CN112893872A - 一种镍基高温合金激光选区熔化成形的方法 - Google Patents

一种镍基高温合金激光选区熔化成形的方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种镍基高温合金激光选区熔化成形的方法，所述方法包括：将镍基高温合金粉末铺到平台基板上，在保护性气氛下对每层粉末依次进行实体激光扫描和轮廓激光扫描，得到镍基高温合金零件半成品；将得到的镍基高温合金零件半成品进行两级真空热处理，得到镍基高温合金零件。本发明所述方法根据镍基高温合金材料的特性，采用激光选区熔化成形工艺，并通过两级真空热处理，提高了其综合机械性能，具有较好的工业应用前景。

Description

一种镍基高温合金激光选区熔化成形的方法
技术领域
本发明属于增材制造技术领域，具体涉及一种镍基高温合金激光选区熔化成形的方法。
背景技术
K438是镍基高温合金之一，具有中等水平的高温强度和良好的组织稳定性，广泛用于燃气轮机的涡轮叶片和导向叶片以及航空发动机的涡轮零件。传统K438高温合金的制造方法为铸造出坯件最后进行减材加工成工件，该方法不仅大大浪费了原材料，而且对于一些复杂零件的加工制造，加工工序复杂且耗时较长，甚至一些更为复杂的结构件难以通过传统的制造方法完成；而且，铸造母合金过程中往往不可避免地存在一些疏松的缩松和缩孔，后期往往需要热等静压处理来克服这些缺陷，工艺流程复杂。
激光选区熔化增材制造技术是近年来兴起并迅速发展的快速精密制造技术，可制造传统方法难以成形加工制造的工件，具有复杂结构部件成形精度高、生产效率高以及一体成形等优点，已经在航空航天、军工、医疗等领域得到了广泛的应用。然而区别于传统的减材制造，激光选区熔化增材制造技术作为一种新型的制造加工技术，需要针对材料本身进行工艺和材料匹配性的工艺研发，不同材料激光成形的工艺差别较大。目前增材制造技术在钛合金、铝合金、不锈钢、高温合金等材料领域实现了较大程度的应用，但是相对传统制造工艺而言，应用增材制造技术的材料种类仍然较少，特别是在高温合金领域。
CN107338370A公开了一种K465镍基高温合金结构件的激光增材制造工艺，属于高温合金激光增材制造技术领域。该工艺成形的工艺参数为：激光功率1300～1600W，扫描速度3～6mm/s，送粉速率1～2g/min，扫描方式为直线扫描或交错扫描，搭接率40～50％。成形过程中，采用叠层结构来控制裂纹形成和扩展，所述叠层结构是指一层K465高温合金与两层Stellite 6高温合金交替排布形成结构件。该工艺所用激光工艺参数，不适用于K438高温合金，且该工艺采用Stellite6高温合金进行叠层排布，工序较为复杂。
CN108274001A公开了一种TC4钛合金激光增材制造工艺，该工艺对每层TC4钛合金粉末均采用激光将其融化，凝固，之后立即进行低温惰性气体处理，制备周期长，且其采用的激光工艺参数不适用于K438高温合金。
综上所述，如何提供一种K438镍基高温合金激光选区熔化成形的方法，提高其高温机械性能，成为当前亟待解决的问题。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种镍基高温合金激光选区熔化成形的方法，所述方法根据镍基高温合金的特性，采用特定的激光选区熔化成形工艺参数和热处理方法，降低了复杂结构件和组件的生产制造周期，提高了其综合机械性能，具有较好的工业应用前景。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
一方面，本发明提供了一种镍基高温合金激光选区熔化成形的方法，所述方法包括以下步骤：
(1)将镍基高温合金粉末铺到平台基板上，在保护性气氛下对每层粉末依次进行实体激光扫描和轮廓激光扫描，得到镍基高温合金零件半成品；
(2)将步骤(1)得到的镍基高温合金零件半成品进行两级真空热处理，得到镍基高温合金零件。
本发明中，所述方法根据镍基高温合金材料的特性，采用激光选区熔化成形工艺，并通过两级真空热处理，减少了镍基高温合金材料的浪费，降低了复杂结构件和组件的生产制造周期，提高了其综合机械性能，可应用于多种领域，具有较好的工业应用前景。
本发明中，所述方法对每层粉末先进行实体激光扫描，后进行轮廓激光扫描。实体激光扫描是指对内部进行扫描。每层扫描完内部后，沿着轮廓线扫描一次，以保证零件的表面粗糙度。
本发明中，所述方法采用两级真空热处理，可实现激光选区成形后的组织均匀性，同时具有较好的强度，第一级真空热处理温度较高，保证组织均匀化，第二级时效处理是为了保证组织内时效析出物，提高材料的高温和室温强度。
以下作为本发明优选的技术方案，但不作为本发明提供的技术方案的限制，通过以下技术方案，可以更好地达到和实现本发明的技术目的和有益效果。
作为本发明优选的技术方案，步骤(1)所述镍基高温合金包括K438镍基高温合金。
优选地，所述K438镍基高温合金的组成包括Ni、Cr、Co、W、Mo、Al、Ti、C、Nb、Ta、B和Zr。
优选地，所述K438镍基高温合金的组成还包括Fe、Mn、Si中的任意一种或至少两种的组合，所述组合典型但非限制性实例有：例如Fe和Mn的组合，Mn和Si的组合，Fe、Mn和Si的组合等。
优选地，所述K438镍基高温合金中各组分的含量包括Cr 15.7～16.3wt％，例如15.7wt％、15.9wt％、16.1wt％或16.3wt％等；Co 8.0～9.0wt％，例如8.0wt％、8.2wt％、8.4wt％、8.6wt％、8.8wt％或9.0wt％等；W 2.4～2.8wt％，例如2.4wt％、2.5wt％、2.6wt％、2.7wt％或2.8wt％等；Mo 1.5～2.0wt％，例如1.5wt％、1.6wt％、1.7wt％、1.8wt％、1.9wt％或2.0wt％等；Al 3.2～3.7wt％，例如3.2wt％、3.3wt％、3.4wt％、3.5wt％、3.6wt％或3.7wt％等；Ti 3.0～3.5wt％，例如3.0wt％、3.1wt％、3.2wt％、3.3wt％、3.4wt％或3.5wt％等；C 0.1～0.2wt％，例如0.1wt％、0.15wt％或0.2wt％等；Nb0.6～1.1wt％，例如0.6wt％、0.7wt％、0.8wt％、0.9wt％、1.0wt％或1.1wt％等；Ta 1.5～2.0wt％，例如1.5wt％、1.6wt％、1.7wt％、1.8wt％、1.9wt％或2.0wt％等；B 0.005～0.015wt％，例如0.005wt％、0.01wt％或0.015wt％等；Zr 0.05～0.15wt％，例如0.05wt％、0.1wt％或0.15wt％等；Fe 0～0.5wt％，例如0wt％、0.1wt％、0.2wt％、0.3wt％、0.4wt％或0.5wt％等；Mn 0～0.2wt％，例如0wt％、0.1wt％、0.15wt％或0.2wt％等；Si 0～0.3wt％，例如0wt％、0.1wt％、0.2wt％或0.3wt％等，其余为Ni，上述含量的选择并不仅限于所列举的数值，在各自的数值范围内其他未列举的数值同样适用。
本发明中，所述K438镍基高温合金还包括P 0～0.015wt％，例如0wt％、0.005wt％、0.01wt％或0.015wt％等；S 0～0.015wt％，例如0wt％、0.005wt％、0.01wt％或0.015wt％等；Pb 0～0.001wt％，例如0wt％或0.001wt％等；Sb 0～0.001wt％，例如0wt％或0.001wt％等；Sn 0～0.002wt％，例如0wt％、0.001wt％或0.002wt％等；Bi 0～0.001wt％，例如0wt％或0.001wt％等；As 0～0.005wt％，例如0wt％、0.001wt％、0.002wt％、0.003wt％、0.004wt％或0.005wt％等，上述含量的选择并不仅限于所列举的数值，在各自的数值范围内其他未列举的数值同样适用。
本发明中，所述镍基高温合金的组分及各组分的含量需进行限定，否则会对后续激光选区熔化成形工艺造成影响。例如：C含量过低，强度较差，C含量过高，打印过程中有较多的裂纹缺陷，化学成分变化将难以匹配现有的工艺参数，将会形成较多的裂纹、孔洞以及带来力学性能的变动。
作为本发明优选的技术方案，步骤(1)所述镍基高温合金粉末的粒径为15～45μm，例如15μm、27μm、29μm、30μm、32μm、34μm或45μm等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
本发明中，所述镍基高温合金粉末中粒径不大于20μm的粉末颗粒数量占10％以下；粒径不大于25μm的粉末颗粒数量占50％以下；粒径不小于35μm的粉末颗粒数量占50％以下；粒径小于45μm的粉末颗粒数量占90％以上。
本发明中，镍基高温合金粉末的平均粒径为25～35μm，例如25μm、27μm、29μm、30μm、32μm、34μm或35μm等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，步骤(1)所述镍基高温合金粉末的霍尔流速不大于25s，例如5s、10s、25s、20s或25s等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，步骤(1)所述镍基高温合金粉末的松装密度不小于4.2g/cm3，例如4.2g/cm3、4.3g/cm3、4.4g/cm3或4.5g/cm3但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，步骤(1)所述镍基高温合金粉末的球形率大于85％，例如86％、87％、88％、89％或90％等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，步骤(1)铺粉的厚度为30～35μm，例如30μm、31μm、32μm、33μm、34μm或35μm等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
本发明中，进行激光选区熔化成形操作过程中，每层的铺粉厚度需进行严格限定。若铺粉的厚度过薄，会导致所选激光参数下，激光能量过高，引起局部翘曲，飞溅严重，降低成型后的致密度；若铺粉的厚度过厚，则会导致激光烧结不透，在内部形成较多的孔洞，严重降低成形内部的致密度，最终严重降低材料的性能。
作为本发明优选的技术方案，步骤(1)所述平台基板铺设镍基高温合金粉末前，先进行预热。
优选地，所述预热的温度为100～200℃，例如100℃、110℃、120℃、130℃、140℃、150℃、160℃、170℃、180℃、190℃或200℃等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
本发明中，对平台基板进行预热可有效减缓累积产生的热应力。
作为本发明优选的技术方案，步骤(1)所述保护性气氛包括惰性气体和/或氮气。
优选地，步骤(1)所述保护性气氛中的氧气含量不大于0.1wt％，例如0wt％、0.05wt％或0.1wt％等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
作为本发明优选的技术方案，步骤(1)所述实体激光扫描的激光光斑直径为95～110μm，例如95μm、97μm、99μm、100μm、102μm、104μm、106μm、108μm或110μm等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
本发明中，实体激光扫描的激光光斑直径需进行严格控制。若激光光斑直径过大，会导致熔池变宽，在现有的激光搭接的参数下，会导致重熔区域过大且能量过高，重熔区域过烧飞溅严重，引起局部翘曲并严重降低材料的重熔区域的致密度；若激光光斑直径过小，则会导致熔池较窄，在现有的激光搭接的参数下，相邻扫描线间的区域能量较低，将会在扫描线间形成较多的未熔合缺陷，严重降低材料最终的性能。
优选地，步骤(1)所述实体激光扫描的激光功率为190～220W，例如190W、195W、200W、205W、210W、215W或220W等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
本发明中，实体激光扫描的激光功率需进行严格控制。若激光功率过大，会导致能量过高，飞溅严重且容易引起翘曲，成形实体时将会导致碰刀和不稳定缺陷；若激光功率过小，则激光能量输入较低，成形内部致密度降低，将会降低材料最终的力学性能。
优选地，步骤(1)所述实体激光扫描的激光扫描速度为850～950mm/s，850mm/s、860mm/s、870mm/s、880mm/s、890mm/s、900mm/s、910mm/s、920mm/s、930mm/s、940mm/s或950mm/s等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
本发明中，实体激光扫描的激光扫描速度需进行严格控制。若激光扫描速度过大，会导致激光输入的能量密度减小，粉末见间隙的气体在金属熔化后来不及逸出，严重的会形成气孔降低成形内部致密度，影响材料的性能；若激光扫描速度过小，激光作用时间延长，则激光输入的能量过大，飞溅严重将会导致过烧，容易导致不稳定缺陷，严重的将会降低材料内部的致密度，影响最终的力学性能。
优选地，步骤(1)所述实体激光扫描的相邻激光扫描线间距为0.09～0.12mm，例如0.09mm、0.10mm、0.10mm或0.12mm等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
本发明中，实体激光扫描的相邻激光扫描线间距需进行严格控制。若相邻激光扫描线间距过大，会导致相邻激光扫描线搭接不够，严重降低材料成形内部的致密度，影响最终的力学性能；若相邻激光扫描线间距过小，相邻激光扫描线重熔区域增加，因为能量过大引起的表面褶皱和飞溅现象比较严重，容易引起成形过程中的撞刀，产生较多的不稳定缺陷，影响最终的力学性能。
优选地，步骤(1)所述实体激光扫描的相邻激光扫描线方向相反。
本发明中，相邻激光扫描线方向相反可减小材料内部的应力，避免应力过大引起零件的翘曲，扫描线方向相同每条扫描线产生的应力方向一致，将会累计产生较大的应力，相邻扫描线相反可有效减弱这种内部热应力。
作为本发明优选的技术方案，步骤(1)所述轮廓激光扫描的激光光斑直径为95～110μm，例如95μm、97μm、99μm、100μm、102μm、104μm、106μm、108μm或110μm等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，步骤(1)所述轮廓激光扫描的激光功率为80～120W，例如80W、85W、90W、95W、100W、105W、110W、115W或120W等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，步骤(1)所述轮廓激光扫描的激光扫描速度为1000～1200mm/s，例如1000mm/s、1050mm/s、1100mm/s、1150mm/s或1200mm/s等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，步骤(1)所述轮廓激光扫描的轮廓线轨迹和零件理论轮廓间距为0～0.02mm，例如0mm、0.01mm或0.02mm等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
本发明中，实体激光扫描的激光功率和激光扫描速度与轮廓激光扫描的不同，轮廓激光扫描是为了保证轮廓表面质量光滑无孔隙，轮廓扫描是一条激光扫描，所需要的热影响区小，不需要实体扫描需要相邻扫描线的叠铺作用，轮廓扫描所需要的能量更低一些，过高则热影响区较大，能量高容易导致轮廓粘粉对于一些细微的尖角结构容易失真，过低则会在实体扫描线结尾和轮廓扫描线之间形成孔洞缺陷，并且轮廓会因为能量降低存在波动导致轮廓波动较大，表面较粗糙。
作为本发明优选的技术方案，步骤(1)所述激光选区熔化成形的扫描方式包括条带扫描和旋转扫描。
优选地，所述条带扫描的条带宽度为7～10mm，例如7mm、8mm、9mm或10mm等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，所述条带扫描的条带间无间隙。
优选地，所述旋转扫描在扫描过程中，相邻两层之间的条带沿同一方向旋转31～73°，且旋转角度不被360°整除，例如31°、47°、54°、68°、70°或73°等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
本发明中，相邻两层之间的条带同一方向旋转一定的角度以保证每层的激光扫描线不会重复，尽可能保证横截面组织的在沿着铺粉方向和垂直铺粉方向的一致性。
作为本发明优选的技术方案，步骤(2)所述两级真空热处理均在真空热处理炉中进行。
优选地，所述两级真空热处理包括一级真空热处理和二级真空热处理。
优选地，所述一级真空热处理和所述二级真空热处理的绝对压力均在0.1Pa以下，例如0Pa、10-4Pa、10-3Pa、、10-2Pa或0.1Pa等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，步骤(2)所述一级真空热处理的温度为1130～1180℃，例如1130℃、1140℃、1150℃、1160℃、1170℃或1180℃等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，步骤(2)所述一级真空热处理的时间为3～6h，例如3h、4h、5h或6h等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，步骤(2)所述二级真空热处理的温度为800～900℃，例如800℃、820℃、840℃、860℃、880℃或900℃等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，步骤(2)所述二级真空热处理的时间为20～30h，例如20h、22h、24h、26h、28h或30h等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，步骤(2)所述一级真空热处理和所述真空低温热处理的取出温度均不大于200℃，例如150℃、160℃、170℃、180℃、190℃或200℃等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
作为本发明优选的技术方案，所述方法包括以下步骤：
(1)将粒径为15～45μm，霍尔流速不大于25s，松装密度不小于4.2g/cm3，球形率大于85％的K438镍基高温合金粉末铺到100～200℃的平台基板上，每层铺粉厚度为30～35μm，在氧气含量不大于0.1wt％的保护性气氛下对每层粉末依次进行实体激光扫描和轮廓激光扫描，扫描方式包括条带扫描和旋转扫描，条带扫描的条带宽度为7～10mm且各条带间无间隙，扫描过程中，相邻两层之间的条带沿同一方向旋转31～73°，且旋转角度不被360°整除；
所述实体激光扫描的工艺参数包括：激光光斑直径95～110μm，激光功率190～220W，激光扫描速度850～950mm/s，相邻激光扫描线方向相反且间距为0.09～0.12mm；
所述轮廓激光扫描的工艺参数包括：激光光斑直径95～110μm，激光功率80～120W，激光扫描速度1000～1200mm/s，扫描的轮廓线轨迹和零件理论轮廓间距为0～0.02mm；扫描完成后，得到K438镍基高温合金零件半成品；
(2)将步骤(1)得到的K438镍基高温合金零件半成品先在1130～1180℃，绝对压力为0.1Pa以下的条件下真空热处理3～6h，待温度降至200℃以下后取出；再在800～900℃，绝对压力为0.1Pa以下的条件下真空热处理20～30h，待温度降至200℃以下后取出，得到K438镍基高温合金零件。
另一方面，本发明提供了上述方法所用的装置，所述装置包括供粉舱，刮刀系统，激光系统、激光振镜系统、成形舱以及粉末回收舱；
所述供粉舱、成形舱与粉末回收舱依次连接；所述刮刀系统可从供粉舱平行移动至粉末回收舱；所述激光系统和激光振镜系统悬空设置于所述供粉舱和成形舱的上方；
所述供粉舱、成形舱与粉末回收舱内均设置有可升降平台。
本发明中，所述装置的工作原理为：刮刀系统将供粉舱内的镍基高温合金粉末带到成形舱内，均匀平铺在成形舱内可升降的平台基板上，多余的粉末刮到粉末回收舱内，激光系统发射激光，在激光振镜系统的作用下调节扫描轨迹，激光选择性的快速熔化凝固成形舱内的镍基高温合金粉末，成形舱下降一个成形层厚，供粉舱上升，刮刀系统再次将镍基高温合金粉末均匀平铺在成形舱内，激光再次选择性熔化成形舱内的粉末，最终逐层熔化凝固形成最终的镍基高温合金零件。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明中，所述方法根据镍基高温合金材料的特性，采用激光选区熔化成形工艺，对每层粉末依次进行实体激光扫描和轮廓激光扫描并且通过两级真空热处理，减少了镍基高温合金材料的浪费，降低了复杂结构件和组件的生产制造周期，提高了其综合机械性能，可应用于多种领域，具有较好的工业应用前景。
附图说明
图1是本发明实施例1提供的镍基高温合金激光选区熔化成形的装置示意图；
其中，1-供粉舱，2-刮刀系统，3-镍基高温合金粉末，4-激光系统，5-激光振镜系统，6-工件，7-粉末回收舱，8-成形舱，9-可升降平台。
图2是本发明实施例1提供的镍基高温合金激光选区熔化成形的激光扫描方式示意图；
其中，10-相邻激光扫描线间距，11-激光扫描线，12-条带宽度，13-轮廓激光扫描线，14-相邻两层之间的条带顺时针旋转的角度。
具体实施方式
为更好地说明本发明，便于理解本发明的技术方案，下面对本发明进一步详细说明。但下述的实施例仅是本发明的简易例子，并不代表或限制本发明的权利保护范围，本发明保护范围以权利要求书为准。
本发明具体实施方式部分提供了一种镍基高温合金激光选区熔化成形造的方法，所述方法包括以下步骤：
(1)将镍基高温合金粉末铺到平台基板上，在保护性气氛下对每层粉末依次进行实体激光扫描和轮廓激光扫描，得到镍基高温合金零件半成品；
(2)将步骤(1)得到的镍基高温合金零件半成品进行两级真空热处理，得到镍基高温合金零件。
以下为本发明典型但非限制性实施例：
实施例1：
本实施例提供了一种镍基高温合金激光选区熔化成形的方法及装置，所述装置的结构示意图如图1所示。
所述装置包括供粉舱1，刮刀系统2，激光系统4、激光振镜系统5、成形舱8以及粉末回收舱7；
所述供粉舱1、成形舱8与粉末回收舱7依次连接；所述刮刀系统2可从供粉舱1平行移动至粉末回收舱7；所述激光系统4和激光振镜系统5悬空设置于所述供粉舱1和成形舱8的上方；
所述供粉舱1、成形舱8与粉末回收舱7内均设置有可升降平台9。
采用上述装置进行镍基高温合金激光选区熔化成形的方法包括以下步骤：
(1)将平均粒径为25μm，霍尔流速为25s，松装密度为4.2g/cm3，球形率为86％的K438镍基高温合金粉末铺到100℃的平台基板上，每层铺粉厚度为30μm，在氧气含量为0.1wt％的保护性气氛下对每层粉末依次进行实体激光扫描和轮廓激光扫描，扫描方式包括条带扫描和旋转扫描，条带扫描的条带宽度12为7mm且各条带间无间隙，扫描过程中，相邻两层之间的条带顺时针旋转68°；
所述实体激光扫描的工艺参数包括：激光光斑直径95μm，激光功率190W，激光扫描速度850mm/s，相邻激光扫描线方向相反且间距为0.09mm；
所述轮廓激光扫描的工艺参数包括：激光光斑直径95μm，激光功率80W，激光扫描速度1000mm/s，扫描的轮廓线轨迹和零件理论轮廓无间距；扫描完成后，得到K438镍基高温合金零件半成品；
(2)将步骤(1)得到的K438镍基高温合金零件半成品先在1130℃，绝对压力为0.1Pa的条件下真空热处理3h，待温度降至200℃后取出；再在800℃，绝对压力为0.1Pa的条件下真空热处理20h，待温度降至200℃后取出，得到K438镍基高温合金零件。
本实施例进行激光选区熔化成形过程中激光扫描方式示意图如图2所示，激光成形过程中根据层厚和零件总高度将零件切片成一层一层的，根据条带宽度12将零件每一层截面划分条带，其中，10-相邻激光扫描线间距，11-激光扫描线，12-条带宽度，13-轮廓激光扫描线，14-相邻两层之间的条带顺时针旋转的角度。条带内激光按照激光扫描线11往复烧结粉末，条带内往复烧结的相邻激光扫描线间距10，逐次填充相邻的条带，实体填充完毕后，激光按照轮廓激光扫描线13扫描轮廓，当一层扫描完成后，机械运动进行铺粉，下一层获得新的扫描层截面，根据前一层的条带划分方向，按照顺时针方向旋转一定的角度划分下一层的条带方向。
实施例2：
本实施例提供了一种镍基高温合金激光选区熔化成形的方法，所述方法采用的装置参照实施例1中的装置。
所述方法包括以下步骤：
(1)将平均粒径为28μm，霍尔流速为20s，松装密度为4.4g/cm3，球形率为88％的K438镍基高温合金粉末铺到200℃的平台基板上，每层铺粉厚度为35μm，在氧气含量为0.05wt％的保护性气氛下对每层粉末依次进行实体激光扫描和轮廓激光扫描，扫描方式包括条带扫描和旋转扫描，条带扫描的条带宽度12为10mm且各条带间无间隙，扫描过程中，相邻两层之间的条带顺时针旋转31°；
所述实体激光扫描的工艺参数包括：激光光斑直径110μm，激光功率220W，激光扫描速度950mm/s，相邻激光扫描线方向相反且间距为0.12mm；
所述轮廓激光扫描的工艺参数包括：激光光斑直径110μm，激光功率120W，激光扫描速度1200mm/s，扫描的轮廓线轨迹和零件理论轮廓间距为0.02mm；扫描完成后，得到K438镍基高温合金零件半成品；
(2)将步骤(1)得到的K438镍基高温合金零件半成品先在1180℃，绝对压力为10- 2Pa的条件下真空热处理6h，待温度降至180℃后取出；再在900℃，绝对压力为10-2Pa的条件下真空热处理30h，待温度降至190℃后取出，得到K438镍基高温合金零件。
实施例3：
本实施例提供了一种镍基高温合金激光选区熔化成形的方法，所述方法采用的装置参照实施例1中的装置。
所述方法包括以下步骤：
(1)将平均粒径为30μm，霍尔流速为15s，松装密度为4.5g/cm3，球形率为87％的K438镍基高温合金粉末铺到150℃的平台基板上，每层铺粉厚度为32μm，在氧气含量为0.07wt％的保护性气氛下对每层粉末依次进行实体激光扫描和轮廓激光扫描，扫描方式包括条带扫描和旋转扫描，条带扫描的条带宽度12为9mm且各条带间无间隙，扫描过程中，相邻两层之间的条带顺时针旋转57°；
所述实体激光扫描的工艺参数包括：激光光斑直径100μm，激光功率215W，激光扫描速度900mm/s，相邻激光扫描线方向相反且间距为0.1mm；
所述轮廓激光扫描的工艺参数包括：激光光斑直径100μm，激光功率100W，激光扫描速度1100mm/s，扫描的轮廓线轨迹和零件理论轮廓间距为0.01mm；扫描完成后，得到K438镍基高温合金零件半成品；
(2)将步骤(1)得到的K438镍基高温合金零件半成品先在1150℃，绝对压力为10- 3Pa的条件下真空热处理4.5h，待温度降至170℃后取出；再在850℃，绝对压力为10-3Pa的条件下真空热处理25h，待温度降至160℃后取出，得到K438镍基高温合金零件。
实施例4：
本实施例提供了一种镍基高温合金激光选区熔化成形的方法，所述方法采用的装置参照实施例1中的装置。
所述方法包括以下步骤：
(1)将平均粒径为35μm，霍尔流速为18s，松装密度为4.3g/cm3，球形率为89％的K438镍基高温合金粉末铺到130℃的平台基板上，每层铺粉厚度为34μm，在氧气含量为0.04wt％的保护性气氛下对每层粉末依次进行实体激光扫描和轮廓激光扫描，扫描方式包括条带扫描和旋转扫描，条带扫描的条带宽度12为8mm且各条带间无间隙，扫描过程中，相邻两层之间的条带顺时针旋转73°；
所述实体激光扫描的工艺参数包括：激光光斑直径105μm，激光功率210W，激光扫描速度950mm/s，相邻激光扫描线方向相反且间距为0.11mm；
所述轮廓激光扫描的工艺参数包括：激光光斑直径105μm，激光功率90W，激光扫描速度1050mm/s，扫描的轮廓线轨迹和零件理论轮廓间距为0.02mm；扫描完成后，得到K438镍基高温合金零件半成品；
(2)将步骤(1)得到的K438镍基高温合金零件半成品先在1160℃，绝对压力为0.03Pa的条件下真空热处理4h，待温度降至180℃后取出；再在830℃，绝对压力为0.03Pa的条件下真空热处理28h，待温度降至170℃后取出，得到K438镍基高温合金零件。
实施例5：
本实施例提供了一种镍基高温合金激光选区熔化成形的方法，所述方法采用的装置参照实施例1中的装置。
所述方法参照实施例1中的方法，区别仅在于：步骤(1)中每层铺粉厚度为25μm。
实施例6：
本实施例提供了一种镍基高温合金激光选区熔化成形的方法，所述方法采用的装置参照实施例1中的装置。
所述方法参照实施例2中的方法，区别仅在于：步骤(1)中每层铺粉厚度为40μm。
实施例7：
本实施例提供了一种镍基高温合金激光选区熔化成形的方法，所述方法采用的装置参照实施例1中的装置。
所述方法参照实施例1中的方法，区别仅在于：步骤(1)中实体激光扫描的工艺参数：激光光斑直径为85μm。
实施例8：
本实施例提供了一种镍基高温合金激光选区熔化成形的方法，所述方法采用的装置参照实施例1中的装置。
所述方法参照实施例2中的方法，区别仅在于：步骤(1)中实体激光扫描的工艺参数：激光光斑直径为120μm。
实施例9：
本实施例提供了一种镍基高温合金激光选区熔化成形的方法，所述方法采用的装置参照实施例1中的装置。
所述方法参照实施例1中的方法，区别仅在于：步骤(1)中实体激光扫描的工艺参数：激光功率为160W。
实施例10：
本实施例提供了一种镍基高温合金激光选区熔化成形的方法，所述方法采用的装置参照实施例1中的装置。
所述方法参照实施例2中的方法，区别仅在于：步骤(1)中实体激光扫描的工艺参数：激光功率为250W。
实施例11：
本实施例提供了一种镍基高温合金激光选区熔化成形的方法，所述方法采用的装置参照实施例1中的装置。
所述方法参照实施例1中的方法，区别仅在于：步骤(1)中实体激光扫描的工艺参数：激光扫描速度为800mm/s。
实施例12：
本实施例提供了一种镍基高温合金激光选区熔化成形的方法，所述方法采用的装置参照实施例1中的装置。
所述方法参照实施例2中的方法，区别仅在于：步骤(1)中实体激光扫描的工艺参数：激光扫描速度为1000mm/s。
实施例13：
本实施例提供了一种镍基高温合金激光选区熔化成形的方法，所述方法采用的装置参照实施例1中的装置。
所述方法参照实施例1中的方法，区别仅在于：步骤(1)中实体激光扫描的工艺参数：相邻激光扫描线间距为0.07mm。
实施例14：
本实施例提供了一种镍基高温合金激光选区熔化成形的方法，所述方法采用的装置参照实施例1中的装置。
所述方法参照实施例2中的方法，区别仅在于：步骤(1)中实体激光扫描的工艺参数：相邻激光扫描线间距为0.14mm。
对比例1：
本对比例提供了一种镍基高温合金激光选区熔化成形的方法，所述方法采用的装置参照实施例1中的装置。
所述方法参照实施例1中的方法，区别仅在于：步骤(2)仅进行一级真空热处理，不进行二级真空热处理。
对比例2：
本对比例提供了一种镍基高温合金激光选区熔化成形的方法，所述方法采用的装置参照实施例1中的装置。
所述方法参照实施例1中的方法，区别仅在于：步骤(2)仅进行二级真空热处理，不进行一级真空热处理。
测定实施例1-14和对比例1-2中得到的K438镍基高温合金零件的室温拉伸性能和900℃下的拉伸性能，其结果如表1所示。
表1实施例1-14和对比例1-2中得到的K438镍基高温合金零件的室温拉伸性能和900℃下的拉伸性能
Figure BDA0002907425650000191
Figure BDA0002907425650000201
实施例1-4根据镍基高温合金材料的特性，采用激光选区熔化成形工艺，并通过控制工艺参数以及两级真空热处理，提高了镍基高温合金零件的综合机械性能，使其室温下的屈服强度Rp0.2均在852MPa以上，抗拉强度Rm均在1130MPa以上，延伸率均在5.5％以上；900℃下的屈服强度Rp0.2均在336MPa以上，抗拉强度Rm均在523MPa以上，延伸率均在5.0％以上。
实施例5-6的室温拉伸性能以及900℃拉伸性能均较差，是铺粉厚度过薄或过厚导致的。铺粉厚度过薄，相对而言激光能量输入过大，成形过程中渣粉飞溅严重，将会在内部形成随机的不规则孔洞，影响材料成形性能的稳定性；铺粉厚度过厚，相对而言熔池较浅，且在层间存在因为铺粉层过厚未熔合的缺陷，使得成形后室温强度和高温强度降低。
实施例7-8的室温拉伸性能以及900℃拉伸性能均较差，是激光光斑直径过小或过大导致的。激光光斑直径过小，相对而言熔池较深且相邻激光扫描线间将会存在搭接未熔合的缺陷风险，且因为熔池影响较深，内部有较大的热应力；激光光斑直径过大，相邻激光扫描线重熔区域较多，在成形表面形成褶皱，影响激光成形表面的铺粉质量，进而导致因铺粉不均在烧结过程中形成内部缺陷。
实施例9-10的室温拉伸性能以及900℃拉伸性能均较差，是激光功率过小或过大导致的。激光功率过小，激光能量输入不足，形成未熔合缺陷，降低材料的性能尤其是高温性能显著下降；激光功率过大飞溅现象较严重，在粉末床上容易随机形成不规则的孔洞，影响最终材料的性能。
实施例11-12的室温拉伸性能以及900℃拉伸性能均较差，是激光扫描速度过小或过大导致的。激光扫描速度过小，相对而言激光能量输入过大，飞溅严重将会在轮廓周边形成较多的渣粉；激光扫描速度过大，相对而言激光能量过低，金属粉末熔化凝固时间较短，粉末间隙的气孔来不及逸出，容易在内部形成气孔，降低材料的性能。
实施例13-14的室温拉伸性能以及900℃拉伸性能均较差，是相邻激光扫描线间距过小或过大导致的。相邻激光扫描线间距过小，重熔区域增多，容易在搭接区形成褶皱，影响下一层的铺粉状态；相邻激光扫描线间距过大，搭接区较小，容易引起搭接区未熔合缺陷，大大降低材料的室温拉伸强度和高温拉伸强度。
对比例1-2仅用了一步真空热处理。对比例1采用第一步真空热处理，内部组织得到了均匀化，且高温下溶质再分配，但是内部的强化相未经过长时间的时效，析出较少；对比例2采用第二步真空热处理，温度较低，打印态的组织未能转变且溶质元素，未能及时溶解析出，时效处理后组织不均且析出相有限。因此，相对而言使得到的K438镍基高温合金零件的室温拉伸性能以及900℃拉伸性能均较差。
综合上述实施例和对比例可以看出，本发明所述方法根据镍基高温合金材料的特性，采用激光选区熔化成形工艺，对每层粉末依次进行实体激光扫描和轮廓激光扫描，并通过两级真空热处理，减少了镍基高温合金材料的浪费，降低了复杂结构件和组件的生产制造周期，提高了其综合机械性能，可应用于多种领域，具有较好的工业应用前景。
申请人声明，本发明通过上述实施例来说明本发明的详细方法，但本发明并不局限于上述详细方法，即不意味着本发明必须依赖上述详细方法才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对本发明操作的等效替换及辅助操作的添加、具体方式的选择等，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。

Claims (10)

1.一种镍基高温合金激光选区熔化成形的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
(1)将镍基高温合金粉末铺到平台基板上，在保护性气氛下对每层粉末依次进行实体激光扫描和轮廓激光扫描，得到镍基高温合金零件半成品；
(2)将步骤(1)得到的镍基高温合金零件半成品进行两级真空热处理，得到镍基高温合金零件。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(1)所述镍基高温合金包括K438镍基高温合金；
优选地，所述K438镍基高温合金的组成包括Ni、Cr、Co、W、Mo、Al、Ti、C、Nb、Ta、B和Zr；
优选地，所述K438镍基高温合金的组成还包括Fe、Mn、Si中的任意一种或至少两种的组合；
优选地，所述K438镍基高温合金中各组分的含量包括Cr 15.7～16.3wt％、Co 8.0～9.0wt％、W 2.4～2.8wt％、Mo 1.5～2.0wt％、Al 3.2～3.7wt％、Ti 3.0～3.5wt％、C 0.1～0.2wt％、Nb 0.6～1.1wt％、Ta 1.5～2.0wt％、B 0.005～0.015wt％Zr 0.05～0.15wt％、Fe 0～0.5wt％、Mn 0～0.2wt％、Si 0～0.3wt％，其余为Ni。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，步骤(1)所述镍基高温合金粉末的粒径为15～45μm；
优选地，步骤(1)所述镍基高温合金粉末的霍尔流速不大于25s；
优选地，步骤(1)所述镍基高温合金粉末的松装密度不小于4.2g/cm3；
优选地，步骤(1)所述镍基高温合金粉末的球形率大于85％；
优选地，步骤(1)铺粉的厚度为30～35μm。
4.根据权利要求1-3任一项所述的方法，其特征在于，步骤(1)所述平台基板铺设镍基高温合金粉末前，先进行预热；
优选地，所述预热的温度为100～200℃。
5.根据权利要求1-4任一项所述的方法，其特征在于，步骤(1)所述保护性气氛包括惰性气体和/或氮气；
优选地，步骤(1)所述保护性气氛中的氧气含量不大于0.1wt％。
6.根据权利要求1-5任一项所述的方法，其特征在于，步骤(1)所述实体激光扫描的激光光斑直径为95～110μm；
优选地，步骤(1)所述实体激光扫描的激光功率为190～220W；
优选地，步骤(1)所述实体激光扫描的激光扫描速度为850～950mm/s；
优选地，步骤(1)所述实体激光扫描的相邻激光扫描线间距为0.09～0.12mm；
优选地，步骤(1)所述实体激光扫描的相邻激光扫描线方向相反。
7.根据权利要求1-6任一项所述的方法，其特征在于，步骤(1)所述轮廓激光扫描的激光光斑直径为95～110μm；
优选地，步骤(1)所述轮廓激光扫描的激光功率为80～120W；
优选地，步骤(1)所述轮廓激光扫描的激光扫描速度为1000～1200mm/s；
优选地，步骤(1)所述轮廓激光扫描的轮廓线轨迹和零件理论轮廓间距为0～0.02mm。
8.根据权利要求1-7任一项所述的方法，其特征在于，步骤(1)所述实体激光扫描和轮廓激光扫描的扫描方式包括条带扫描和旋转扫描；
优选地，所述条带扫描的条带宽度为7～10mm；
优选地，所述条带扫描的条带间无间隙；
优选地，所述旋转扫描在扫描过程中，相邻两层之间的条带沿同一方向旋转31～73°，且旋转角度不被360°整除。
9.根据权利要求1-8任一项所述的方法，其特征在于，步骤(2)所述两级真空热处理均在真空热处理炉中进行；
优选地，所述两级真空热处理包括一级真空热处理和二级真空热处理；
优选地，所述一级真空热处理和所述二级真空热处理的绝对压力均在0.1Pa以下；
优选地，所述一级真空热处理的温度为1130～1180℃；
优选地，所述一级真空热处理的时间为3～6h；
优选地，所述二级真空热处理的温度为800～900℃；
优选地，所述二级真空热处理的时间为20～30h；
优选地，所述一级真空热处理和二级真空热处理的取出温度均不大于200℃。
10.根据权利要求1-9任一项所述的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
(1)将粒径为15～45μm，霍尔流速不大于25s，松装密度不小于4.2g/cm3，球形率大于85％的K438镍基高温合金粉末铺到100～200℃的平台基板上，每层铺粉厚度为30～35μm，在氧气含量不大于0.1wt％的保护性气氛下对每层粉末依次进行实体激光扫描和轮廓激光扫描，扫描方式包括条带扫描和旋转扫描，条带扫描的条带宽度为7～10mm且各条带间无间隙，扫描过程中，相邻两层之间的条带沿同一方向旋转31～73°，且旋转角度不被360°整除；
所述实体激光扫描的工艺参数包括：激光光斑直径95～110μm，激光功率190～220W，激光扫描速度850～950mm/s，相邻激光扫描线方向相反且间距为0.09～0.12mm；
所述轮廓激光扫描的工艺参数包括：激光光斑直径95～110μm，激光功率80～120W，激光扫描速度1000～1200mm/s，扫描的轮廓线轨迹和零件理论轮廓间距为0～0.02mm；扫描完成后，得到K438镍基高温合金零件半成品；
(2)将步骤(1)得到的K438镍基高温合金零件半成品先在1130～1180℃、绝对压力为0.1Pa以下的条件下真空热处理3～6h，待温度降至200℃以下后取出；再在800～900℃、绝对压力为0.1Pa以下的条件下真空热处理20～30h，待温度降至200℃以下后取出，得到K438镍基高温合金零件。
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