述高温合金构件在成型腔室内放置2-3h；
5)对取出的所述高温合金构件进行热处理。
优选的，上述高温合金增材制造方法中，所述步骤1)中，所述原材料高温合金粉末的粒径范围15-53μm，其中d10控制在21±3μm，d50控制在33±3μm，d90控制在48±3μm。
优选的，上述高温合金增材制造方法中，所述步骤1)中，所述原材料高温合金粉末为IN939高温合金粉末。
优选的，上述高温合金增材制造方法中，所述步骤2)中，所述预设切片厚度为15-30μm；
所述扫描路径采用九宫格方式分区扫描，区域大小4*4mm；
所述预设偏转角为36-40°。
优选的，上述高温合金增材制造方法中，所述步骤3)中，所述激光选区熔化工艺参数为：扫描实体的激光功率300-400W，扫描轮廓的激光功率150-200W，支撑的激光功率300-400W，光斑直径50-100μm，实体扫描速度2000-3000mm/s，轮廓扫描速度400-500mm/s，支撑扫描速度2000-3000mm/s，扫描搭接率0.06-0.08。
优选的，上述高温合金增材制造方法中，所述步骤3)中，所述基板预热温度为60-100℃。
优选的，上述高温合金增材制造方法中，所述步骤4)中，所述预设粉末厚度为10-30μm，供粉量设置为铺粉厚度的2-3倍。
优选的，上述高温合金增材制造方法中，所述步骤5)的热处理工艺为：1100-1200℃，保温3-5h，空冷；950-1050℃，保温5-7h，空冷；850-950℃，保温22-24h，空冷；650-750℃，保温15-17h，空冷。
从上述的技术方案可以看出，本发明提供的高温合金增材制造方法包括步骤：
S1、制备原材料高温合金粉末，并控制原材料高温合金粉末的流动性≤25s/50g，
原材料高温合金粉末可通过气体雾化法、离心雾化法、等离子火炬法等方法制备，该原材料高温合金粉末流动性能较好，满足激光选区熔化铺粉要求；
S2、对待成型的高温合金构件的三维模型进行切片处理，设定预设切片厚度；规划高温合金构件的扫描路径，逐层扫描时设定预设偏转角，
该成型的高温合金构件尤其针对复杂结构部件；
S3、设定激光选区熔化工艺参数并使成型腔室内氩气保护，控制成型腔室内氧含量低于100ppm且压力维持在10-40mbar，同时将基板预热，
激光选区熔化工艺参数具体包括扫描实体的激光功率、扫描轮廓的激光功率、支撑的激光功率、光斑直径、实体扫描速度、轮廓扫描速度、支撑扫描速度和扫描搭接率；
控制成型腔室内氧含量，用于避免粉末氧化，提高成型质量；
S4、铺粉与打印，通过铺粉机构在基板上均匀铺设一层厚度为预设粉末厚度的原材料高温合金粉末，采用激光束按照切片形状及扫描路径对粉末进行快速熔化，逐层叠加，直至高温合金构件完全成型，打印完成后将高温合金构件在成型腔室内放置2-3h；
S5、对取出的高温合金构件进行热处理。
本发明的高温合金增材制造方法采用激光选区熔化增材制造技术(SLM)，通过高能激光束逐层熔化原材料高温合金粉末如IN939高温合金粉末，进而实现高性能复杂构件的制造。
本发明的高温合金增材制造方法可实现高性能高温合金构件的近净成型，打印构件综合力学性能达到锻件水平，从而提高了高温合金构件的综合力学性能，能够满足燃气轮机产品对高温合金结构件的要求。
此外，本发明有效解决了传统高温合金焊接性能差，难以加工复杂精密构件的难题，能够实现精度更高、复杂程度更高的构件制造；采用本发明可保证打印部件的成型质量，组织均匀，无气孔、裂纹及未熔颗粒等缺陷。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的高温合金增材制造方法的流程示意图。
具体实施方式
本发明实施例提供了一种高温合金增材制造方法，提高了高温合金构件的综合力学性能。
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参考附图1，为高温合金增材制造方法的流程示意图。
实施例1：
(1)材料为IN939高温合金粉末，粉末粒径范围15-53μm，其中d10控制在18μm，d50控制在30μm，d90控制在45μm；
(2)对待成型部件的三维模型进行切片处理，切片厚度15μm；规划构件扫描路径，采用九宫格方式扫描，区域大小4*4mm，逐层扫描时偏转角度，偏转角36°；
(3)激光选区熔化设备采用抽真空与置换相结合的方式，首先抽真空至80KPa后向成型室充入高纯Ar气，如此反复置换多次，直至成型腔氧含量低于100ppm且压力维持在30mbar启动打印；避免粉末氧化；
激光选区熔化工艺：扫描实体的激光功率300W，扫描轮廓的激光功率150W，支撑的激光功率300W，光斑直径50μm，实体扫描速度2000mm/s，轮廓扫描速度400mm/s，支撑扫描速度2000mm/s，扫描间距0.06；
同时，通过预热功能将基板进行预热，预热温度为60℃。
(4)基板预热完成后再通过铺粉机构在基板上平铺一层厚度为10μm的IN939高温合金粉末；
激光束在计算机的控制下完成构件的烧结后，在成型腔室内存放2h后取出构件；
(5)构件的热处理：构件取出后，1100℃保温3h，空冷；950℃，保温5h，空冷；850℃，保温22h，空冷；650℃，保温15h，空冷。
实施例2：
(1)材料为IN939高温合金粉末，粉末粒径范围15-53μm，其中d10控制在21μm，d50控制在33μm，d90控制在48μm；
(2)对待成型部件的三维模型进行切片处理，切片厚度25μm；规划构件扫描路径，采用九宫格方式扫描，区域大小4*4mm，逐层扫描时偏转角度，偏转角37°；
(3)激光选区熔化设备采用抽真空与置换相结合的方式，首先抽真空至80KPa后向成型室充入高纯Ar气，如此反复置换多次，直至成型腔氧含量低于100ppm且压力维持在30mbar启动打印；
激光选区熔化工艺：扫描实体的激光功率350W，扫描轮廓的激光功率180W，支撑的激光功率350W，光斑直径70μm，实体扫描速度2500mm/s，轮廓扫描速度450mm/s，支撑扫描速度2500mm/s，扫描间距0.07；
同时，通过预热功能将基板进行预热，预热温度为80℃；
(4)基板预热完成后再通过铺粉机构在基板上平铺一层厚度为20μm的IN939高温合金粉末；
激光束在计算机的控制下完成构件的烧结后，在成型腔室内存放2h后取出构件；
(5)构件的热处理：构件取出后，1150℃保温4h，空冷；1000℃，保温6h，空冷；900℃，保温23h，空冷；700℃，保温16h，空冷。
实施例3：
(1)材料为IN939高温合金粉末，粉末粒径范围15-53μm，其中d10控制在24μm，d50控制在36μm，d90控制在51μm；
(2)对待成型部件的三维模型进行切片处理，切片厚度30μm；规划构件扫描路径，采用九宫格方式扫描，区域大小4*4mm，逐层扫描时偏转角度，偏转角40°；
(3)激光选区熔化设备采用抽真空与置换相结合的方式，首先抽真空至80KPa后向成型室充入高纯Ar气，如此反复置换多次，直至成型腔氧含量低于100ppm且压力维持在30mbar启动打印；
激光选区熔化工艺：扫描实体的激光功率400W，扫描轮廓的激光功率200W，支撑的激光功率400W，光斑直径100μm，实体扫描速度3000mm/s，轮廓扫描速度500mm/s，支撑扫描速度3000mm/s，扫描间距0.08；
同时，通过预热功能将基板进行预热，预热温度为100℃；
(4)基板预热完成后再通过铺粉机构在基板上平铺一层厚度为20μm的IN939高温合金粉末；
激光束在计算机的控制下完成构件的烧结后，在成型腔室内存放3h后取出构件；
(5)构件的热处理：构件取出后，1200℃保温5h，空冷；1050℃，保温7h，空冷；950℃，保温24h，空冷；750℃，保温17h，空冷。
经测试表明：利用本发明方法制备的IN939高温合金构件不会发生因内应力释放导致的翘曲变形现象，打印构件的抗拉强度达到1350-1405MPa，屈服强度达到950-980MPa，延伸率达到11-13％，提高了材料的综合力学性能，可满足燃气轮机导向叶片等产品对IN939高温合金构件综合力学性能的要求。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (8)

1.一种高温合金增材制造方法，其特征在于，包括步骤：
1)制备原材料高温合金粉末，并控制所述原材料高温合金粉末的流动性≤25s/50g；
2)对待成型的高温合金构件的三维模型进行切片处理，设定预设切片厚度；规划所述高温合金构件的扫描路径，逐层扫描时设定预设偏转角；
3)设定激光选区熔化工艺参数并使成型腔室内氩气保护，控制所述成型腔室内氧含量低于100ppm且压力维持在10-40mbar，同时将基板预热；
4)通过铺粉机构在所述基板上均匀铺设一层厚度为预设粉末厚度的原材料高温合金粉末，采用激光束按照切片形状及扫描路径对粉末进行快速熔化，逐层叠加，直至高温合金构件完全成型，打印完成后将所述高温合金构件在成型腔室内放置2-3h；
5)对取出的所述高温合金构件进行热处理。
2.根据权利要求1所述的高温合金增材制造方法，其特征在于，所述步骤1)中，所述原材料高温合金粉末的粒径范围15-53μm，其中d10控制在21±3μm，d50控制在33±3μm，d90控制在48±3μm。
3.根据权利要求1所述的高温合金增材制造方法，其特征在于，所述步骤1)中，所述原材料高温合金粉末为IN939高温合金粉末。
4.根据权利要求1所述的高温合金增材制造方法，其特征在于，所述步骤2)中，所述预设切片厚度为15-30μm；
所述扫描路径采用九宫格方式分区扫描，区域大小4*4mm；
所述预设偏转角为36-40°。
5.根据权利要求1所述的高温合金增材制造方法，其特征在于，所述步骤3)中，所述激光选区熔化工艺参数为：扫描实体的激光功率300-400W，扫描轮廓的激光功率150-200W，支撑的激光功率300-400W，光斑直径50-100μm，实体扫描速度2000-3000mm/s，轮廓扫描速度400-500mm/s，支撑扫描速度2000-3000mm/s，扫描间距0.06-0.08。
6.根据权利要求1所述的高温合金增材制造方法，其特征在于，所述步骤3)中，所述基板预热温度为60-100℃。
7.根据权利要求1所述的高温合金增材制造方法，其特征在于，所述步骤4)中，所述预设粉末厚度为10-30μm，供粉量设置为铺粉厚度的2-3倍。
8.根据权利要求1-7任一项所述的高温合金增材制造方法，其特征在于，所述步骤5)的热处理工艺为：1100-1200℃，保温3-5h，空冷；950-1050℃，保温5-7h，空冷；850-950℃，保温22-24h，空冷；650-750℃，保温15-17h，空冷。
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