CN111266578A - 一种抑制难焊镍基合金增材制造裂纹的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种抑制难焊镍基合金增材制造裂纹的方法，选取难焊接粉末与可焊接粉末，烘干后作为增材原料，采用激光直接沉积技术，按照每打印2‑5层难焊接粉末后打印1层可焊接粉末的难焊‑可焊材料交替式打印方式循环打印，至待增材模型打印结束，即完成。与现有技术相比，本发明方法简易可行，可原位抑制增材制造过程中裂纹的形成，有效解决了常规方法增材制造中裂纹快速形核长大的难题，节省了后处理期消除裂纹所需的高昂成本，并在保证所得增材件强度的同时提高其塑性和韧性，为增材制造高质量的难焊接镍基高温合金提供了工艺指导与质量保证。

Description

一种抑制难焊镍基合金增材制造裂纹的方法
技术领域
本发明属于镍基高温合金增材制造领域，涉及一种抑制难焊镍基合金增材制造裂纹的方法。
背景技术
镍基合金具有优异的抗屈服、抗疲劳、抗蠕变以及抗腐蚀能力，已被广泛应用于航天航天、石油化工、能源动力等领域。镍基合金的焊接性与其Ti+Al的总含量息息相关，当Ti+Al含量小于3wt％时，材料具有良好的可焊性；当Ti+Al含量大于6wt％时，会出现严重的应变时效开裂，通常被视为不可焊材。通常，这类高Al、Ti型镍基高温合金具备更优的高温性能，是航空发动机叶片、陆基燃气轮机叶片等关键热端零部件的常用材料，成形方式以铸造为主。
近年来，增材制造(俗称3D打印)技术的出现为传统制造业的转型升级提供了良好契机。该技术在复杂结构件的制造与修复领域具有独特优越性，已初步应用于焊接性良好的镍基高温合金，如Inconel 718等。然而，就Al、Ti含量高的难焊接镍基高温合金而言，其增材制造过程中会形成大量的裂纹，严重降低了成形件的力学性能。因此，抑制和消除裂纹是实现难焊接镍基高温合金增材制造的关键技术难题。
为解决上述技术难题，国内外学者已报道了一些探索性研究。例如，基底预热、减小热输入、优化增材路径等。尽管这类工艺手段有一定的裂纹抑制效果，但仍然难以彻底解决难焊接镍基高温合金增材制造的裂纹问题。为此，研究者们不得不探索一些成本高昂、工艺复杂的裂纹抑制及后期消除手段。专利CN 108941560A公开了一种消除Renè104镍基高温合金激光增材制造裂纹的方法，该技术基于铺粉式激光选区熔化技术，通过优化增材工艺，分区扫描等方案，抑制了内部大尺度宏观裂纹的产生，再采用去应力退火技术结合放电等离子烧结技术，以消除成型件内部的裂纹。此外，国内外一些文献也报道了一些采用热等静压(HIP,hot isostatic pressing)技术后期消除内部微裂纹和孔洞的案例。然而，增材过程是热应变不断积累的动态过程，一旦裂纹形核，就存在迅速扩展长大，形成宏观裂纹的风险，而宏观裂纹出现后，后期消除难度极大。
发明内容
本发明的目的是克服上述现有技术存在的缺陷，提供一种抑制难焊镍基合金增材制造裂纹的方法。首次以难焊-可焊镍基高温合金交替打印的方式，来原位抑制增材制造过程中裂纹的形成，有效解决了常规方法增材制造时裂纹快速形核长大的难题，节省了后处理期消除裂纹所需的高昂成本，显著提高了所得增材件的力学性能，为难焊接镍基高温合金的增材制造提供了工艺指导与质量保证。
本发明能够原位抑制裂纹的形核与长大，同时提高增材件力学性能。该方法的基本原理是：在打印多层焊接性能较差的高温合金后，打印一层焊接性、热塑性良好的异质高温合金，利用该层可焊高温合金的塑性变形，缓解增材过程中因温度梯度及强化相析出而引起的较大拉应力，改善应力三维分布状态，从而避免打印层中由应力集中导致的开裂。通过这种难焊-可焊材料交替打印的方式，最终可形成以难焊接高温合金为主，可焊接高温合金为辅的无裂纹复合增材件，具备优异的综合力学性能。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种抑制难焊镍基合金增材制造裂纹的方法，选取难焊接粉末与可焊接粉末烘干后作为增材原料，采用激光直接沉积技术，按照每打印2-5层难焊接粉末后打印 1层可焊接粉末的难焊-可焊材料交替式打印方式循环打印至模型成型，即完成。
进一步的，难焊接粉末与可焊接粉末在真空干燥箱中烘干，烘干温度为 100-200℃，烘干时间为1-3h。若不采用上述烘干操作，增材过程中可能出现由于粉末湿度过大而引起的粉末颗粒团聚现象，进而增加粉末输送的不稳定性。
进一步的，激光直接沉积技术的工艺条件为：激光光斑直径为1.2～1.6mm；激光功率为350～800W；送粉速度为0.5～1.5mL/min、激光扫描速度为4～10mm/s；保护气体为Ar，气流量为15L/min。
进一步的，打印后每层难焊接粉末与可焊接粉末的厚度均为0.3-0.5mm。
进一步的，难焊接粉末与可焊接粉末的粒径为45～150μm。
进一步的，难焊接粉末与可焊接粉末均为镍基高温合金粉末。
更进一步的，难焊接粉末中Al与Ti所占总含量为3wt％～8wt％。
更进一步的，可焊接粉末中Al与Ti所占总含量小于3wt％。
进一步的，设定难焊-可焊材料交替式打印方式满足：难焊接粉末的沉积量占总沉积粉末的65-85％，可焊接粉末的沉积量为15-35％。
进一步的，打印过程中，每次切换打印的增材原料时，需停止激光出光，停止激光加工头运动，保持5～10秒，待切换后的增材原料粉末输送稳定后继续执行打印。否则，粉末输送不稳定，所得沉积层起伏严重，成形较差。
本发明中，除难焊-可焊高温合金交替打印这一特殊的沉积方式外，难焊接粉末与可焊接粉末在交替打印过程中的用量比例需特别注意：当难焊接粉末的沉积量少于65％时，虽然增材制造裂纹可得到很好地抑制，但所得增材件的主要成分与难焊接高温合金的成分偏差较大，其高温性能很难达到原设计的要求；反之，当难焊接粉末的沉积量大于85％时，该方法的裂纹抑制效果会受到严重限制，难以获得无裂纹的增材件。除此之外，上述主要增材工艺的限定范围可初步保证沉积层的平整性，从而确保后续沉积制造的可持续性。
本发明提出的抑制难焊接型镍基合金增材制造裂纹的方法，可原位减缓增材过程中的应力集中，抑制增材过程中的裂纹形核与长大，从而得到无裂纹且综合力学性能良好的复合增材件。节省了后处理期的高昂成本，提高了增材件的安全可靠性。为发动机热端零部件的增材制造或修复再制造提供了有力的技术支持。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)该技术简易可行，成本低廉，可原位缓解打印过程中的应力集中，抑制打印过程中出现的裂纹形核与长大，节省了后处理期裂纹消除方面的高昂成本。
(2)少量可焊高温合金层的引入使得增材成形件具备更好的塑性和韧性，提高了增材件服役时的安全可靠性。
(3)利用该技术成形的复合增材成件材质仍然以高Al+Ti的难焊接高温合金为主，因此保留了这类合金高强度、高耐蚀性、高热稳定性的优点。
附图说明
图1为本发明的增材过程示意图；
图2为增材制造件的裂纹对比图，其中，图2(a)为对比例1所得IN 738增材件；图2(b)实施例所得IN 738+IN 718复合增材件；图2(c)对比例2所得IN 738 增材件；图2(d)为光学显微镜下对比例1所得增材件的裂纹形态；图2(e)为光学显微镜下施例所得IN 738+IN718复合增材件；
图3为对比例2所得IN 738增材件与实施例所得IN 738+IN 718复合增材件的拉伸曲线图，拉伸温度分别为室温、600℃以及800℃，加载速度为0.6mm/min；
图中标记说明：
1-主送粉桶，2-副送粉桶，3-送粉管路，4-光纤激光束，5-激光加工头喷嘴， 6-增材粉末，7-保护气体，8-熔池，9-副粉沉积层，10-主粉沉积层。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
以下各实施例中，如无特别说明的原料或处理技术，则表明均为本领域的常规市售原料或常规处理技术。
本发明的增材制造设施构造可通过如图1所示设施实现，整个增材制造设备包括主送粉桶1，副送粉桶2，送粉管路3，激光加工头喷嘴5等。主送粉桶1内盛装有难焊接粉末，副送粉桶2内盛装可焊接粉末，两者均通过送粉管路3链接激光加工头喷嘴5，增材粉末6由送粉气体输送至打印区域内后，在保护气体7的局部保护下，经光纤激光束4加热形成熔池8，冷却后分别形成主粉沉积层10和副粉沉积层9。按照打印方式循环打印后，即得到模型工件。
实施例1：
IN 738+IN 718高温合金薄壁件交替打印：
本实施例以Al+Ti含量约为7.3wt％的难焊接镍基高温合金IN 738为主要材料(即难焊接粉末)，以Al+Ti含量约为2wt％的可焊接高温合金IN 718为辅助添加材料(即可焊接粉末)，采用如图1的打印方法，在空气气氛中交替打印高度为 150mm，厚度为2mm的IN738+IN 718高温合金薄壁件。
具体步骤将结合图1所示增材过程示意图进行详述：
(1)选用粒径为70～150μm的IN 738和IN 718球形粉末，置入真空干燥箱中(150℃)烘干2小时。以IN 738作为主要材料，将其装入主送粉桶；以IN 718 为辅助材料，将其装入副送粉桶。
(2)以高为10mm，厚度为2.5mm的铸态IN 738为增材基板。基板待增材面需抛光除锈，但无需预热。
(3)建立高为150mm，厚度为2mm的薄壁件CAD模型，以STL格式输入增材软件。对模型进行分层切片,设置层厚为0.4mm。
(4)工艺条件：本实施例在空气气氛中进行，工艺参数如下：激光功率450 W，光斑直径1.6mm，激光扫描速度6mm/s，送粉速度1mL/min，喷嘴到基板距离13mm，送粉气体选用Ar气，流量为15L/min。
(5)采用双向往复式的扫描策略进行增材，每沉积2层IN 738粉后，间隔沉积1层IN718粉。不切换粉末时连续扫描沉积，切换粉末时，停止激光出光，停止激光加工头运动，保持5秒，待切换后的粉末输送稳定后继续执行沉积。如此循环往复，直至整个薄壁件增材完毕。
对比例1：
与实施例相同工艺条件下IN 738高温合金薄壁件的打印
本对比例以单纯IN 738粉末为原材料，选用与实施例相同的工艺条件，在空气中打印高度为150mm，厚度为2mm的IN 738高温合金薄壁件，以验证上述本发明实施例在抑制裂纹方面的技术优势。
具体步骤详述如下：
(1)选用粒径为70～150μm的IN 738球形粉末，置入真空干燥箱中(150℃) 烘干2小时后装入送粉桶。
(2)以高为10mm，厚度为2.5mm铸态IN 738为增材基板。基板待增材面抛光除锈，但无需预热。
(3)建立高为150mm，厚度为2mm的薄壁件模型，以STL格式输入增材软件。对模型进行分层切片,设置层厚为0.4mm。
(4)采用与实施例相同的工艺条件：空气气氛打印，激光功率450W，光斑直径1.6mm，激光扫描速度6mm/s，送粉速度1mL/min，喷嘴到基板距离13mm，送粉气体选用Ar气，流量为15L/min。
(5)采用双向往复式的扫描策略进行增材，连续扫描沉积直至整个薄壁件打印完毕。
对比例2:
将对比例1工艺条件优化后IN 738高温合金薄壁件的打印
为获得无宏观裂纹的纯IN 738拉伸样件，将对比例1中的工艺条件进行优化：整个打印过程在Ar气氛室中(氧含量小于30ppm)完成，将激光扫描速度优化为 3mm/s，相应送粉速度优化为0.8mL/min，其余参数不变。
结果对比：
实施例与对比例的开裂情况如图2所示。可以发现：在空气气氛中，采用较大激光扫描速度(6mm/s)时，按常规方法打印的纯IN 738增材件会出现大量的宏观裂纹，如图2(a)、(d)所示；而按本发明方法打印的复合增材件均未见宏观裂纹，如图2(b)、(e)所示。此外，在氩气气氛中，采用较小激光扫描速度(3 mm/s)时，按常规方法打印的纯IN 738增材件也未见宏观裂纹。以上结果说明本发明方法在抑制裂纹方面效果显著，也可说明使用氩气气氛以及降低激光扫描速度均有利于裂纹抑制。
由于对比例1中获得的增材件存在严重的宏观裂纹，难以加工成拉伸试样，因此，拉伸性能的对比在本发明实施例与对比例2中展开。图3展示了不同温度下实施例与对比例2所得增材件的拉伸曲线图。由图可知，对比例2中所得增材件虽然未见宏观裂纹，室温强度可达1000MPa左右，但其塑性、韧性(可用拉伸曲线下的面积大小表示)相当有限；而本发明实施例所得增材件不论是在室温，中温 (600℃)，还是高温(800℃)，其抗拉强度、塑性、韧性都高于对比例2。对比例2所得增材件塑性、韧性差的原因在于，其打印态组织中残余内应力较高或含有大量微观裂纹。
通过以上实施例与对比例可知，本发明针对难焊接镍基高温合金在增材过程中极易出现裂纹形核与长大，且所得增材件塑性、韧性较差的问题；通过交替引入少量焊接性、热塑性良好的异质高温合金层；缓解因温度梯度及强化相析出引起的较大拉应力，改善应力三维分布状态；从而避免由应力集中导致的开裂，提高增材件的塑韧性。本发明首次提出以难焊-可焊高温合金交替式打印来抑制裂纹的技术方案。所得复合增材件均未见裂纹，材质以难焊高温合金为主，可焊高温合金为辅，兼备优异的高温强度、塑性及韧性。本发明方法简易可行，可原位抑制增材制造过程中裂纹的形成，有效解决了常规方法增材制造中裂纹快速形核长大的难题，节省了后处理期消除裂纹所需的高昂成本，为增材制造难焊接镍基高温合金提供了工艺指导与质量保证。
本发明的裂纹抑制方法可根据需要在以下增材制造工艺范围内使用：
难焊接粉末与可焊接粉末在真空干燥箱中烘干，烘干温度为100-200℃，烘干时间为1-3h；激光直接沉积技术的工艺条件为：激光光斑直径为1.2～1.6mm；激光功率为350～800W；送粉速度为0.5～1.5mL/min、激光扫描速度为4～10mm/s；保护气体为Ar，气流量为15L/min；打印后每层难焊接粉末与可焊接粉末的厚度均为 0.3-0.5mm；难焊接粉末与可焊接粉末的粒径为45～150μm；难焊接粉末与可焊接粉末均为镍基高温合金粉末，其中，难焊接粉末中Al与Ti所占总含量为3wt％～8wt％，可焊接粉末中Al与Ti所占总含量小于3wt％；设定难焊-可焊材料交替式打印方式满足：难焊接粉末的沉积量占总沉积粉末的65-85％，可焊接粉末的沉积量为 15-35％。
上述对实施例的描述便于该技术领域的普通技术人员理解和使用本发明。熟悉本领域技术的人员可根据本发明的揭示，在不经过创造性劳动的情况下，将在此说明的一般原理应用到其他实施例中，并做出相应修改。因此，本发明不限于上述实施例，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种抑制难焊镍基合金增材制造裂纹的方法，其特征在于，选取难焊接粉末与可焊接粉末烘干后作为增材原料，采用激光直接沉积技术，按照每打印2-5层难焊接粉末后打印1层可焊接粉末的难焊-可焊材料交替式打印方式循环打印至模型成型，即完成。
2.根据权利要求1所述的一种抑制难焊镍基合金增材制造裂纹的方法，其特征在于，难焊接粉末与可焊接粉末在真空干燥箱中烘干，烘干温度为100-200℃，烘干时间为1-3h。
3.根据权利要求1所述的一种抑制难焊镍基合金增材制造裂纹的方法，其特征在于，激光直接沉积技术的工艺条件为：激光光斑直径为1.2～1.6mm；激光功率为350～800W；送粉速度为0.5～1.5mL/min、激光扫描速度为4～10mm/s；保护气体为Ar，气流量为15L/min。
4.根据权利要求1所述的一种抑制难焊镍基合金增材制造裂纹的方法，其特征在于，打印后每层难焊接粉末与可焊接粉末的沉积层厚度均为0.3-0.5mm。
5.根据权利要求1所述的一种抑制难焊镍基合金增材制造裂纹的方法，其特征在于，难焊接粉末与可焊接粉末的粒径为45～150μm。
6.根据权利要求1所述的一种抑制难焊镍基合金增材制造裂纹的方法，其特征在于，难焊接粉末与可焊接粉末均为镍基高温合金粉末。
7.根据权利要求6所述的一种抑制难焊镍基合金增材制造裂纹的方法，其特征在于，难焊接粉末中Al与Ti所占总含量为3wt％～8wt％。
8.根据权利要求6所述的一种抑制难焊镍基合金增材制造裂纹的方法，其特征在于，可焊接粉末中Al与Ti所占总含量小于3wt％。
9.根据权利要求1所述的一种抑制难焊镍基合金增材制造裂纹的方法，其特征在于，设定难焊-可焊材料交替式打印的方式满足：难焊接粉末的沉积量占总沉积粉末的65-85％，可焊接粉末的沉积量为15-35％。
10.根据权利要求1所述的一种抑制难焊镍基合金增材制造裂纹的方法，其特征在于，打印过程中，每次切换打印的增材原料时，需停止激光出光，停止激光加工头运动，保持5～10秒，待切换后的增材原料粉末输送稳定后继续执行打印。
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