CN112496350B - 一种电磁辅助激光打印NiCrAlY-Al2O3陶瓷的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电磁辅助激光打印NiCrAlY‑Al₂O₃陶瓷的方法及装置，所述装置包括工作缸、两个第一励磁线圈、激光头和振镜，两个第一励磁线圈分别固定安装在工作缸成型区的两侧，两个第一励磁线圈之间形成的磁感线覆盖工作缸的整个成型区，所述激光头和振镜均安装在工作缸的上方，激光头射出激光经过振镜反射后射向工作缸成型区内，采用逐层铺粉激光打印的方式进行增材打印，利用励磁线圈对熔池内的金属溶液对流进行抑制，从而提高功能梯度材料的机械性能。

Description

一种电磁辅助激光打印NiCrAlY-Al2O3陶瓷的方法及装置

技术领域

本发明属于激光增材制造领域，涉及一种电磁辅助激光打印 NiCrAlY-Al₂O₃陶瓷的方法及装置，更具体地，涉及一种电磁辅助激光打印 NiCrAlY-Al₂O₃陶瓷功能梯度材料的方法及装置。

背景技术

近年来，在航天航空、国防军工等行业飞速发展的浪潮中，对材料高性能的要求不断提出新的挑战，传统单一的均质材料已经无法满足，许多非均质复合材料应运而生，功能梯度材料就是其中一种，其相较于传统材料而言，其成分或结构是从一侧到另一侧逐渐连续变化的，能有效减小因成分或结构突变而造成的界面应力集中，增强界面结合力，同时又保留多种材质的特性。

激光增材制造技术是近年来备受国内关注的一项新兴制造技术，与传统的梯度材料成型技术相比较，该技术无需复杂的模具设计，同时材料的利用率高，可以实现一次近净成形各种复杂结构的制件，为梯度材料的成型提供了一种全新的途径，尤其适合一些多孔、点阵等复杂结构的梯度制件，激光选区熔化技术就是其中应用最为广泛成熟的技术之一。

然而在激光选区熔化成型的过程中，选区内会形成金属熔池，激光选区熔化打印的熔池面积很小，通常只有不到1平方毫米，熔池内存在很大的温度梯度，进而会形成强烈的marangoni对流，造成选区内的金属溶体相互混合，而对于功能梯度材料而言，这种对流会使局部区域的金属梯度结构发生变化，当多层的梯度结构均经过marangoni对流后，金属构件自身将难以维持梯度结构，甚至会因为梯度结构中两种相容性极差的材料混合而导致构件自身结构强度变差，外观劣化，难以满足功能梯度材料的生产制造要求。特别是NiCrAlY-Al₂O₃陶瓷功能梯度材料，两种不同性质的材料在高能激光的照射下，熔池部分形成对流，从而让两相再次混合，打破了梯度材料的原始结构，当成型层数较少时，该对流产生的影响不大，但是对于多层成型时，梯度结构的破坏使工件整体的结构不稳定，发脆，容易损坏。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种电磁辅助激光打印NiCrAlY-Al₂O₃陶瓷的装置及方法，其目的在于，通过磁场与激光熔池的相互作用，利用磁场阻挠熔池内金属液体在材料成型堆叠方向上的对流，由此解决现有NiCrAlY-Al₂O₃陶瓷功能梯度材料成型过程不稳定、工件整体易损坏的技术问题。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种电磁辅助激光打印NiCrAlY-Al₂O₃陶瓷的装置，包括工作缸、两个第一励磁线圈、激光头和振镜；两个第一励磁线圈分别固定安装在工作缸成型区的相对两侧，两个第一励磁线圈之间形成的磁感线覆盖工作缸的成型区，所述激光头和振镜均安装在工作缸的上方，激光头射出激光经过振镜反射后射向工作缸成型区内。

进一步地，还包括两个第二励磁线圈，两个第二励磁线圈分别安装在工作缸的底部和工作缸成型区上方，两个第二励磁线圈之间的磁感线沿竖直方向贯穿工作缸的成型区。

为了实现上述目的，按照本发明的另一个方面，提供了一种电磁辅助激光打印NiCrAlY-Al2O3陶瓷的打印方法，采用如前所述的一种电磁辅助激光打印NiCrAlY-Al₂O₃陶瓷的装置实现，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一、配置NiCrAlY-Al₂O₃混合粉末，备用；

步骤二、在工作缸内的活塞上铺设NiCrAlY粉末，开启第一励磁线圈，设置激光打印速度、激光功率和第一励磁线圈的工作电流，按照设置参数进行当前层的打印，打印完毕，驱动活塞下降；

步骤三、在打印完毕的第一层NiCrAlY粉末上铺设配置好的 NiCrAlY-Al₂O₃混合粉末，按照预设参数改变第一励磁线圈的工作电流，按照改变后的参数进行当前层的打印，打印完毕，驱动活塞下降；

步骤四、重复步骤三，直到打印至最后一层，最后一层为Al₂O₃粉末层，按照预设参数进行打印；重复步骤三的过程中，工作缸内活塞上由下到上依次铺设Al₂O₃含量更多的粉末。

进一步地，步骤一中，NiCrAlY-Al₂O₃混合粉末包括n组不同配比的 NiCrAlY-Al₂O₃混合粉末，其中第m组NiCrAlY-Al₂O₃混合粉末包括

份 NiCrAlY粉末和

份Al₂O₃粉末，n和m均为正整数，且m≤n，工作缸内活塞上由下到上依次铺设Al₂O₃含量更多的粉末。

进一步地，所述激光打印速度为0.5-2m/s。

进一步地，所述激光功率为10000-25000W/cm²。

进一步地，当打印第m组NiCrAlY-Al₂O₃混合粉末时，所述第一励磁线圈(2)的电流为

安。

进一步地，当打印第m组NiCrAlY-Al₂O₃混合粉末时，所述第二励磁线圈(5)的电流为

安。

进一步地，步骤二还包括，预先设置第二励磁线圈的工作电流，在开启第一励磁线圈时开启第二励磁线圈。

进一步地，步骤三还包括，按照预设参数改变第二励磁线圈的工作电流。

总体而言，本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

(1)本发明提供了一种电磁辅助激光打印NiCrAlY-Al₂O₃陶瓷功能梯度材料的方法和装置，通过设置第一励磁线圈可以有效防止激光打印的熔池内，金属溶液因为竖直方向的温度梯度变化导致的马兰戈尼对流，从而破坏梯度材料本身的微观结构，让本发明的方法和装置制备得到的 NiCrAlY-Al₂O₃陶瓷功能梯度材料具有良好的结构性能，克服了多层打印后导致的NiCrAlY-Al₂O₃陶瓷功能梯度材料微观结构破坏导致的结构强度低下的问题；

(2)本发明还设置第二励磁线圈结构，可以产生垂直于活塞表面的磁感线，从而抑制水平方向的马兰戈尼对流，进一步保证了NiCrAlY-Al₂O₃陶瓷功能梯度材料在打印制造时的微观结构的稳定；

(3)本发明还提供了具体的NiCrAlY-Al₂O₃陶瓷功能梯度材料打印方法和打印参数，进一步保证了NiCrAlY-Al₂O₃陶瓷功能梯度材料优异的性能。具体地，由于本发明所提出的NiCrAlY-Al₂O₃陶瓷功能梯度材料既具有复合成型的特点，又具有功能梯度的特点，为了确保成型质量，本发明提出了在成型过程中由下到上依次铺设Al₂O₃含量更多的粉末的分层配比方案，通过逐层粉末配比含量的变化，结合逐层打印过程中励磁线圈电流的调整，进一步提升NiCrAlY-Al₂O₃陶瓷功能梯度材料的抗氧化性、机械性能和耐高温性能。

(4)通过按照第m组NiCrAlY-Al₂O₃混合粉末包括

份NiCrAlY 粉末和

份Al₂O₃粉末的方式进行分组配比，结合由下到上依次铺设 Al₂O₃含量更多的粉末的逐层打印，能够使得堆叠方向上的微观结构形成更为稳定的梯度变化，从而保证结构强度。

(5)在前述特定比例的分组配比的基础上，结合相应的励磁线圈电流设计，具体为所述第一励磁线圈的电流为

安，所述第二励磁线圈的电流为

安。通过上述设计，使得励磁线圈的电流变化与每层混合粉末的配比变化形成特定的对应关系，如实施例1-3所示，经过实际测试，可以显著提升NiCrAlY-Al₂O₃陶瓷功能梯度材料的综合性能。例如，实施例 1-3相比于NiCrAlY板材，虽然弯曲模量略有下降，但是熔点平均提升了34.3％，且抗氧化性能优异；而相比于Al₂O₃陶瓷板材，虽然熔点略有下降，但是弯曲模量平均提升了210.5％。尽管上述特定对应关系对NiCrAlY-Al₂O₃陶瓷功能梯度材料的综合性能的影响机理并不明确，但是实验表明，按照本发明的方法获得的NiCrAlY-Al₂O₃陶瓷功能梯度材料，确实具有优异的综合性能，克服了现有技术的不足。

附图说明

图1为本发明电磁辅助激光打印NiCrAlY-Al2O3陶瓷功能梯度材料的装置的主剖视图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

1-工作缸、2-第一励磁线圈、3-激光头、4-振镜、5-第二励磁线圈。

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。

如图1所示，本发明的电磁辅助激光打印NiCrAlY-Al₂O₃陶瓷功能梯度材料的装置，其包括打印用工作缸1、两个第一励磁线圈2、激光头3和振镜4，工作缸1为上下贯通的缸体，工作缸1内部设置有用于支撑打印粉体的活塞，活塞沿着工作缸1的成型区方向做活塞运动，工作缸1成型区的两侧分别正对设置有两个第一励磁线圈2，两个第一励磁线圈2正对设置，从而在两个第一励磁线圈2之间形成磁感线，两个第一励磁线圈2之间的磁感线主体部分与活塞的表面相互平行，激光头3射出激光，通过振镜4 的转动，从而使激光照射到活塞表面任一位置，达到快速打印的目的，当激光照射铺设在活塞上的粉料时，粉料熔化形成熔池，熔池中心温度高，外围温度低，因此容易形成马兰戈尼对流，而第一励磁线圈2产生的磁感线可以阻挠熔池内的金属液体做垂直于活塞表面方向的对流，有效保证了激光选区打印时，激光照射产生的熔池区域发生两相对流，防止梯度功能材料的结构发生变化。

在具体实施方式中，还包括两个第二励磁线圈5，两个第二励磁线圈5 分别安装在工作缸1的底部和工作缸1成型区上方，两个第二励磁线圈5 之间的磁感线沿竖直方向贯穿工作缸1的成型区，同样的，在熔池内，金属液体在水平方向也有温度梯度的变化，且温度梯度变化范围比竖直方向更大，该方向上产生对流时基本不会影响熔池竖直方向的梯度变化，但是会导致熔池区域的金属表现出现不平整的问题，而对于激光增材制造而言，采用层层铺粉方式进行打印，若下一层的金属不平整，则会导致上一层铺粉的厚度不均匀，在经历多次这样的铺粉和激光打印后，铺粉较薄区域的机械强度相应的会明显低于其他区域，且对应区域的宏观梯度变化也与周围的组织不同。因此设置第二励磁线圈5，可以产生垂直于活塞表面的磁感线，如此，就可以有效阻挠熔池水平方向上的金属对流。

基于上述装置结构，本发明提供一种电磁辅助激光打印NiCrAlY-Al₂O₃陶瓷功能梯度材料的方法，包括如下步骤：

首先配置具有不同配比的NiCrAlY-Al₂O₃混合粉末，备用；

将工作缸1内的活塞上升到工作缸1的成型区处，铺设NiCrAlY粉末，开启第一励磁线圈2，设置激光打印速度、激光功率和第一励磁线圈2的工作电流，可选的，同时设置第二励磁线圈5的工作电流，设置完毕，开启第一励磁线圈2、激光头3进行打印，可选的，在开启第一励线圈2时开启第二励磁线圈5，第一层打印完毕后，驱动活塞下降一层粉料的高度；

将预先配置的第二层的NiCrAlY-Al₂O₃混合粉末铺设在第一层粉料的表面，通过预设程序调整第一励磁线圈2的工作电流，当开启了第二励磁线圈5时，此时同步按照预设程序调整第二励磁线圈5的工作电流，然后再次开启第一励磁线圈2、第二例次线圈5和激光头3进行打印，打印完毕，驱动活塞下降一层粉料的高度；并重复前述步骤，直至打印最后一层，最后一层铺设Al₂O₃粉末。

优选地，在一些具体实施方式中，在进行NiCrAlY-Al₂O₃陶瓷功能梯度材料打印前，会预先设定好每一层打印层的混合粉料配比，预设方法具体的为，预设n组不同配比的NiCrAlY-Al₂O₃混合粉末，n组NiCrAlY-Al₂O₃混合粉末中按照组树，混合粉末中的各组分均逐级等差变化，包括底层的 NiCrAlY粉末和顶层的Al₂O₃粉末，一共打印n+2层，n组中第m组NiCrAlY-Al₂O₃混合粉末包括

份NiCrAlY粉末和

份Al₂O₃粉末，n 和m均为正整数，且m≤n，工作缸内活塞上表面，由下到上依次铺设Al₂O₃含量更多的粉末。

优选地，在一些具体实施方式中，激光打印速度为0.5-2m/s。

优选地，在一些具体实施方式中，激光功率为20-50mW/cm²。

优选地，在一些具体实施方式中，当打印第m组NiCrAlY-Al₂O₃混合粉末时，所述第一励磁线圈2的电流为

优选地，在一些具体实施方式中，当打印第m组NiCrAlY-Al₂O₃混合粉末时，所述第二励磁线圈5的电流为

优选地，在一些具体实施方式中，每层打印粉体铺设的厚度为 0.02-0.05mm。

下面，结合几个更为具体的实施例对本发明的技术方案做进一步的介绍：

【实施例1】

制备一种具有12层结构的NiCrAlY-Al₂O₃陶瓷功能梯度材料的板材，每层粉料铺设厚度为0.05mm，其中第一层铺设NiCrAlY粉末，第二层铺设含有90(wt)％NiCrAlY粉末和10(wt)％Al₂O₃粉末的混合粉末，第三层铺设含有80(wt)％NiCrAlY粉末和20(wt)％Al₂O₃粉末的混合粉末，第三层铺设含有70(wt)％NiCrAlY粉末和30(wt)％Al₂O₃粉末的混合粉末，依次类推，最后一层铺设Al₂O₃粉末，激光打印的速度为0.5m/s，激光功率为25000mW/cm2，打印激光的直径为0.1mm，打印第一层时，第一励磁线圈的电流为6A，第二励磁线圈的电流为8A，打印第二层时，第一励磁线圈的电流为5.8A，第二励磁线圈的电流为7.9A，打印第三层时，第一励磁线圈的电流为5.6A，第二励磁线圈的电流为7.8A，依次类推，打印最后一层时，第一励磁线圈的电流为4A，第二励磁线圈的电流为7A。最后，得到具有12层结构的NiCrAlY-Al₂O₃陶瓷功能梯度材料的板材。

【实施例2】

制备一种具有22层结构的NiCrAlY-Al₂O₃陶瓷功能梯度材料的板材，每层粉料铺设厚度为0.03mm，其中第一层铺设NiCrAlY粉末，第二层铺设含有95(wt)％NiCrAlY粉末和5(wt)％Al₂O₃粉末的混合粉末，第三层铺设含有90(wt)％NiCrAlY粉末和10(wt)％Al₂O₃粉末的混合粉末，第三层铺设含有85(wt)％NiCrAlY粉末和15(wt)％Al₂O₃粉末的混合粉末，依次类推，最后一层铺设Al₂O₃粉末，激光打印的速度为1m/s，激光功率为20000W/cm2，打印激光的直径为0.1mm，打印第一层时，第一励磁线圈的电流为6A，第二励磁线圈的电流为8A，打印第二层时，第一励磁线圈的电流为5.9A，第二励磁线圈的电流为7.95A，打印第三层时，第一励磁线圈的电流为5.8A，第二励磁线圈的电流为7.9A，依次类推，打印最后一层时，第一励磁线圈的电流为4A，第二励磁线圈的电流为7A。最后，得到具有22层结构的NiCrAlY-Al₂O₃陶瓷功能梯度材料的板材。

【实施例3】

制备一种具有42层结构的NiCrAlY-Al₂O₃陶瓷功能梯度材料的板材，每层粉料铺设厚度为0.02mm，其中第一层铺设NiCrAlY粉末，第二层铺设含有97.5(wt)％NiCrAlY粉末和2.5(wt)％Al₂O₃粉末的混合粉末，第三层铺设含有95(wt)％NiCrAlY粉末和5(wt)％Al₂O₃粉末的混合粉末，第三层铺设含有92.5(wt)％NiCrAlY粉末和7.5(wt)％Al₂O₃粉末的混合粉末，依次类推，最后一层铺设Al₂O₃粉末，激光打印的速度为2m/s，激光功率为10000W/cm2，打印激光的直径为0.1mm，打印第一层时，第一励磁线圈的电流为6A，第二励磁线圈的电流为8A，打印第二层时，第一励磁线圈的电流为5.95A，第二励磁线圈的电流为7.975A，打印第三层时，第一励磁线圈的电流为5.9A，第二励磁线圈的电流为7.95A，依次类推，打印最后一层时，第一励磁线圈的电流为4A，第二励磁线圈的电流为7A。最后，得到具有22层结构的NiCrAlY-Al₂O₃陶瓷功能梯度材料的板材。

同时将NiCrAlY板材和Al₂O₃陶瓷板材作为对比例，分别进行机械性能和耐高温性能的检测，检测结果如表1：

表1-机械性能和耐高温性能的对比

将上述实施例1-3以及对比例的两种金属板材分别暴露在1500℃的纯氧环境下，进行氧化试验，恒温氧化时间为300h，氧化结束观察实施例1-3 的氧化铝陶瓷层以及对比例两组金属的表面氧化膜结构，结果如表2：

表2-抗氧化性能的对比

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 (5)

1.一种电磁辅助激光打印NiCrAlY-Al₂O₃陶瓷的打印方法，采用如下电磁辅助激光打印NiCrAlY-Al₂O₃陶瓷的装置实现：

该电磁辅助激光打印NiCrAlY-Al₂O₃陶瓷的装置，包括工作缸(1)、两个第一励磁线圈(2)、激光头(3)和振镜(4)；两个第一励磁线圈(2)分别固定安装在工作缸(1)成型区的相对两侧，两个第一励磁线圈(2)之间形成的磁感线覆盖工作缸的成型区，所述激光头(3)和振镜(4)均安装在工作缸(1)的上方，激光头(3)射出激光经过振镜(4)反射后射向工作缸(1)成型区内；还包括两个第二励磁线圈(5)，两个第二励磁线圈(5)分别安装在工作缸(1)的底部和工作缸(1)成型区上方，两个第二励磁线圈(5)之间的磁感线沿竖直方向贯穿工作缸(1)的成型区；

其特征在于，该电磁辅助激光打印NiCrAlY-Al₂O₃陶瓷的打印方法包括如下步骤：

步骤一、配置NiCrAlY-Al₂O₃混合粉末，备用；

步骤二、在工作缸(1)内的活塞上铺设NiCrAlY粉末，开启第一励磁线圈(2)，设置激光打印速度、激光功率和第一励磁线圈(2)的工作电流，按照设置参数进行当前层的打印，打印完毕，驱动活塞下降；

步骤三、在打印完毕的第一层NiCrAlY粉末上铺设配置好的NiCrAlY-Al₂O₃混合粉末，按照预设参数改变第一励磁线圈(2)的工作电流，按照改变后的参数进行当前层的打印，打印完毕，驱动活塞下降；

步骤四、重复步骤三，直到打印至最后一层，最后一层为Al₂O₃粉末层，按照预设参数进行打印；重复步骤三的过程中，工作缸(1)内活塞上由下到上依次铺设Al₂O₃含量更多的粉末；

步骤一中，NiCrAlY-Al₂O₃混合粉末包括n组不同配比的NiCrAlY-Al₂O₃混合粉末，其中第m组NiCrAlY-Al₂O₃混合粉末包括

份NiCrAlY粉末和

份Al₂O₃粉末，n和m均为正整数，且m≤n，工作缸(1)内活塞上由下到上依次铺设Al₂O₃含量更多的粉末；

当打印第m组NiCrAlY-Al₂O₃混合粉末时，所述第一励磁线圈(2)的电流为

安；

当打印第m组NiCrAlY-Al₂O₃混合粉末时，所述第二励磁线圈(5)的电流为

安。

2.如权利要求1所述的一种电磁辅助激光打印NiCrAlY-Al₂O₃陶瓷的打印方法，其特征在于，所述激光打印速度为0.5-2m/s。

3.如权利要求1所述的一种电磁辅助激光打印NiCrAlY-Al₂O₃陶瓷的打印方法，其特征在于，所述激光功率为10000-25000W/cm²。

4.如权利要求1～3任一项所述的一种电磁辅助激光打印NiCrAlY-Al₂O₃陶瓷的打印方法，其特征在于，步骤二还包括，预先设置第二励磁线圈(5)的工作电流，在开启第一励磁线圈(2)时开启第二励磁线圈(5)。

5.如权利要求4所述的一种电磁辅助激光打印NiCrAlY-Al₂O₃陶瓷的打印方法，其特征在于，步骤三还包括，按照预设参数改变第二励磁线圈(5)的工作电流。

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