CN111299578A - 一种电磁辅助直接激光沉积镍基高温合金-钛合金功能梯度材料的方法 - Google Patents

一种电磁辅助直接激光沉积镍基高温合金-钛合金功能梯度材料的方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种电磁辅助直接激光沉积镍基高温合金‑钛合金功能梯度材料的方法，属于增材制造技术领域。该方法在成形过程中通过调整送粉速率，以质量分数10％为步长，不断改变两种粉末的比例，从而实现从钛合金到镍基高温合金的梯度过渡。将电磁搅拌装置附加在激光加工头上，使其可以随激光头的移动而移动，进而将磁场加载在熔池区域。使得熔池在磁场洛伦兹力的作用下，产生对流，一方面加快了冷却速率，起到细化晶粒的作用，另一方面抑制了元素偏析过程，减少了脆性相的生成，并使其成弥散状分布，提高材料性能。沉积不同成分比例的梯度层，在工件底部附加不同的温度场，起到调控温度梯度和冷却速率的作用，减少残余应力，抑制材料缺陷产生。

Description

一种电磁辅助直接激光沉积镍基高温合金-钛合金功能梯度 材料的方法
技术领域
本发明属于激光增材制造技术领域，主要针对同轴送粉式激光增材制造功能梯度材料领域，具体涉及一种电磁辅助直接激光沉积镍基高温合金-钛合金功能梯度材料的方法。
背景技术
功能梯度材料是指两种或多种材料复合，成分和结构呈梯度变化的一种新型复合材料。其功能和性能随机件内部位置的变化而变化，从而可以应对复杂的应用环境和需求。钛合金作为轻质合金的一种，有着比强度高、抗疲劳性能好等优点，但其难以应用于高温环境中。而镍基高温合金虽然有着良好的高温抗氧化性能，但其密度大，难以满足轻量化的使役要求。制备镍基高温合金-钛合金功能梯度材料，致力于使材料在拥有表层耐高温性能的情况下，拥有轻质量、高强度等特点，从而面向航空航天、国防军工等领域的应用需求。直接激光沉积作为一种新型制造技术，在制备功能梯度材料方面，有着高效率、低成本、易加工形状复杂零件等优点，可以更好的把控梯度材料在成分上的过渡，进而更好的贴合预定的设计方案和应用需求，已成为近年来研究的热点。
制备镍基高温合金-钛合金功能梯度材料的主要问题在于，在成形过程中易产生多种脆性金属间化合物，导致材料整体的韧性下降，在残余应力的作用下，产生裂纹缺陷。当钛合金含量为10-30wt％时，由于镍基合金中往往包含大量的铁、铬元素，易产生laves相、Ni3Ti相等脆性相。当钛含量为60-90wt％时，易产生的金属间化合物为Ti2Ni。因此制备钛-镍合金功能梯度材料，要根据产生的脆性相的特点，通过附加外场等手段，抑制脆性相的生成，减少金属间化合物的含量；控制其分布特点，尽可能的使其均匀的分布于组织中；控制温度场变化，减小残余应力，从而避免裂纹的萌生和扩散。
电磁搅拌技术已在铸造、焊接、熔覆等领域被证实，具有减少缺陷、细化晶粒、提高组织成分均匀性和减小试件残余应力等作用。利用磁场对熔池的搅拌作用，可抑制熔池内部的元素偏析过程，减少脆性相析出的含量，改变其分布状态，从而起到抑制裂纹、提高材料性能的作用。针对不同成分比例的梯度过渡层，在材料底部施加不同的温度场，可进一步减少脆性相的生成，同时一定程度上减少残余应力的大小，避免材料缺陷的产生。
中国学者钦兰云：电磁搅拌辅助激光沉积成形钛合金试验研究，通过在机床上附加可旋转的磁场这一方式，在加工过程中对成形样件施加旋转磁场，加剧了熔池的对流，细化了钛合金沉积层内的α片层组织，提升了材料的力学性能。但其底部加载磁场的方式，限制了加工工件的大小，难以制备尺寸较大的工件。
专利CN109182935A报道了一种激光修复镍基高温合金中脆性相的消除方法，利用在液体金属熔池施加电磁场的方式，抑制了镍基高温合金在成形过程中laves相的析出，从而提高了材料的机械性能。但其忽略了施加温度场对工件缺陷的抑制作用，有一定局限性。
专利CN108356266A报道了一种超声辅助激光近净成形钛-镍合金梯度材料的方法，利用在底部施加超声及预热的方式，改变脆性相的分布状况，减少残余应力，从而抑制材料缺陷的产生。但超声难以在空气中传播，在底部加载，随沉积高度及工件尺寸的增加，其效应会逐渐衰减，不利于大尺寸工件的制备；且其底部施加的温度场不随沉积层的成分而变化，不利于抑制脆性相的产生。
发明内容
为抑制激光增材制造镍基高温合金-钛合金功能梯度材料的脆性相析出，解决在成形过程中材料出现的韧性下降、开裂等问题，本发明提供了一种电磁辅助直接激光沉积镍基高温合金-钛合金功能梯度材料的方法。该方法将电磁搅拌装置附加在激光头上，使其在成形过程中随动，将磁场加载在熔池区域，不限制加工工件的尺寸。熔池在磁场洛伦兹力的作用下，产生对流，一方面抑制了钛、镍等元素的偏析过程，减少了如laves相、Ni3Ti、Ti2Ni等脆性金属间化合物的生成，另一方面改变了晶粒形态，使脆性相成弥散状分布，提高材料的性能。对于不同成分比例的沉积层，在样件底部附加不同的温度场。沉积钛合金含量为0-30wt％的梯度层时，工件底部附加恒温水冷，提高材料的冷却速率，抑制Laves相的产生；沉积钛合金含量为40-100wt％的梯度层时，由于高冷却速率对Ti2Ni相的抑制作用不明显，因此在底部施加预热，通过减小温度梯度方法，降低残余热应力，避免工件中下部产生裂纹；
为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案如下：
一种电磁辅助直接激光沉积镍基高温合金-钛合金功能梯度材料的方法，该方法基于下述系统实现：将电磁搅拌装置11固定在激光头10上，将温控装置3固定在数控机床工作台2上，基板4固定在温控装置3上；所述温控装置3材质为铝合金，包含两个模块，上部嵌入发热板，可对基板4进行预热，底部为恒温水冷模块，外接冷却水循环机5，冷却水可从装置中抽出；成形过程中，激光器8发生激光由光纤输送至激光头10处聚焦，高纯氩气7制造保护环境，同时作为送粉动力流通至送粉器6，粉末传输至激光头10与激光耦合成形，通过调节送粉器6的送粉速率来控制沉积层的成分比例；在成形过程中，根据沉积层的成分比例，采用不同的激光工艺参数，调节电磁搅拌的磁场强度，在底部施加不同的温度场。具体制备方法包括以下步骤：
第一步，将电磁搅拌装置11通过夹具安装到激光头10上，电磁线圈底端伸出激光头底端2-4mm，保证成形过程中磁场可覆盖熔池。
第二步，成形过程中通过调节送粉器6的送粉速率，以质量分数10％为步长不断改变两种粉末的送出比例。
2.1)沉积质量分数0％-30％钛合金时，温控装置开启恒温水冷模式，对基板4进行冷却，预设温度设为20-30℃；电磁搅拌装置磁场强度初始值设定为40-60mT，线能量密度控制在0.5-1.5W/(mm/min)范围内；钛合金掺杂比例每增加10％，旋转磁场强度升高5-10mT；水冷温度T1、磁场强度B、线能量密度E三者在数值上存在以下关系：0.01T1+0.01B+E＝K1.，其中K1为常数，其数值范围为1.3-2.5，对于成分比例不同的沉积层，K1值不同。
2.2)沉积质量分数40％-50％钛合金时，温控装置3切换至预热模式，冷却水循环机5将冷却水抽出，在底部施加热场对工件进行预热，预热温度设置为50-400℃，磁场强度设置为40-50mt，线能量密度为0.7-1.6W/(mm/min)。
2.3)沉积质量分数60％-100％钛合金时，温控装置3预热温度设置为300-500℃，磁场强度初始值设置为45-55mt，线能量密度控制在0.5-1.5W/(mm/min)范围内；钛合金掺杂比例每增加10％，旋转磁场强度降低5-10mT；预热温度T2、磁场强度B、线能量密度E三者在数值上存在以下关系：0.001T2+0.01B+E＝K2，其中K2为常数，其数值范围为1.3-2.5，对于成分比例不同的沉积层，K2值不同。
第三步，成形结束后，依次关闭激光器8、电磁搅拌装置11、送粉器6，高纯氩气7待工件表面冷却至400℃以下后关闭，防止工件表面产生过多的氧化层。
本发明的有益效果如下：
本发明在应用直接激光沉积技术上，附加了电磁搅拌装置和外置的温度场。电磁搅拌装置同激光头随同，相比于在底部施加磁场，无成形尺寸限制。通过施加旋转磁场，使得熔池在洛伦兹力的作用下产生对流，缩短了元素偏析过程，进而减少了脆性相的生成，改变了其分布特点，使其呈颗粒状、短蠕状在基体均匀分布，提高了硬度和耐磨损性能。电磁辅助同时还有细化晶粒作用，避免了激光增材制造时常见的柱状晶的生成，使得材料强度提高的同时，又具有良好的韧性。此外针对不同成分比例脆性相的生成特点，在工件底部附加温控装置，在成形易产生laves相的成分比例时，底部恒温水冷，抑制脆性相的生成，在成形钛合金含量较高的梯度层时，对底部进行预热，降低温度梯度，减少残余应力，避免了工件中下部缺陷的产生。
附图说明
图1为本发明中电磁辅助直接激光沉积成形示意图：
图中：1激光器控制系统及机床运动数控系统；2数控机床工作台；3温控装置；4基板；5冷却水循环机；6送粉筒；7高纯氩气；8激光器；9电磁搅拌装置主机；10激光头；11电磁搅拌装置。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明。以电磁辅助直接激光沉积TC4/GH4169功能梯度材料为例，给出具体的实施方式。本发明电磁搅拌装置安装于同轴送粉的激光加工头上，成形过程中可随激光头的移动而移动，将旋转磁场加载在熔池上。基板下安装温控装置，材质为铝合金，包含两个模块，上部嵌入发热板，可进行预热，底部为恒温水冷模块，外接冷却水循环机，冷却水可从模块中抽出，温控装置可在工件底部施加不同的温度场。具体步骤如下：
(1)将球形的TC4和GH4169(45～90μm)粉末，在真空干燥箱中烘干4h，干燥温度120℃。干燥后的粉末分别置于送粉器6的不同腔筒内；实验用TC4基板4，使用金刚石砂纸打磨，去除表面氧化层后，使用丙酮清洗干净。
(2)将温控装置3固定在数控机床工作台2上，电磁搅拌装置11固定在激光头10上，基板4固定温控装置3上；开启激光器控制系统及机床运动数控系统1。
(3)调节电磁搅拌器11在激光加工头10上的夹持位置，使得电磁线圈同数控机床工作台角度近30°，电磁线圈底端伸出激光头底端3mm，保证成形过程中磁场可覆盖熔池。
(4)温控装置3开启恒温水冷模式，预设温度为20℃，开启高纯氩气，调示数至0.35MPa，调整送粉气压为0.1MPa，流量为5L/min，保护气压为0.1MPa，流量为15L/min，送粉量设置为1.5g/min；利用电磁搅拌装置主机9控制电磁搅拌装置11，将旋转磁场频率设定为15HZ，磁场强度为40mT；通过激光器控制系统及机床运动数控系统1，控制成形过程中的激光沉积参数及扫描路径，将激光功率设定为420W，线能量密度为1.4W/(mm/in)，Z轴提升量设置为0.5mm。每一种成分比例成形单道10层。钛合金掺杂比例每增加10％，旋转磁场强度升高10mT，线能量密度减小0.1W/(mm/min)。按上述工艺参数，沉积TC4质量分数为0％-30％的梯度层。
(5)沉积TC4质量分数为40％-50％的梯度层时，温控装置3切换至预热模式，冷却水从底部抽出，预热温度设置为400℃，旋转磁场频率设定为15HZ，磁场强度设置为50mt，线能量密度为1.4W/(mm/min)
(6)沉积TC4质量分数为60％-100％的梯度层时，预热温度设置为300℃，旋转磁场频率设定为15HZ，磁场强度设置为50mt，线能量密度为1.5W/(mm/min)；钛合金掺杂比例每增加10％，旋转磁场强度降低5mT；线能量密度增加0.05W/(mm/min)。
(7)成形结束后，依次关闭激光器8、电磁搅拌装置11、送粉器6，高纯氩气7待工件表面冷却至400℃以下后关闭，防止工件表面产生过多的氧化层。
以上所述实施例仅表达本发明的实施方式，但并不能因此而理解为对本发明专利的范围的限制，应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些均属于本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种电磁辅助直接激光沉积镍基高温合金-钛合金功能梯度材料的方法，其特征在于，该方法基于下述系统实现：将电磁搅拌装置(11)固定在激光头(10)上，将温控装置(3)固定在数控机床工作台(2)上，基板(4)固定在温控装置(3)上；所述温控装置(3)包含两个模块，上部嵌入发热板，可对基板(4)进行预热，底部为恒温水冷模块，外接冷却水循环机(5)，冷却水可从装置中抽出；成形过程中，激光器(8)发生激光由光纤输送至激光头(10)处聚焦，高纯氩气(7)制造保护环境，同时作为送粉动力流通至送粉器(6)，粉末传输至激光头(10)与激光耦合成形，通过调节送粉器(6)的送粉速率来控制沉积层的成分比例；在成形过程中，根据沉积层的成分比例，采用不同的激光工艺参数，调节电磁搅拌的磁场强度，在底部施加不同的温度场；所述方法包括以下步骤：
第一步，将电磁搅拌装置(11)通过夹具安装到激光头(10)上，电磁线圈底端伸出激光头底端2-4mm，保证成形过程中磁场可覆盖熔池；
第二步，成形过程中通过调节送粉器(6)的送粉速率，以质量分数10％为步长不断改变两种粉末的送出比例；
2.1)沉积质量分数0％-30％钛合金时，温控装置开启恒温水冷模式，对基板(4)进行冷却，预设温度设为20-30℃；电磁搅拌装置磁场强度初始值设定为40-60mT，线能量密度控制在0.5-1.5W/(mm/min)范围内；钛合金掺杂比例每增加10％，旋转磁场强度升高5-10mT；水冷温度T1、磁场强度B、线能量密度E三者在数值上存在以下关系：0.01T1+0.01B+E＝K1.，其中K1为常数，其数值范围为1.3-2.5，对于成分比例不同的沉积层，K1值不同；
2.2)沉积质量分数40％-50％钛合金时，温控装置(3)切换至预热模式，冷却水循环机(5)将冷却水抽出，在底部施加热场对工件进行预热，预热温度设置为50-400℃，磁场强度设置为40-50mt，线能量密度为0.7-1.6W/(mm/min)；
2.3)沉积质量分数60％-100％钛合金时，温控装置(3)预热温度设置为300-500℃，磁场强度初始值设置为45-55mt，线能量密度控制在0.5-1.5W/(mm/min)范围内；钛合金掺杂比例每增加10％，旋转磁场强度降低5-10mT；预热温度T2、磁场强度B、线能量密度E三者在数值上存在以下关系：0.001T2+0.01B+E＝K2，其中K2为常数，其数值范围为1.3-2.5，对于成分比例不同的沉积层，K2值不同；
第三步，成形结束后，依次关闭激光器(8)、电磁搅拌装置(11)、送粉器(6)，高纯氩气(7)待工件表面冷却至400℃以下后关闭，防止工件表面产生过多的氧化层。
2.根据权利要求1所述的一种电磁辅助直接激光沉积镍基高温合金-钛合金功能梯度材料的方法，其特征在于，所述温控装置(3)材质为铝合金。
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