CN112658281B - 一种提高激光增材制造高熵合金内部质量的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种提高激光增材制造高熵合金内部质量的方法。首先将基材预热至350℃；对熔池进行监测，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；根据1.30≤a/b≤1.80，且2.8×103℃/s≤ξ≤1.9×104℃/s原则对工艺参数进行优化，获得的优化工艺窗口：激光功率为1250‑1650W，扫描速度为12～14mm/s，光斑直径为4.5～5mm，送粉量为22‑24g/min，搭接量45%，高度方向增量Z为0.35~0.4毫米/层。本发明能有效避免冶金缺陷，并细化凝固结构，显著提升激光增材制造高熵合金的质量。
Description
技术领域
本发明涉及激光金属材料加工领域，尤其涉及一种提高激光增材制造高熵合金内部质量的方法。
背景技术
随着航空航天与核技术的进步，针对高性能金属材料的需求越来越迫切。高熵合金(High-entropy alloys)简称HEAs，通常是由五种或以上元素以等摩尔比或近等摩尔比组成的合金。HEAs不仅具有优异的高温机械性能，在低温下同样具有优异的强度、延展性和断裂韧性，且无脆性转变，被视为高温涡轮叶片、高温模具、切削工具上的硬涂层甚至第四代核反应堆部件的替代材料。送粉式激光增材制造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。近年来，增材制造高熵合金已发展成为研究热点。然而，由于激光增材制造过程涉及复杂的传热传质及动态非平衡凝固过程，目前高熵合金激光增材制造成形件内部质量难以保障，如易产生气孔、裂纹等冶金缺陷，导致成形件力学性能急剧下降。本发明提供一种提高激光增材制造高熵合金内部质量的方法，可有效避免成形过程中气孔、裂纹等缺陷的产生，提高增材制造高熵合金的内部质量。
发明内容
本发明的目的是提供一种提高激光增材制造高熵合金内部质量的方法。
一种提高激光增材制造高熵合金内部质量的方法，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350℃。
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1.30≤a/b≤1.80，且2.8×103℃/s≤ξ≤1.9×104℃/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1250-1650W，扫描速度为12～14mm/s，光斑直径为4.5～5mm，送粉量为22-24g/min，搭接量45%，高度方向增量Z为0.35~0.4毫米/层。
步骤五：最后，按上述工艺参数及方法进行高熵合金激光增材制造，获得高质量的高熵合金成形件。
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，高熵合金粉末中加入质量分数为0.5%的纯Cr粉末与0.5%的纯Al粉，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1.30≤a/b≤1.80，且2.8×103℃/s≤ξ≤1.9×104℃/s原则对工艺参数进行选取，获得优化的工艺参数如下：激光功率为1250-1650W，扫描速度为12～14mm/s，光斑直径为4.5～5mm，送粉量为22-24g/min，搭接量45%，高度方向增量Z为0.35~0.4毫米/层；按优化工艺参数及方法进行激光增材制造，一方面，提供了足够的激光能量输入，保证了激光-材料反应时间；另一方面提升了熔池的冷却速率，可以有效细化凝固显微结构。 此外，在高熵合金粉末中加入质量分数为0.5%的纯Cr粉末与0.5%的纯Al粉，在增材制造过程中，纯Cr粉末与纯Al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，并避免热裂纹产生。
附图说明
图1为现有方法得到的激光增材制造高熵合金试样金相图；
图2为本发明得到的激光增材制造高熵合金试样金相图。
具体实施方式
实施例1
以AlCoCrFeNi高熵合金为例。
一种提高激光增材制造高熵合金内部质量的方法，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350℃；
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1.30≤a/b≤1.80，且2.8×103℃/s≤ξ≤1.9×104℃/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1450W，扫描速度为13mm/s，光斑直径为4.7mm，送粉量为22.8g/min，搭接量45%，高度方向增量Z为0.35毫米/层；
步骤五：最后，按上述工艺参数及方法对高熵合金混合粉末(质量分数为99%的AlCoCrFeNi合金粉末+ 0.5%纯Cr粉与0.5%纯Al粉)进行激光增材制造，获得高致密、显微结构细密的高质量高熵合金成形件。
图1为现有方法得到的激光增材制造高熵合金试样金相图。成形试样中存在大量的气孔及空洞，这一方面与材料热物性质有关，另一方面主要是由于缺乏足够的激光能量输入与激光-材料反应时间造成。上述结果表明，在本专利方法外，很难消除激光增材制造高熵合金中的冶金缺陷。
图2为采用本发明实施例1所获得的激光增材制造高熵合金试样金相图。从图中可以看出，成形件内部结构致密，无明显气孔、裂纹及未熔合等冶金缺陷。采用本专利提出方法可以保证足够的激光能量输入及冷却速率，进而抑制气孔等冶金缺陷的产生，并细化显微结构，提高成形件内部质量。
实施例2
以FeCoCrNiMn高熵合金为例。
一种提高激光增材制造高熵合金内部质量的方法，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350℃；
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1.30≤a/b≤1.80，且2.8×103℃/s≤ξ≤1.9×104℃/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1550W，扫描速度为13.5mm/s，光斑直径为4.5mm，送粉量为22.5g/min，搭接量45%，高度方向增量Z为0.35毫米/层；
步骤五：最后，按上述工艺参数及方法对高熵合金混合粉末(质量分数为99%的FeCoCrNiMn高熵合金粉末+ 0.5%纯Cr粉与0.5%纯Al粉)进行激光增材制造，获得高致密、显微结构细密的高质量FeCoCrNiMn高熵合金成形件。
Claims (3)
1.一种提高激光增材制造高熵合金内部质量的方法，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350℃；
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1.30≤a/b≤1.80，且2.8×103℃/s≤ξ≤1.9×104℃/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1250-1650W，扫描速度为12～14mm/s，光斑直径为4.5～5mm，送粉量为22-24g/min，搭接量45%，高度方向增量Z为0.35~0.4毫米/层；
步骤五：在高熵合金粉末中加入质量分数为0.5%的纯Cr粉末与0.5%的纯Al粉，按上述优化工艺参数及方法进行高熵合金激光增材制造，获得高质量的高熵合金成形件。
2.根据权利要求1所述的一种提高激光增材制造高熵合金内部质量的方法，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所述的一种提高激光增材制造高熵合金内部质量的方法，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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