CN108296629B - 一种高通量扩散偶的激光成形方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及扩散偶制备领域，具体为一种金属材料高通量扩散偶的激光成形方法。首先，利用砂纸将待扩散的试样机械表面打磨出金属光泽，保证相互接触的试样平面平行；其次，根据需要焊合试样平面的位置，利用计算机软件规划出激光扫描路径；而后，利用高能量激光束依照规划好的路径进行扫描；最后，在特定温度进行保温以获得元素成分和显微组织良好的扩散偶。采用本发明方法制备的扩散偶，简单有效，试样的接触面可形成致密的冶金结合，成品率高，制备效率高，对多元扩散偶效果尤其明显。

Description

一种高通量扩散偶的激光成形方法
技术领域：
本发明涉及扩散偶制备领域，具体为一种金属材料高通量扩散偶的激光成形方法。
背景技术：
众所周知，对材料科学而言，相图即是被研究对象热力学数据(实测和计算)的图象表示，是科研人员进行新材料研究和开发的可靠依据，通常科研人员一般采用扩散偶的方法为相图的绘制提供相关数据。传统扩散偶制备技术的基本原理是：将不同的纯金属或合金捆绑起来，在指定温度下进行长时间扩散处理，在各金属或合金试样的分界处便形成互扩散层，互扩散层中的组成相就是该体系在该温度下存在的相。该方法将不同试样进行捆绑焊合难度系数较大，且成功率较低。近年来，激光成形技术的快速发展为金属材料高通量扩散偶的制备提供了一种新方法。
发明内容：
本发明的目的在于提供一种高通量扩散偶的激光成形方法，该方法可行性强，成品率高，适用于可激光加工的所有金属材料。
本发明的技术方案是：
一种高通量扩散偶的激光成形方法，采用激光成形制备高通量扩散偶，在激光成形前需将待焊合的表面磨平，而后利用激光直接成形技术将不同试样的接触面进行焊合，最后在进行热处理以制备所需扩散偶。
所述的高通量扩散偶的激光成形方法，采用砂纸将待焊合试样表面磨平，以去除表面污染物，使待焊合表面呈现金属光泽，且两个接触的待焊合表面能够紧密结合。
所述的高通量扩散偶的激光成形方法，根据高通量扩散偶中各个试样排布位置，利用计算机画图软件，规划出激光扫描路径，而后通过3D打印切片软件生成可控制激光扫描路径的程序。
所述的高通量扩散偶的激光成形方法，计算机画图软件采用UG或CAD。
所述的高通量扩散偶的激光成形方法，采用高能激光束按照优化好的扫描路径进行扫描，将紧密贴合的试样接触面进行焊合；焊合时，采用大功率横轴流CO2激光器，激光功率2500～3500w，激光光斑直径0.8～1.2mm，保护气体氩气压强为0.08～0.15MPa，光束扫描速度为2～5mm/s。
所述的高通量扩散偶的激光成形方法，激光束将试样焊合后，在真空热处理炉中进行温度700～1310℃的扩散退火处理。
所述的高通量扩散偶的激光成形方法，热处理的真空度5×10-1～5×10-2Pa。
所述的高通量扩散偶的激光成形方法，该方法适用于所有激光可加工金属材料。
所述的高通量扩散偶的激光成形方法，金属材料为钛、镍、铁、钴、铼或铱。
所述的高通量扩散偶的激光成形方法，该方法将纯金属与合金进行焊合，焊合后，采用合金的标准热处理制度，所得扩散偶用于表征纯金属元素对合金中析出相的数量、大小、分布状态影响规律，为合金成分的进一步优化提供依据。
本发明的优点及有益效果是：
1.传统方法依靠表面打磨、抛光、加压焊合和特定温度长时间保温获得扩散偶，这种扩散偶的制备方法难度系数较大且成功率较低。本发明通过高能激光束焊合的方式制备扩散偶，简单有效，试样的接触面可形成致密的冶金结合，成品率高，对多元扩散偶效果尤其明显。
2.本发明利用激光焊合制备扩散偶，各个试样的待接触表面只需机械磨平，无需抛光。
3.本发明用于所有激光可加工金属材料，如：钛、镍、铁、钴、铼等。
附图说明：
图1为纯金属Re、Ru和镍基高温合金DD5三元扩散偶结构示意图。
图2为激光焊合制备的Re、Ru和DD5合金界面处显微组织；其中，图(a)、(b)、(c)分别对应扩散偶中界面附近的不同区域。
图3为激光焊合制备的Re、Ru和DD5扩散偶Ru/DD5界面附近析出相的形貌与含量；其中，图(a)、(b)、(c)、(d)分别对应图2(c)中1、2、3、4区域。
图4为激光焊合制备的Ir/DD91扩散偶界面附近析出相的形貌与含量；其中，图(b)为图(a)中方框区域的形貌的放大。
图5为激光焊合制备的Ru/DD91扩散偶界面附近析出相的形貌与含量；其中，图(b)为图(a)中方框区域的形貌的放大。
具体实施方式：
在具体实施过程中，本发明高通量扩散偶的激光成形方法的具体过程如下：
首先，采用砂纸将待焊合试样表面磨平，以去除表面油污等污染物，使待焊合表面呈现金属光泽，且相邻两个接触的待焊合表面能够紧密结合。其次，根据已经设计好的高通量扩散偶中各个试样的排布位置，将试样捆绑固定好；并利用UG、CAD等计算机画图软件，按照扩散偶中各个试样待焊合表面的位置规划出激光扫描路径，并通过激光3D打印专用切片软件生成可控制激光束扫描路径的程序。而后，利用激光束将紧密结合的待焊合表面进行焊合。
激光束的焊合在本方法中非常重要。激光束焊合的关键之一，采用氩气对试样进行保护以防止焊合过程中试样的氧化；关键之二，激光束能量密度足够大，能够使待焊合的试样接触面发生深熔焊，焊透深度大于1mm。试样按照规定路径焊合好后，放入高温真空热处理炉中进行指定温度的扩散热处理，使试样中各合金元素在焊合面附近形成互扩散层。
下面，通过实施例和附图对本发明进一步详细阐述。
实施例1
本实施例中，按照本发明技术方案中所描述的方法制备所需待焊合的纯金属Re、Ru和镍基高温合金DD5试样，并将其用夹具固定好，使待焊合的表面紧密接触，如图1所示。将固定好的试样沿着中间待焊合表面进行激光焊合。焊合时，采用大功率横轴流CO2激光器，激光功率2800w，激光光斑直径0.9mm，保护气体氩气压强为0.1MPa，光束扫描速度为3mm/s。焊合后的试样放入真空热处理炉中，真空度5×10-1～5×10-2Pa，热处理制度为1300℃/6h(空冷至室温)+1180℃/16h(空冷至室温)+870℃/24h(空冷至室温)。由此方法制备的Re/Ru/DD5三元高通量扩散偶界面附近区域组织如图2所示。可见，纯金属Re、Ru和DD5合金经过激光焊合后形成了致密的冶金结合，显微组织在界面区域过渡明显。图3显示了图2(c)中1、2、3、4位置处析出相γ'-Ni3Al的形貌与含量。可见，不同位置处析出相形貌和分布不同，这就说明按照本发明方法制备的扩散偶完全能够表征纯金属元素对合金中析出相数量、大小、分布状态等的影响规律，可为合金成分的进一步优化提供依据。
实施例2
本实施例中，按照本发明技术方案中所描述的方法制备所需待焊合的纯金属Ir和镍基高温合金DD91试样，并将其用夹具固定好，使待焊合的表面紧密接触。采用大功率横轴流CO2激光器将固定好的试样沿着中间待焊合表面进行焊合，激光功率3000w，激光光斑直径1.0mm，保护气体氩气压强为0.1MPa，光束扫描速度为3mm/s。焊合后的试样放入真空热处理炉中，真空度5×10-1～5×10-2Pa，热处理制度为1305℃/6h(空冷至室温)+1180℃/16h(空冷至室温)+870℃/24h(空冷至室温)。由此方法制备的Ir/DD91二元高通量扩散偶界面附近区域组织如图4所示。可见，纯金属Ir和DD91合金经过激光焊合后界面区域显微组织过渡明显。
实施例3
本实施例中，按照本发明技术方案中所描述的方法制备所需待焊合的纯金属Ru和镍基高温合金DD91试样，将其用夹具固定好，使待焊合的表面紧密接触。采用CO2激光器沿着中间待焊合表面进行焊合，激光功率2900w，激光光斑直径1.0mm，保护气体氩气压强为0.1MPa，光束扫描速度为3mm/s。焊合后的试样放入真空热处理炉中，真空度5×10-1～5×10-2Pa，热处理制度为1305℃/6h(空冷至室温)+1180℃/16h(空冷至室温)+870℃/24h(空冷至室温)。由此方法制备的Ru/DD91二元高通量扩散偶界面附近区域组织如图5所示。可见，纯金属Ru和DD91合金经过激光焊合后界面区域显微组织过渡明显。
实施例结果表明，本发明开发了一种简单有效的高通量扩散偶激光成形方法：首先，利用砂纸将待扩散的试样机械表面打磨出金属光泽，保证相互接触的试样平面平行；其次，根据需要焊合试样平面的位置，利用计算机软件规划出激光扫描路径；而后，利用高能量激光束依照规划好的路径进行扫描；最后，在特定温度进行保温以获得元素成分和显微组织良好的扩散偶。从而，通过该方法制备的扩散偶，简单有效，试样的接触面可形成致密的冶金结合，成品率高，制备效率高，对多元扩散偶效果尤其明显。

Claims (4)

1.一种高通量扩散偶的激光成形方法，其特征在于：采用激光成形制备高通量扩散偶，在激光成形前需将待焊合的表面磨平，而后利用激光直接成形技术将不同试样的接触面进行焊合，最后在进行热处理以制备所需扩散偶；
采用砂纸将待焊合试样表面磨平，以去除表面污染物，使待焊合表面呈现金属光泽，且两个接触的待焊合表面能够紧密结合；
根据高通量扩散偶中各个试样排布位置，利用计算机画图软件，规划出激光扫描路径，而后通过3D打印切片软件生成可控制激光扫描路径的程序；
计算机画图软件采用UG或CAD；
采用高能激光束按照优化好的扫描路径进行扫描，将紧密贴合的试样接触面进行焊合；焊合时，采用大功率横轴流CO2激光器，激光功率2500～3500w，激光光斑直径0.8～1.2mm，保护气体氩气压强为0.08～0.15MPa，光束扫描速度为2～5mm/s；
激光束将试样焊合后，在真空热处理炉中进行温度700～1310℃的扩散退火处理，热处理的真空度5×10-1～5×10-2Pa。
2.按照权利要求1所述的高通量扩散偶的激光成形方法，其特征在于：该方法适用于所有激光可加工金属材料。
3.按照权利要求2所述的高通量扩散偶的激光成形方法，其特征在于：金属材料为钛、镍、铁、钴、铼或铱。
4.按照权利要求1所述的高通量扩散偶的激光成形方法，其特征在于：该方法将纯金属与合金进行焊合，焊合后，采用合金的标准热处理制度，所得扩散偶用于表征纯金属元素对合金中析出相的数量、大小、分布状态影响规律，为合金成分的进一步优化提供依据。
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