CN110434338A - 一种具有层状尺寸效应的脆性合金激光选区熔化制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种具有层状尺寸效应的脆性合金激光选区熔化制备方法，属于先进制造技术领域。将韧性合金粉末置于激光选区熔化装置的原料缸中，预热后，将所述韧性合金粉末通过激光扫描成形，得到一定厚度的韧性合金层；韧性合金材料的延伸率应大于等于5％；将所述原料缸中的韧性合金粉末替换为脆性合金粉末，预热后，将所述脆性合金粉末通过激光扫描成形；脆性合金材料的延伸率小于5％；交替制备韧性合金层和脆性合金层后，最后一层为韧性合金层，即得到性能可控的层状TiAl合金。本发明利用激光选区熔化技术，将脆性合金与另一种韧性较好的合金以片层状形式相复合，基于层状尺寸效应制造出性能更加优异的脆性合金复合材料。

Description

一种具有层状尺寸效应的脆性合金激光选区熔化制备方法
技术领域
本发明属于先进制造技术领域，具体涉及一种具有层状尺寸效应的脆性合金激光选区熔化制备方法。
背景技术
激光选区熔化技术(SLM)是增材制造技术的一种，通过逐层制造并累加最终得到所需构件，理论上可以成形任意复杂的形状，并且在制造过程中未成形的原料还可以重复利用，无材料的浪费，接近或实现了近净成形。相对于传统制造方法，在激光选区熔化制造过程中，激光作用的微区内，样品能够实现快速的熔化和凝固，在极高的冷却速率下，合金往往具有更加细小的晶粒，从而可以提高成形件的强度，有些甚至与锻件相当。并且采用激光成形，能够快速达到极高的温度，可以成形传统方法难以成形的高温合金。此外，由于SLM技术采用逐层制造的方法成形，对于成形片层状结构的构件具有天然的优势，可以更方便的进行成形制造。激光选区熔化技术凭借其在成形复杂结构方面的独特优势，被广泛应用于航空航天、军工和生物医疗等领域。
脆性合金往往具有很高的硬度，强度以及良好的耐腐蚀性能，如TiAl，WC等。以TiAl合金为例，其具有密度低、比强度高、耐腐蚀、抗氧化、高温性能稳定等突出优点，因此在航空航天、汽车、船舶、化工等领域的关键部件有着越来越广泛的应用。然而，TiAl合金由于塑性太差，其大规模的应用面临着极大的困难，脆性差也是很多脆性合金共同面临的问题
研究发现，对于一种确定的材料，当其以片层状结构存在，片层厚度不同时，会表现出不同于其本身的力学性能，厚度较小的片层趋向于韧性增加，较大的片层趋向于脆性增加，而韧性与脆性的临界值与材料本身密切相关。这种现象被称为层状尺寸效应。受此层状尺寸效应启发，如果将脆性合金与另一种韧性合金以层状复合在一起，通过调整脆性合金和韧性金属的片层厚度，可以实现对材料断裂形式的可控，从而克服脆性合金塑性差的局限，提高脆性合金的应用范围。此外，考虑到激光选区熔化技术在成形层状多材料构件方面具有的独特的优势，将利用此技术成形具有层状尺寸效应的脆性合金构件。
发明内容
针对脆性合金塑性差而限制其应用的问题，本发明基于层状尺寸效应，利用激光选区熔化技术，将脆性合金与一种韧性合金以层状逐层累积制造在一起，通过调整脆性合金和韧性金属的片层厚度，可以实现对材料断裂形式的可控，从而克服脆性合金塑性差的局限，提高脆性合金的应用范围。
按照本发明的目的，提供了一种具有层状尺寸效应的脆性合金激光选区熔化制备方法，包括以下步骤：
(1)将韧性合金粉末置于激光选区熔化装置的原料缸中，预热后，将所述韧性合金粉末通过激光扫描成形，得到韧性合金层；所述韧性合金层的厚度为1mm-5mm；所述韧性合金粉末材料的延伸率大于等于5％；
(2)将步骤(1)所述原料缸中的韧性合金粉末替换为脆性合金粉末，预热后，将所述脆性合金粉末通过激光扫描成形，在步骤(1)所述韧性合金层表面成形一层脆性合金层；所述脆性合金层的厚度为0.1mm-2mm；所述脆性合金粉末材料的延伸率小于5％；
(3)按照步骤(1)和步骤(2)的方法交替制备韧性合金层和脆性合金层后，再按照步骤(1)的方法制备得到一层韧性合金层，即得到具有层状尺寸效应的脆性合金。
优选地，所述韧性合金粉末的粒径为15μm-53μm，所述脆性合金粉末的粒径为15μm-53μm。
优选地，步骤(1)和步骤(2)中的预热温度为80℃-200℃。
优选地，所述韧性合金粉末为Ti6Al4V、Inconel 718、316L不锈钢或AlSi10Mg。
优选地，所述脆性合金粉末为TiAl合金粉末或WC合金粉末等。
优选地，步骤(1)中所述激光扫描成形过程中的激光功率为120W-450W，扫描速度为450m/s-1200m/s，铺粉层厚为20μm-60μm，扫描间距为50μm-200μm。
优选地，步骤(2)中所述激光扫描成形过程中的激光功率为250W-500W，扫描速度为300m/s-1000m/s，铺粉层厚为20μm-60μm，扫描间距为50μm-200μm。
总体而言，通过本发明利用激光选区熔化技术成形的具有层状尺寸效应的脆性合金与传统成形工艺和材料相比，具有如下优势：
(1)由于激光选区熔化技术本身就是采用逐层累积的方法来进行制造的，采用这种成形工艺，可以更方便的将脆性合金与韧性金属以层状复合在一起。并且激光选区熔化技术还可以重复利用未成形的原料粉末，从而避免了材料的浪费。
(2)基于层状尺寸效应，对于一种确定的材料，当其为不同尺寸的片层状结构时，会表现出不同于其本身的力学性能，较小片层趋向于韧性增加，较大的片层趋向于脆性增加，而韧性与脆性的临界值与材料本身密切相关。本发明基于层状尺寸效应，利用激光选区熔化技术，将脆性合金和一种韧性较好的合金以片层状逐层累积复合，通过调控脆性合金和韧性合金片层的厚度，可以实现脆性合金断裂形式的可控，从而提高脆性合金的应用范围。
(3)本发明优选地激光选区熔化技术成形过程中的铺粉层厚在20～60μm，而脆性合金的片层厚度为0.1～2mm，韧性合金层的片层厚度为1～5mm，比铺粉层厚大了约1～2个数量级，表明采用激光选区熔化技术可以精确控制脆性合金与韧性合金的片层厚度，而片层厚度对于层状尺寸效应是至关重要的，从而可以精确调控脆性合金的性能。
(4)采用激光选区熔化技术制备的脆性合金/韧性合金复合材料可以方便的进行后续热处理，以进一步提升其综合性能。
附图说明
图1为本发明实施例的层状尺寸效应的脆性/韧性合金的结构示意图，深色部分为脆性合金，浅色部分为韧性合金。
图2为本发明实施例的一种具有层状尺寸效应的脆性/韧性合金激光选区熔化技术制备方法的制备过程示意图。其中：1-原料腔，2-成形腔，3-加热器，4-铺粉辊，5-激光器，6-备用腔，7-韧性合金原料粉末，8-成形的韧性合金片层，9-脆性合金原料粉末，10-成形的脆性合金片层。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本发明提供一种具有层状尺寸效应的脆性合金激光选区熔化技术制备方法，该方法包括如下步骤：
(1)将脆性合金粉末和韧性合金粉末进行筛分，得到呈正态分布的合适粒径的粉末原料；
(2)将所述筛分后的原料放入烘箱中烘干，去除其中的水分，防止在打印过程中污染样品，为成形做准备；
(3)将所述烘干后的韧性合金粉末7装入原料腔1中，启动设备，通入氩气，以去除成形空间内的氧气避免成形件氧化。加热器3升高到一定的温度对韧性合金粉末进行预热；
(4)将所述预热后的韧性合金粉末采用铺粉辊4铺展一层于成形腔2中，多余的粉落入备用腔6中，然后在激光器5的作用下以一定的扫描工艺参数成形；成形后，原料腔上升一个铺粉层厚，成形腔下降一个铺粉层厚，重复前述步骤，直至成形一定厚度的韧性合金片层8；
(5)将所述原料腔1中的粉末更换为脆性合金粉末9，并将加热器3升高到一定的温度对脆性合金粉末进行预热；
(6)将所属预热后的脆性合金粉末9以一定的激光扫描工艺参数在成形腔2中的韧性合金片层8的基础上成形一定的厚度脆性合金片层10，得到一个结构单元；成形过程与步骤(4)相同；
(7)重复上述步骤，直至完成构件的制造。图1为本发明实施例的层状尺寸效应的脆性/韧性合金的结构示意图，深色部分为脆性合金，浅色部分为韧性合金。
优选地，所述韧性合金粉末为韧性较好且适合于激光选区熔化技术的合金，如Ti6Al4V，Inconel 718，316L不锈钢，AlSi10Mg等。
优选地，筛分粉末粒径为15～53μm，且呈正态分布；
优选地，烘干温度为60～120℃，烘干时间为1～12h；
优选地，韧性合金粉末的预热温度为80～200℃；
优选地，韧性合金粉末成形工艺参数为激光功率120～450W、扫描速度450～1200m/s、铺粉层厚20～60μm、扫描间距50～200μm，成形片层厚度1～5mm；
优选地，脆性合金粉末的预热温度为80～200℃；
优选地，脆性合金成形工艺参数为：激光功率250～500W、扫描速度300～1000m/s、铺粉层厚20～60μm、扫描间距50～200μm，成形片层厚度0.1～2mm。
优选地，片层状的脆性合金/韧性合金复合材料的第一层和最后一层均应为韧性合金，可以避免脆性合金受不均匀外力而产生应力集中的现象。
实施例1
图2为本发明实施例的一种具有层状尺寸效应的TiAl合金激光选区熔化技术制备方法流程图。第一张为激光选区熔化设备原料装填示意图，第二张为正在进行韧性合金激光选区熔化的过程示意图，第三张为为韧性合金完成一个片层制造后，原料更换为TiAl合金粉末的示意图，第四张为为完成一个制造循环的示意图。如图2所示，一种具有层状尺寸效应的TiAl合金激光选区熔化技术制备方法，该方法包括以下步骤：
(1)原料筛分：将TiAl合金粉末和韧性合金粉末各分别使用270目和800目筛子筛分，取270目的筛下和800目的筛上料，得到呈正态分布的合适粒径的粉末原料，粒径分布在15～53μm之间的原料粉末；
(2)原料烘干：将所述筛分后的原料放入烘箱中烘干，于80℃条件下烘干5h以去除其中的水分；
(3)原料预热：将所述烘干后的韧性合金粉末7装入原料腔1中，通入氩气，使成形室内的氧含量降到0.4％以下，避免韧性合金氧化；加热器3升高到150℃对韧性合金粉末进行预热，以降低材料成形过程中的残余应力；
(4)韧性合金的激光选区成形：将所述预热后的韧性合金粉末采用铺粉辊4铺展一层于成形腔2中，多余的韧性合金粉末落入备用腔6中，然后在激光器5的作用下以一定的激光扫描工艺参数成形，以Ti6Al4V合金为例，具体成形工艺参数如下：激光功率360W，扫描速率1000mm/s，层厚50μm，扫描间距120μm；；成形后，原料腔上升50μm，成形腔下降50μm，重复前述步骤，直至成形一定厚度的韧性合金片层8；
(5)更换原料腔1中原料并进行预热：将所述原料腔1中的粉末由韧性合金7更换为TiAl合金，此时TiAl合金即为图2中的9，并将加热器3升高到100℃进行预热，以降低TiAl合金成形过程中产生的过高的残余应力；
(6)TiAl合金的激光选区成形：将所属预热后的TiAl在成形腔2中以一定的激光扫描工艺参数在韧性合金片层8的基础上成形一定的厚度的TiAl合金片层10，得到一个结构单元。具体成形工艺参数如下：激光功率300W，扫描速率900mm/s，层厚50μm，扫描间距120μm；成形过程与步骤(4)相同。
(7)重复上述步骤，直至完成构件的制造，且最后一个金属片层应为韧性合金。
实施例2
本发明实施例的一种具有层状尺寸效应的TiAl合金激光选区熔化技术制备方法，运用本发明采用激光选区熔化技术制备具有层状尺寸效应的Inconel 718/TiAl合金得实施例，具体步骤如下：
(1)首先将TiAl合金粉末和Inconel 718粉末各分别使用270目和800目筛网筛分，取270目的筛下和800目的筛上料，得到粒径分布在15～53μm之间的原料粉末；
(2)将筛分后的Inconel 718和TiAl合金原料放入烘箱中烘干，于80℃条件下放置5h以去除其中的水分；
(3)将烘干后的Inconel 718装入原料腔1中，此时图2中的7即为Inconel 718，然后通入氩气，使成形室内的氧含量降到0.4％以下避免Inconel 718成形过程中氧化。打开加热器3将基板升高到150℃进行预热，以降低材料成形过程中的残余应力；
(4)将所述预热后的Inconel 718合金粉末采用铺粉辊4铺展一层于成形腔2中，多余的Inconel 718合金粉末落入备用腔6中，然后在激光器5的作用下以一定的激光扫描工艺参数成形，具体成形工艺参数如下：激光功率350W，扫描速率650mm/s，层厚50μm，扫描间距100μm；成形后，原料腔上升50μm，成形腔下降50μm，重复前述步骤，直至成形1mm厚的Inconel 718合金片层8；
(5)将所述原料腔1中的Inconel 718粉末更换为TiAl合金粉末，此时TiAl合金粉末即为图2中的9，并将加热器3升高到100℃进行预热，以降低TiAl合金成形过程中产生的过高的残余应力；
(6)将所属预热后的TiAl在成形腔2中以一定的激光扫描工艺参数在已成形的Inconel 718片层基础上成形0.2mm的TiAl合金片层10，得到一个结构单元。TiAl合金具体成形工艺参数如下：激光功率300W，扫描速率900mm/s，层厚50μm，扫描间距120μm；成形过程与步骤(4)相同；
(7)重复上述步骤，直至完成构件的制造，且最后一个金属片层应为Inconel 718合金。
实施例3
本发明实施例的一种具有层状尺寸效应的WC合金激光选区熔化技术制备方法，运用本发明采用激光选区熔化技术制备具有层状尺寸效应的316L/WC合金得实施例，具体步骤如下：
(1)首先将WC合金粉末和316L粉末各分别使用270目和800目筛网筛分，取270目的筛下和800目的筛上料，得到粒径分布在15～53μm之间的原料粉末；
(2)将筛分后的的316L和WC合金原料放入烘箱中烘干，于80℃条件下放置5h以去除其中的水分；
(3)将烘干后的316L装入原料腔1中，此时图2中的7即为316L，通入氩气，使成形室内的氧含量降到0.4％以下。打开加热器3将基板升高到120℃进行预热，以降低材料成形过程中的残余应力；
(4)将所述预热后的316L合金粉末采用铺粉辊4铺展一层于成形腔2中，多余的316L合金粉末落入备用腔6中，然后在激光器5的作用下以一定的激光扫描工艺参数成形，具体成形工艺参数如下：激光功率150W，扫描速率700mm/s，层厚50μm，扫描间距70μm；成形后，原料腔上升50μm，成形腔下降50μm，重复前述步骤，直至成形1.5mm厚的316L合金片层8；
(5)将所述原料腔1中的316L粉末更换为WC合金粉末，此时WC合金粉末即为图2中的9，并将加热器3升高到100℃进行预热，以降低WC合金成形过程中产生的过高的残余应力；
(6)将所属预热后的WC在成形腔2中以一定的激光扫描工艺参数在已成形的316L片层基础上成形0.4mm的WC合金片层10，得到一个结构单元。TiAl合金具体成形工艺参数如下：激光功率250W，扫描速率800mm/s，层厚30μm，扫描间距80μm；成形过程与步骤(4)相同；
(7)重复上述步骤，直至完成构件的制造，且最后一个金属片层应为316L合金。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种具有层状尺寸效应的脆性合金激光选区熔化制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将韧性合金粉末置于激光选区熔化装置的原料缸中，预热后，将所述韧性合金粉末通过激光扫描成形，得到韧性合金层；所述韧性合金层的厚度为1mm-5mm；所述韧性合金粉末材料的延伸率大于等于5％；
(2)将步骤(1)所述原料缸中的韧性合金粉末替换为脆性合金粉末，预热后，将所述脆性合金粉末通过激光扫描成形，在步骤(1)所述韧性合金层表面成形一层脆性合金层；所述脆性合金层的厚度为0.1mm-2mm；所述脆性合金粉末材料的延伸率小于5％；
(3)按照步骤(1)和步骤(2)的方法交替制备韧性合金层和脆性合金层后，再按照步骤(1)的方法制备得到一层韧性合金层，即得到具有层状尺寸效应的脆性合金。
2.如权利要求1所述的具有层状尺寸效应的脆性合金激光选区熔化制备方法，其特征在于，所述韧性合金粉末的粒径为15μm-53μm，所述脆性合金粉末的粒径为15μm-53μm。
3.如权利要求1所述的具有层状尺寸效应的脆性合金激光选区熔化制备方法，其特征在于，步骤(1)和步骤(2)中的预热温度为80℃-200℃。
4.如权利要求1所述的具有层状尺寸效应的脆性合金激光选区熔化制备方法，其特征在于，所述韧性合金粉末为Ti6Al4V、Inconel 718、316L不锈钢或AlSi10Mg。
5.如权利要求1所述的具有层状尺寸效应的脆性合金激光选区熔化制备方法，其特征在于，所述脆性合金粉末为TiAl合金粉末或WC合金粉末等。
6.如权利要求1所述的具有层状尺寸效应的脆性合金激光选区熔化制备方法，其特征在于，步骤(1)中所述激光扫描成形过程中的激光功率为120W-450W，扫描速度为450m/s-1200m/s，铺粉层厚为20μm-60μm，扫描间距为50μm-200μm。
7.如权利要求1所述的具有层状尺寸效应的脆性合金激光选区熔化制备方法，其特征在于，步骤(2)中所述激光扫描成形过程中的激光功率为250W-500W，扫描速度为300m/s-1000m/s，铺粉层厚为20μm-60μm，扫描间距为50μm-200μm。
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