CN108247057A - 一种k4648合金构件的增材制造工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种K4648合金构件的增材制造工艺，包括以下步骤：将K4648合金粉末平铺，得到当前层；采用激光束对所述当前层的预设形状区域进行扫描，使扫描区域粉末熔化，逐层叠加，直至得到预设形状的K4648合金构件；所述K4648合金粉末的粒径为15～53μm；扫描时，扫描实体的激光功率为320～370W，扫描轮廓的激光功率为150～200W。本发明通过采用激光选区熔化增材制造技术能够实现K4648合金构件近净成形，且能够提高其抗拉强度、屈服强度和延伸率，满足构件力学性能的使用要求。

Description

一种K4648合金构件的增材制造工艺
技术领域
本发明涉及金属增材制造技术领域，尤其涉及一种K4648合金构件的增材制造工艺。
背景技术
航空发动机火焰筒是一种用于将燃油的化学能转变为热能，将压气机增压后的高压空气加热到一定温度，以便进入涡轮和尾喷管内做功的装置。涡流器是火焰筒头部的功能部件，它能将高压空气在轴线上旋转、减速，并与燃油喷嘴喷出的航空煤油充分混合，为燃烧提供必要条件。
发动机涡流器在长期工作过程中因振动、冷热疲劳等因素，使涡流器出现裂纹、磨损等缺陷。这些缺陷中除少量能进行再制造修理或让步使用外，仍有大量涡流器报废。单台发动机火焰筒设计装配数十件涡流器，目前国内航空维修单位备件严重不足，新品采购又十分困难，有价无市。
激光选区熔化增材制造技术(SLM)能够实现高性能复杂构件的快速制造，是解决当前涡流器缺件问题的有效有段。传统航空发动机火焰筒用涡流器采用K4648镍基高温合金通过精密铸造制作而成，目前国内外针对K4648高温合金的SLM工艺仍是空白。因此，为了得到具有优异性能的K4648构件(不低于精密铸造)，满足涡流器的使用要求，有必要研究一种适用于K4648的激光选区熔化增材制造工艺。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种K4648构件的增材制造工艺，该工艺能够实现K4648合金构件的近净成型，且提高其抗拉强度。
本发明提供了一种K4648合金构件的增材制造工艺，包括以下步骤：
将K4648合金粉末平铺，得到当前层；
采用激光束对所述当前层的预设形状区域进行扫描，使扫描区域粉末熔化，逐层叠加，直至得到预设形状的K4648合金构件；
所述K4648合金粉末的粒径为15～53μm；
扫描时，扫描实体的激光功率为320～370W，扫描轮廓的激光功率为150～200W。
优选地，所述K4648合金粉末中，32.0wt％≤Cr质量含量≤35.0wt％；4.3wt％≤W质量含量≤5.5wt％；2.3wt％≤Mo质量含量≤3.5wt％；0.7wt％≤Ti质量含量≤1.3wt％；0.7wt％≤Nb质量含量≤1.3wt％；2.3wt％≤Al质量含量≤3.5wt％。
优选地，所述K4648合金粉末的流动性≤20s/50g。
优选地，所述扫描时，实体扫描速度为2200～2700mm/s，轮廓扫描速度为400～500mm/s，扫描间距为0.06～0.08mm。
优选地，得到预设形状的K4648构件后还包括：
将K4648构件进行去应力退火，再进行固溶-时效热处理。
优选地，所述应力退火的温度为850℃～900℃；时间为2～3h。
优选地，所述固溶-时效热处理的温度为890～1195℃，固溶-时效热处理的时间为3～17h。
优选地，所述K4648合金构件为发动机涡流器。
本发明提供了一种K4648合金构件的增材制造工艺，包括以下步骤：将K4648合金粉末平铺，得到当前层；采用激光束对所述当前层的预设形状区域进行扫描，使扫描区域粉末熔化，逐层叠加，直至得到预设形状的K4648合金构件；所述K4648合金粉末的粒径为15～53μm；扫描时，扫描实体的激光功率为320～370W，扫描轮廓的激光功率为150～200W，扫描支撑的激光功率为320～370W。本发明通过采用激光选区熔化增材制造技术使得K4648合金构件近净成形，且能够提供其抗拉强度。另外，该增材制造工艺还能提高K4648合金构件的屈服强度和延伸率。实验结果表明：K4648涡流器的室温抗拉强度≥1000MPa，屈服强度≥800MPa，延伸率≥30％；高温抗拉强度(800℃)≥700MPa，高温屈服强度≥500MPa，延伸率≥20％；800℃，206MPa下高温持久性能≥40h。
附图说明
图1为本发明实施例采用的K4648合金粉末的SEM图；
图2为本发明实施例1制备的航空发动机涡流器的结构示意图。
具体实施方式
本发明提供了一种K4648合金构件的增材制造工艺，包括以下步骤：
将K4648合金粉末平铺，得到当前层；
采用激光束对所述当前层的预设形状区域进行扫描，使扫描区域粉末熔化，逐层叠加，直至得到预设形状的K4648合金构件；
所述K4648合金粉末的粒径为15～53μm；
扫描时，扫描实体的激光功率为320～370W，扫描轮廓的激光功率为150～200W。
本发明通过采用激光选区熔化增材制造技术使得K4648合金构件近净成形，且能够提供其抗拉强度。另外，该增材制造工艺还能提高K4648合金构件的屈服强度和延伸率。
本发明将K4648合金粉末平铺，得到当前层。在本发明中，所述K4648合金粉末中，32.0wt％≤Cr质量含量≤35.0wt％；4.3wt％≤W质量含量≤5.5wt％；2.3wt％≤Mo质量含量≤3.5wt％；0.7wt％≤Ti质量含量≤1.3wt％；0.7wt％≤Nb质量含量≤1.3wt％；2.3wt％≤Al质量含量≤3.5wt％。在本发明中，所述K4648合金粉末还包括0.03wt％≤C质量含量≤0.1wt％；0wt％≤Fe质量含量≤0.5wt％；0wt％≤B质量含量≤0.008wt％；0wt％≤Ce质量含量≤0.03wt％；0wt％≤Si质量含量≤0.3wt％；0wt％≤S质量含量≤0.01wt％；0wt％≤Y质量含量≤0.04wt％；0wt％≤Ca质量含量≤0.02wt％；0wt％≤O质量含量≤0.02wt％，余量为Ni。
在本发明中，所述K4648合金粉末的粒径范围为15～53μm；其中d10控制在20±3μm，d50控制在30±3μm，d90控制在50±3μm。在本发明中，所述K4648合金粉末的流动性优选≤20s/50g。
本发明优选在K4648合金粉末平铺前，将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，直至成形腔氧含量低于100ppm且压力维持在30mbar为止。
本发明优选将K4648合金粉末平铺在基板上；更优选将基板预热至80～120℃后再铺粉。在本发明中，K4648合金粉末平铺的厚度优选为20～30μm。在本发明中，平铺时，K4648合金粉末的供粉量为铺粉厚度的1.5～2倍。
得到当前层后，本发明采用激光束对所述当前层的预设形状区域进行扫描，使扫描区域粉末熔化，逐层叠加，直至得到预设形状的K4648合金构件。在本发明中，所述当前层的预设形状区域优选采用九宫格方式分区扫描；在本发明具体实施例中，所述扫描区域优选为2×2mm。扫描不同层时扫描方向偏转一定角度，偏转角优选设定为37°。
在本发明中，扫描时，扫描实体的激光功率为320～370W，扫描轮廓的激光功率为150～200W。扫描时，扫描支撑的激光功率优选为320～370W扫描的激光束的光斑直径优选为70μm，实体扫描速度优选为2200～2700mm/s，轮廓扫描速度优选为400～500mm/s，支撑扫描速度优选为2200～2700mm/s，扫描间距优选为0.06～0.08mm。
在本发明一个具体实施例中，扫描时，扫描实体的激光功率为350W，扫描轮廓的激光功率为200W，扫描支撑的激光功率为350W，光斑直径为70μm，实体扫描速度为2500mm/s，轮廓扫描速度为450mm/s，支撑扫描速度为2500mm/s，扫描间距为0.07mm。
在本发明一个具体实施例中，扫描时，扫描实体的激光功率为320W，扫描轮廓的激光功率为150W，扫描支撑的激光功率为320W，光斑直径为70μm，实体扫描速度为2200mm/s，轮廓扫描速度为400mm/s，支撑扫描速度为2200mm/s，扫描间距为0.06mm。
在本发明一个具体实施例中，扫描时，扫描实体的激光功率为370W，扫描轮廓的激光功率为200W，扫描支撑的激光功率为370W，光斑直径为70μm，实体扫描速度为2700mm/s，轮廓扫描速度为500mm/s，支撑扫描速度为2700mm/s，扫描间距为0.08mm。
本发明逐层叠加，直至复杂结构部件完全成型，打印完成后的预设形状的K4648合金构件优选在成形腔室内放置3～5h。
在本发明中，得到预设形状的K4648构件后优选还包括：
将K4648构件进行去应力退火，再进行固溶-时效热处理。
本发明优选将铺粉采用的基板一起进行去应力退火。在本发明中，所述应力退火的温度优选为850℃～900℃；时间优选为2～3h。应力退火结束后优选随炉冷至室温。
在去应力退火完毕后，本发明优选通过线切割将构件与基板分离，并对构件进行固溶-时效热处理。在本发明中，所述固溶-时效热处理的温度优选为890～1195℃，固溶-时效热处理的时间优选为3～17h。所述固溶-时效热处理优选分步进行：
将与基板分离后的构件在1165℃～1195℃下保温3～5h后，空冷至室温；再置于890～910℃下保温15～17h，空冷至室温。
在本发明中，所述K4648合金构件优选为发动机涡流器。
本发明提供了一种K4648合金构件的增材制造工艺，包括以下步骤：将K4648合金粉末平铺，得到当前层；采用激光束对所述当前层的预设形状区域进行扫描，使扫描区域粉末熔化，逐层叠加，直至得到预设形状的K4648合金构件；所述K4648合金粉末的粒径为15～53μm；扫描时，扫描实体的激光功率为320～370W，扫描轮廓的激光功率为150～200W。本发明通过采用激光选区熔化增材制造技术使得K4648合金构件近净成形，且能够提供其抗拉强度。另外，该增材制造工艺还能提高K4648合金构件的屈服强度和延伸率。实验结果表明：K4648涡流器的室温抗拉强度≥1000MPa，屈服强度≥800MPa，延伸率≥30％；高温抗拉强度(800℃)≥700MPa，高温屈服强度≥500MPa，延伸率≥20％；800℃，206MPa高温持久性能≥40h。
为了进一步说明本发明，下面结合实施例对本发明提供的一种K4648合金构件的增材制造工艺进行详细地描述，但不能将它们理解为对本发明保护范围的限定。
本申请实施例1、实施例2、实施例3均采用下述K4648合金粉末：
原料为K4648高温合金粉末，其粒径为15～53μm，其中d10为17.2μm，d50为29.7μm，d90为50μm，流动性为16.3s/50g，粉末的化学成分如下：
表1实施例1～3采用的K4648高温合金粉末的化学组成
图1为本发明实施例采用的K4648合金粉末的SEM图。
实施例1
(1)对涡流器三维模型进行切片处理，切片厚度30μm；切片完成后，规划涡流器的扫描路径，采用九宫格方式分区扫描，区域大小2×2mm，扫描不同层时扫描方向偏转一定角度，偏转角设定为37°；
(2)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，直至成形腔氧含量低于100ppm且压力维持在30mbar为止；
(3)通过预热功能将基板进行预热，预热温度为100℃，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30μm的K4648高温合金粉末，供粉量设置为铺粉厚度的2倍；
(4)设定激光选区熔化工艺，扫描实体的激光功率350W，扫描轮廓的激光功率200W，扫描支撑的激光功率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，设定完成后启动打印；
(5)激光束在计算机的控制下完成构件的烧结后，在成形腔室内存放2h后连基板一起取出构件；
(6)部件制造完毕后连基板一起进行去应力退火：875℃，保温2h，炉冷。
(7)去应力退火完毕后，通过线切割将构件与基板分离，并对构件进行热处理：1180℃，保温4h，空冷；再在900℃，保温16h，空冷，得到发动机涡流器。
图2为本发明实施例1制备的发动机涡流器的结构示意图。
本发明对实施例1制备的发动机涡流器进行力学性能测试，测试结果表明：实施例1制备的K4648涡流器有效解决了内应力、组织应力、热应力释放导致的翘曲变形现象，发动机涡流器的抗拉强度达到1087MPa，屈服强度为845MPa，延伸率为30.2％；高温抗拉强度为(800℃)817MPa，高温屈服强度为709MPa，延伸率为20.9％；800℃，206MPa高温持久性能40.9h，能够满足航空发动机涡流器综合力学性能的要求。
实施例2：
(1)对涡流器三维模型进行切片处理，切片厚度20μm；切片完成后，规划涡流器的扫描路径，采用九宫格方式分区扫描，区域大小2×2mm，扫描不同层时扫描方向偏转一定角度，偏转角设定为37°；
(2)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，直至成形腔氧含量低于100ppm且压力维持在30mbar为止；
(3)通过预热功能将基板进行预热，预热温度为80℃，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K4648高温合金粉末，供粉量设置为铺粉厚度的1.5倍；
(4)设定激光选区熔化工艺，扫描实体的激光功率320W，扫描轮廓的激光功率150W，扫描支撑的激光功率320W，光斑直径70μm，实体扫描速度2200mm/s，轮廓扫描速度400mm/s，支撑扫描速度2200mm/s，扫描间距0.06，设定完成后启动打印；
(5)激光束在计算机的控制下完成构件的烧结后，在成形腔室内存放3h后连基板一起取出构件；
(6)部件制造完毕后连基板一起进行去应力退火：850℃，保温2h，炉冷。
(7)去应力退火完毕后，通过线切割将构件与基板分离，并对构件进行热处理：1165℃，保温5h，空冷；890℃，保温17h，空冷，得到发动机涡流器。
本发明对实施例2制备的发动机涡流器进行力学性能测试，测试结果表明：实施例2制备的K4648涡流器有效解决了内应力、组织应力、热应力释放导致的翘曲变形现象，发动机涡流器的抗拉强度达到1042MPa，屈服强度为893MPa，延伸率为31％；高温抗拉强度为(800℃)795MPa，高温屈服强度为613MPa，延伸率为21.6％；800℃，206MPa高温持久性能42h，能够满足航空发动机涡流器综合力学性能的要求。
实施例3：
(1)对涡流器三维模型进行切片处理，切片厚度25μm；切片完成后，规划涡流器的扫描路径，采用九宫格方式分区扫描，区域大小2×2mm，扫描不同层时扫描方向偏转一定角度，偏转角设定为37°；
(2)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，直至成形腔氧含量低于100ppm且压力维持在30mbar为止；
(3)通过预热功能将基板进行预热，预热温度为120℃，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25μm的K4648高温合金粉末，供粉量设置为铺粉厚度的2倍；
(4)设定激光选区熔化工艺，扫描实体的激光功率370W，扫描轮廓的激光功率200W，扫描支撑的激光功率370W，光斑直径70μm，实体扫描速度2700mm/s，轮廓扫描速度500mm/s，支撑扫描速度2700mm/s，扫描间距0.08，设定完成后启动打印；
(5)激光束在计算机的控制下完成构件的烧结后，在成形腔室内存放2.5h后连基板一起取出构件；
(6)部件制造完毕后连基板一起进行去应力退火：900℃，保温2.5h，炉冷；
(7)去应力退火完毕后，通过线切割将构件与基板分离，并对构件进行热处理：1195℃，保温3h，空冷；910℃，保温15h，空冷，得到发动机涡流器。
本发明对实施例3制备的发动机涡流器进行力学性能测试，测试结果表明：实施例3制备的K4648涡流器有效解决了内应力、组织应力、热应力释放导致的翘曲变形现象，发动机涡流器室温下的抗拉强度达到1036MPa，屈服强度为833MPa，延伸率为33.2％；高温抗拉强度为(800℃)769MPa，高温屈服强度为603MPa，延伸率为24.7％；800℃，206MPa高温持久性能43.8h，能够满足航空发动机涡流器综合力学性能的要求。
实施例1～3的结果表明：发动机涡流器室温下的抗拉强度为1036～1087MPa，屈服强度为833～893MPa，延伸率为30.2～33.2％；高温抗拉强度为(800℃)769～817MPa，高温屈服强度为603～709MPa，延伸率为20.9～24.7％；800℃，206MPa高温持久性能达到40.9～43.8h。
由以上实施例可知，本发明提供了一种K4648合金构件的增材制造工艺，包括以下步骤：将K4648合金粉末平铺，得到当前层；采用激光束对所述当前层的预设形状区域进行扫描，使扫描区域粉末熔化，逐层叠加，直至得到预设形状的K4648合金构件；所述K4648合金粉末的粒径为15～53μm；扫描时，扫描实体的激光功率为320～370W，扫描轮廓的激光功率为150～200W。本发明通过采用激光选区熔化增材制造技术使得K4648合金构件近净成形，且能够提供其抗拉强度。另外，该增材制造工艺还能提高K4648合金构件的屈服强度和延伸率。实验结果表明：K4648涡流器的室温抗拉强度≥1000MPa，屈服强度≥800MPa，延伸率≥30％；高温抗拉强度(800℃)≥700MPa，高温屈服强度≥500MPa，延伸率≥20％；800℃，206MPa下高温持久性能≥40h。
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为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种K4648构件的增材制造工艺，包括以下步骤：
将K4648合金粉末平铺，得到当前层；
采用激光束对所述当前层的预设形状区域进行扫描，使扫描区域粉末熔化，逐层叠加，直至得到预设形状的K4648合金构件；
所述K4648合金粉末的粒径为15～53μm；
扫描时，扫描实体的激光功率为320～370W，扫描轮廓的激光功率为150～200W。
2.根据权利要求1所述的增材制造工艺，其特征在于，所述K4648合金粉末中，32.0wt％≤Cr质量含量≤35.0wt％；4.3wt％≤W质量含量≤5.5wt％；2.3wt％≤Mo质量含量≤3.5wt％；0.7wt％≤Ti质量含量≤1.3wt％；0.7wt％≤Nb质量含量≤1.3wt％；2.3wt％≤Al质量含量≤3.5wt％。
3.根据权利要求1所述的增材制造工艺，其特征在于，所述K4648合金粉末的流动性≤20s/50g。
4.根据权利要求1所述的增材制造工艺，其特征在于，所述扫描时，实体扫描速度为2200～2700mm/s，轮廓扫描速度为400～500mm/s，扫描间距为0.06～0.08mm。
5.根据权利要求1所述的增材制造工艺，其特征在于，得到预设形状的K4648构件后还包括：
将K4648构件进行去应力退火，再进行固溶-时效热处理。
6.根据权利要求5所述的增材制造工艺，其特征在于，所述应力退火的温度为850℃～900℃；时间为2～3h。
7.根据权利要求5所述的增材制造工艺，其特征在于，所述固溶-时效热处理的温度为890～1195℃，固溶-时效热处理的时间为3～17h。
8.根据权利要求1所述的增材制造工艺，其特征在于，所述K4648合金构件为发动机涡流器。
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