CN110961635A - 一种通过激光冲击强化改善异种合金增材制造界面组织和性能的方法 - Google Patents

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Abstract

一种通过激光冲击强化改善异种合金增材制造界面组织和性能的方法，先采用计算机软件对成形试样进行建模和分层，采用定向能量沉积增材制造方式，在基板上成形第一种合金至指定高度，然后堆叠第一层异种合金，对第一层异种合金上表面进行激光冲击强化，确保激光冲击强化影响深度大于单层成形高度；在第一层异种合金的上表面继续堆叠第二层异种合金，调整工艺参数实现对第一层异种合金的在线热处理，在第二层异种合金上表面继续堆叠成形，直至第二种异种合金成形完毕，重复直至成形成完整零件；本发明应用激光冲击强化技术改善异种合金定向能量沉积增材制造过程中异种金属界面处的粗大微观组织、残余拉应力及气孔、裂纹等缺陷，提高零件的力学性能。

Description

一种通过激光冲击强化改善异种合金增材制造界面组织和性 能的方法
技术领域
本发明涉及增材制造技术领域，具体涉及一种通过激光冲击强化改善异种合金增材制造界面组织和性能的方法。
背景技术
激光冲击强化技术(Laser shock peening,简称LSP，又称作激光喷丸技术)，是采用高功率的激光冲击材料表面，从而使材料表面在一定深度内获得额外的残余压应力和位错密度，并通过后续热处理产生再结晶的一种表面处理工艺，相比于传统机械喷丸，激光冲击强化可以获得更高的残余压应力以及更大的影响层深度，同时还可以显著改善影响区域的组织结构，提高零件性能。
增材制造(additive manufacturing，简称AM)是依靠零件的三维模型数据为基础，通过将材料逐层堆积最终成形成零件或实物的工艺，定向能量沉积是金属增材制造的一个分支，相比于粉末床熔融技术，定向能量沉积技术设备简单，堆积效率高，可以直接用作金属零件的修复方式，并且可以较好的适应零件的维修环境。
目前，以电弧熔丝增材制造为例，采用定向能量沉积制造异种合金时，异种合金交界面的组织结构较为复杂，并且由于异种合金物理性能和化学性能差异较大，存在冶金不相容性，相比于同种合金，其交界面处更容易产生微观孔隙以及粗大晶粒等缺陷，且界面机械性能往往低于两种母材，极大的限制了异种合金增材制造的发展。采用激光冲击强化对合金界面进行在线处理可以极大的改善交界面的晶粒组织，从而提高合金的力学性能。
中国专利(申请号为201910734308.1)公开了一种金属增材制造的在线热处理工艺，中国专利(申请号为201810997040.6)的公开了一种基于3D打印技术的吸收保护层快速涂覆装置与方法，中国专利(申请号为201710391667.2)的公开了一种金属零件激光同轴送丝熔覆激光冲击锻打复合增材制造方法，上述对于金属增材制造的激光冲击强化工艺都是针对与改善同种合金整体件的机械性能，而未曾采用激光冲击强化来改善异种金属界面处的复杂微观组织及缺陷，且尚未尝试将激光冲击强化应用于异种金属零件修复以及异种合金焊缝的性能改善。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供了一种通过激光冲击强化改善异种合金增材制造界面组织和性能的方法，应用激光冲击强化技术改善异种合金定向能量沉积增材制造过程中异种金属界面处的粗大微观组织、残余拉应力及气孔、裂纹等缺陷，从而提高零件的力学性能，并将其应用于金属零件的增材修复工作，适用于异种合金焊缝的微观组织和性能改善。
为了实现上述发明目的，本发明采用的技术方案是：
一种通过激光冲击强化改善异种合金增材制造界面组织和性能的方法，包括以下步骤：
1)采用计算机软件对成形试样进行建模和分层，并生成成形路径文件；
2)采用定向能量沉积增材制造方式，在基板上成形第一种合金至指定高度；
3)在第一种合金顶部堆叠第一层异种合金；
4)对堆叠有第一层异种合金的上表面进行激光冲击强化，确保激光冲击强化影响深度大于单层成形高度；
5)在激光冲击强化处理后的第一层异种合金的上表面继续堆叠第二层异种合金，同时通过调整工艺参数实现对第一层异种合金的在线热处理；
6)在第二层异种合金上表面继续堆叠成形，直至第二种异种合金成形完毕；
7)重复步骤3)-步骤6)，直至成形成完整零件。
所述的激光冲击强化影响深度是指产生位错和残余压应力的影响深度，通过调节激光能量密度、激光冲击光斑重叠率参数实现精确调控，激光冲击强化影响层深度为0.5-1.5mm。
所述的激光冲击强化应用Q-switched技术的Nd:YAG脉冲激光，激光冲击强化参数为：光斑直径0.1～20mm，波长1064nm或532nm，纵向重叠率0～90％，横向重叠率0～90％，脉冲能量0.1～50J，脉宽3～30ns，频率0.5～10Hz。
所述的一种通过激光冲击强化改善异种合金增材制造界面组织和性能的方法适用于异种合金的定向能量沉积增材制造，异种合金的定向能量沉积增材制造包括送丝式及送粉式两种，包括激光近净成形、电子束熔丝沉积成形、激光熔丝增材制造、电弧熔丝增材制造以及多工艺复合的定向能量沉积增材制造；对于横截面为简单几何形状的薄壁结构件通过对称侧面冲击的方式来实现改善异种合金增材制造界面的效果。
本发明和现有技术相比，其有益效果为：
1、与常规增材制造技术相比，本发明方法通过材料堆叠的在线热处理效果，简化了成形工艺，同时激光冲击强化产生的大量位错会在在线的热处理效果下产生再结晶，从而解决异种合金交界面附近可能产生的晶粒粗大的影响。同时，对后续堆积层施加的激光冲击强化可以增加热处理后堆积层再结晶晶内位错，提高两种合金交界面处的材料的力学性能，减少甚至消除力学性能的各向异性。
2、与常规增材制造技术相比，本发明在保证材料力学性能的前提下，实现了异种合金零件的一体化快速成形，通过在线激光冲击强化及在线热处理，减少甚至消除两种合金交界面处的有害残余拉应力以及微观孔隙和裂纹萌生，提高零件的疲劳寿命。
3、与常规增材制造技术相比，本发明可以实现零件的应急修复(如野外战场环境用储备增材制造原材料修复材料各异的不同受损零件)以及异种合金焊缝的性能改善。对于零件修复，通过激光冲击强化提高两种合金交界面的结合强度，对于材料无法及时获得的失效零件可以第一时间进行修复，从而提高零件的工作寿命，降低因单一零件受损导致的整体装备失效。对于异种合金焊缝，通过激光冲击强化同样可以解决异种合金交界面附近由于性能差异和冶金不相容性导致的微观缺陷，改善焊缝的力学性能。
附图说明
图1为本发明方法的流程图。
图2为本发明方法中异种合金界面处的微观组织演变示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作详细描述。
如图1所示，一种通过激光冲击强化改善异种合金增材制造界面组织和性能的方法，包括以下步骤：
1)采用计算机软件对成形试样进行建模和分层，并生成成形路径文件，将路径文件输入增材制造设备中，并设定好参数；
2)采用定向能量沉积增材制造方式，在基板上成形第一种合金至指定高度，如图2中图(a)所示；第一种合金材料选用Ni600合金丝材，成形Ni600合金丝材的电弧电流为100A，焊枪移动速度0.1m/min，送丝速度0.4m/min；
3)如图2中图(b)所示，在第一种合金顶部堆叠第一层异种合金，第一层异种合金采用AISI316不锈钢丝材，成形AISI316不锈钢丝材的电弧电流为140A，焊枪移动速度0.4m/min，送丝速度0.8m/min；成形一层高度时停止，此时在两异种合金交界面附近区域会形成残余拉应力，且由于两异种合金之间的性能差异和冶金不相容性，导致两异种合金交界面处更容易出现微观孔隙和裂纹等缺陷；
本实施例在焊枪的后方安装100μm厚的铝箔铺设装置，需要时带动焊枪成形的同时可以实现铝箔的铺设；
4)如图2中图(c)所示，对堆叠有第一层异种合金的上表面进行激光冲击强化，通过调整激光冲击强化参数，确保激光冲击强化影响深度大于单层成形高度；通过激光冲击强化引入大量残余压应力，从而消除步骤3)中两异种合金交界面处产生的残余拉应力；激光冲击强化施加的残余压应力可实现缩小两异种合金交界面附近区域的微观孔隙和裂痕，同时在两异种合金交界面附近区域引入大量位错；
5)如图2中图(d)所示，在激光冲击强化处理后的第一层异种合金的上表面继续堆叠第二层异种合金，同时通过调整工艺参数实现对第一层异种合金的在线热处理，从而使步骤4)中两异种合金交界面附近区域的大量位错实现再结晶，进而细化晶粒，并最终使微观孔隙和裂纹闭合；
6)在第二层异种合金上表面继续堆叠成形，直至第二种异种合金成形完毕；
7)重复步骤3)-步骤6)，直至成形成完整零件。
所述的激光冲击强化应用Q-switched技术的Nd:YAG脉冲激光，激光冲击强化参数为：光斑直径0.1～20mm，波长1064nm或532nm，纵向重叠率0～90％，横向重叠率0～90％，脉冲能量0.1～50J，脉宽3～30ns，频率0.5～10Hz。
通过选用激光冲击强化参数以及定向能量沉积增材制造工艺参数来确保热输入，最终产生在线激光冲击强化加热处理的效果；通过后续的材料堆叠，可以对前一层或是前几层堆叠材料产生热影响，其影响区域分为熔融区和再结晶区，其中晶粒形貌和织构在熔融区和再结晶区域中得到改善；激光冲击强化影响深度大于最新堆积层及其释放热量造成的热处理区厚度之和，以保证热处理区域能被后续激光冲击强化并获得大量位错及残余压应力，因此通过激光冲击强化及后续堆积过程在线热处理，改善熔融区和再结晶区的微观组织。同时，激光冲击强化可以减少甚至消除异种合金界面处由于收缩率不同导致的残余拉应力，从而有效减少交界面处由于性能差异和冶金不相容性导致的微观孔隙和裂纹萌生。

Claims (4)

1.一种通过激光冲击强化改善异种合金增材制造界面组织和性能的方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)采用计算机软件对成形试样进行建模和分层，并生成成形路径文件；
2)采用定向能量沉积增材制造方式，在基板上成形第一种合金至指定高度；
3)在第一种合金顶部堆叠第一层异种合金；
4)对堆叠有第一层异种合金的上表面进行激光冲击强化，确保激光冲击强化影响深度大于单层成形高度；
5)在激光冲击强化处理后的第一层异种合金的上表面继续堆叠第二层异种合金，同时通过调整工艺参数实现对第一层异种合金的在线热处理；
6)在第二层异种合金上表面继续堆叠成形，直至第二种异种合金成形完毕；
7)重复步骤3)-步骤6)，直至成形成完整零件。
2.根据权利要求1所述的一种通过激光冲击强化改善异种合金增材制造界面组织和性能的方法，其特征在于：所述的激光冲击强化影响深度是指产生位错和残余压应力的影响深度，通过调节激光能量密度、激光冲击光斑重叠率参数实现精确调控，激光冲击强化影响深度为0.5-1.5mm。
3.根据权利要求1所述的一种通过激光冲击强化改善异种合金增材制造界面组织和性能的方法，其特征在于：所述的激光冲击强化应用Q-switched技术的Nd:YAG脉冲激光，激光冲击强化参数为：光斑直径0.1～20mm，波长1064nm或532nm，纵向重叠率0～90％，横向重叠率0～90％，脉冲能量0.1～50J，脉宽3～30ns，频率0.5～10Hz。
4.根据权利要求1所述的一种通过激光冲击强化改善异种合金增材制造界面组织和性能的方法，其特征在于：适用于异种合金的定向能量沉积增材制造，异种合金的定向能量沉积增材制造包括送丝式及送粉式两种，包括激光近净成形、电子束熔丝沉积成形、激光熔丝增材制造、电弧熔丝增材制造以及多工艺复合的定向能量沉积增材制造；对于横截面为简单几何形状的薄壁结构件通过对称侧面冲击的方式来实现改善异种合金增材制造界面的效果。
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