CN112570732A - 一种降低激光增材制造镍基高温合金热裂敏感性的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种降低激光增材制造镍基高温合金热裂敏感性的方法。将基材预热至320℃；采用热成像仪对激光增材制造过程中熔池进行监测，获得熔池形貌及温度信息，计算出熔池长轴平均值a与短轴平均值b，并计算出熔池边界的平均冷却速率ξ；1.55≤a/b≤2.35，且4.2×104℃/s≤ξ≤1.5×105℃/s原则对工艺参数进行优化，获得优化工艺窗口：激光功率为1400‑1800W，扫描速度为13～16mm/s，光斑直径为4～5mm，送粉量为20‑25g/min，搭接量50%，高度方向增量Z为0.25~0.35毫米/层；获得高质量的镍基高温合金成形件。本发明能有效提高激光增材制造镍基高温合金的内部质量。

Description

一种降低激光增材制造镍基高温合金热裂敏感性的方法
技术领域
本发明涉及激光金属材料加工领域，尤其涉及一种降低激光增材制造镍基高温合金热裂敏感性的方法。
背景技术
激光增材制造技术是目前最具潜力的先进制造技术之一，它以高能激光束为热源，兼顾精确成形与高性能成形需求，具有柔性高、周期短、成形不受零件结构及材料限制等优点，尤其适用于传统难加工材料、复杂形状零件及梯度功能部件的直接成形。同时，也能实现损伤零件的快速修复。镍基高温合金因具有良好的组织稳定性、高温强度、高温疲劳、抗腐蚀及抗氧化能力等优异综合性能而被广泛地应用于航空航天、能源动力及石油化工等领域。目前，激光增材制造镍基高温合金被广泛用于复杂结构零件的直接成形及快速修复。激光增材制造通常采用高功率激光将基材与粉末材料熔化，再通过逐层叠加的加工方式实现三维实体零件的成形。激光增材制造过程中局域熔池的快速冷却导致熔池的高冷却速率、高温度梯度及非平衡凝固。激光增材制造镍基高温合金最显著的组织特征之一是枝晶间元素偏析及脆性共晶相的形成。然而，脆性共晶相的形成对成形件的最终性能非常不利。应力作用下长链状的脆性共晶相为微孔聚集及裂纹扩展提供有利条件，导致成形件的拉伸性能、断裂韧性及疲劳性能显著下降。更重要的是，增材制造过程中长链状低熔点共晶相的形成会增加成形件的热裂敏感性。因此，有必要控制凝固过程中共晶相的析出行为，降低成形过程的热裂敏感性。
本发明提供一种降低激光增材制造镍基高温合金热裂敏感性的方法，可有效控制凝固过程中共晶相的形成，提高成形件内部质量。
发明内容
本发明的目的是提供一种降低激光增材制造镍基高温合金热裂敏感性的方法。
一种降低激光增材制造镍基高温合金热裂敏感性的方法，包括以下步骤：
步骤一：首先，对基材表面进行打磨、超声清洗及烘干，采用电磁感应加热设备将基材预热至320℃；
步骤二：采用热成像仪对激光增材制造过程中熔池进行监测，获得熔池形貌及温度变化信息，计算出熔池长轴平均值a与短轴平均值b，并计算出熔池边界的平均冷却速率ξ；
步骤三：根据1.55≤a/b≤2.35，且4.2×104℃/s≤ξ≤1.5×105℃/s原则对工艺参数进行优化；
步骤四：获得的优化工艺窗口如下：激光功率为1400-1800W，扫描速度为13～16mm/s，光斑直径为4～5mm，送粉量为20-25g/min，搭接量50%，高度方向增量Z为0.25~0.35毫米/层；
步骤五：最后，按上述工艺参数及方法进行镍基高温合金激光增材制造，获得高质量的镍基高温合金成形件。
在步骤二中，热成像仪发射率设置为1.05，单个数据采集时间为2ms。
在步骤五中，镍基高温合金粉末中需加入质量分数为1.5%的纯锆粉末与0.5%的纯铝粉。
在步骤五中，扫描路径为交叉扫描路径或双向扫描路径。
本发明通过大量实验验证，根据1.55≤a/b≤2.35，且4.2×104℃/s≤ξ≤1.5×105℃/s原则对工艺参数进行优化，获得优化的工艺参数如下：激光功率为1400-1800W，扫描速度为13～16mm/s，光斑直径为4～5mm，送粉量为20-25g/min，搭接量50%，高度方向增量Z为0.25~0.35毫米/层；按优化工艺参数及方法进行激光增材制造，一方面显著提升了熔池的冷却速率，可以有效细化枝晶组织，并促进离散共晶相的产生。此外，在镍基高温合金粉末中加入质量分数为1.5%的纯锆粉末与0.5%的纯铝粉，在增材制造过程中，纯锆粉与纯铝粉通过与熔池中的氧气发生原位反应生成高熔点的氧化锆与氧化铝陶瓷颗粒，这些高熔点的颗粒在熔池凝固过程中为晶粒或枝晶的形核提供异质形核点，进而细化显微结构，并促进大量等轴结构形成，避免热裂纹产生，进而获得无裂纹增材制造零件。
附图说明
图1为现有方法得到的激光增材制造镍基高温合金试样金相图；
图2为本发明得到的激光增材制造镍基高温合金试样金相图。
具体实施方式
实施例1
以Inconel 718合金为例。
一种降低激光增材制造镍基高温合金热裂敏感性的方法，包括以下步骤：
步骤一：首先，对基材表面进行打磨、超声清洗及烘干，采用电磁感应加热设备将基材预热至320℃。
步骤二：采用热成像仪对激光增材制造过程中熔池进行监测，获得熔池形貌及温度变化信息，计算出熔池长轴平均值a与短轴平均值b，并计算出熔池边界的平均冷却速率ξ。
步骤三：根据1.55≤a/b≤2.35，且4.2×104℃/s≤ξ≤1.5×105℃/s原则对工艺参数进行优化。
步骤四：获得的优化工艺窗口如下：激光功率为1500W，扫描速度为14mm/s，光斑直径为4.5mm，送粉量为23g/min，搭接量50%，高度方向增量Z为0.3毫米/层。
步骤五：最后，按上述工艺参数及方法对镍基高温合金混合粉末(质量分数为98%的Inconel 718合金粉末+ 1.5%纯锆粉与0.5%纯铝粉)进行激光增材制造，获得高质量的镍基高温合金成形件。
图1为采用已有方法所获得的增材制造试样扫描电镜图。成形试样内部结构主要以细小柱状枝晶为主，枝晶间存在明显的元素偏析及共晶相，在晶界处存在明显的热裂纹，该裂纹的产生与增材制造镍基高温合金中产生的低熔点共晶及成形试样高的应力状态有关。上述结果表明，在本专利方法外，很难消除热裂纹。
图2为采用本发明实施例1所获得的增材制造试样扫描电镜图。从图中可以看出，成形试样内部结构主要以细小等轴枝晶为主，等轴枝晶间区域存在细小离散的共晶相，这主要由于本专利方法可获得高的熔池冷却速率及熔池波动，促进熔池过冷与形核率，此外，纯锆粉与纯铝粉通过与熔池中的氧气发生原位反应生成高熔点的氧化锆与氧化铝陶瓷颗粒为枝晶的形核提供异质形核点，进而细化显微结构，抑制热裂纹的产生，进而提升力学性能。上述结果表明，采用本专利方法可以有效地细化显微结构、降低镍基高温合金成形件的热烈敏感性。
实施例2
以单晶合金RR3010为例
一种降低激光增材制造镍基高温合金热裂敏感性的方法，包括以下步骤：
步骤一：首先，对基材表面进行打磨、超声清洗及烘干，采用电磁感应加热设备将基材预热至320℃。
步骤二：采用热成像仪对激光增材制造过程中熔池进行监测，获得熔池形貌及温度变化信息，计算出熔池长轴平均值a与短轴平均值b，并计算出熔池边界的平均冷却速率ξ。
步骤三：根据1.55≤a/b≤2.35，且4.2×104℃/s≤ξ≤1.5×105℃/s原则对工艺参数进行优化。
步骤四：获得的优化工艺窗口如下：激光功率为1750W，扫描速度为13.5mm/s，光斑直径为4.2mm，送粉量为22g/min，搭接量50%，高度方向增量Z为0.3毫米/层。
步骤五：最后，按上述工艺参数及方法对镍基高温合金混合粉末(质量分数为98%的RR3010粉末+ 1.5%纯锆粉与0.5%纯铝粉)进行激光增材制造，获得高质量的镍基高温合金成形件。

Claims (4)

1.一种降低激光增材制造镍基高温合金热裂敏感性的方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤一：首先，对基材表面进行打磨、超声清洗及烘干，采用电磁感应加热设备将基材预热至320℃；
步骤二：采用热成像仪对激光增材制造过程中熔池进行监测，获得熔池形貌及温度变化信息，计算出熔池长轴平均值a与短轴平均值b，并计算出熔池边界的平均冷却速率ξ；
步骤三：根据1.55≤a/b≤2.35，且4.2×104℃/s≤ξ≤1.5×105℃/s原则对工艺参数进行优化；
步骤四：获得的优化工艺窗口如下：激光功率为1400-1800W，扫描速度为13～16mm/s，光斑直径为4～5mm，送粉量为20-25g/min，搭接量50%，高度方向增量Z为0.25~0.35毫米/层；
步骤五：最后，按上述工艺参数及方法进行镍基高温合金激光增材制造，获得高质量的镍基高温合金成形件。
2.根据权利要求1所述的一种降低激光增材制造镍基高温合金热裂敏感性的方法，其特征在于：在步骤二中，热成像仪发射率设置为1.05，单个数据采集时间为2ms。
3.根据权利要求1所述的一种降低激光增材制造镍基高温合金热裂敏感性的方法，其特征在于：在步骤五中，镍基高温合金粉末中需加入质量分数为1.5%的纯锆粉末与0.5%的纯铝粉。
4.根据权利要求1所述的一种降低激光增材制造镍基高温合金热裂敏感性的方法，其特征在于：在步骤五中，扫描路径为交叉扫描路径或双向扫描路径。
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