CN113967744A - 一种多功能一体化零件及制备其的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种多功能一体化零件及制备其的方法，该方法在激光选区熔化成形系统中利用钴铬合金或0Cr16Ni4Cu3Nb粉末材料执行零件的成形过程；在所述成形过程中，使用氮气、氩气的混合气体作为保护气氛，根据零件的服役工况对零件进行打印分区，针对不同的打印分区，提供设计不同的氮气浓度的所述保护气氛，在至少一个所述打印分区内，利用氮气渗入熔池，与熔融态金属发生化学反应，控制零件在该打印分区内N元素增加，从而抑制零件在打印过程中γ相向其他相转变。

Description

一种多功能一体化零件及制备其的方法
【技术领域】
本发明涉及增材制造相关技术领域，特别涉及一种激光选区熔化成形系统、多功能一体化零件及其制备方法。
【背景技术】
目前市场上主流的激光选区熔化设备，都是采用单一材料进行零件的打印，但是在有些情况下，业内常常希望同一个零件的两个部位具有不同的特性或功能，又希望不同性能的两个部位结合紧密，例如航天飞机燃烧冲压式发动机燃烧室壁面，接触数千度高温气体的一侧使用陶瓷，而接触冷却氢的一侧采用金属，从而使整个零件具有良好耐热性且机械强度高的新功能。因而性能优良的多功能一体化零件具有极高的应用价值和研究前景。
先进航空发动机预旋喷嘴、燃油喷嘴、涡轮叶片等零件因不同部位服役工况不同，需要定制不同部位的服役性能，例如燃油喷嘴进油口主要承受振动时油管的常温机械冲击，喷头或出油口接触高温，主要承受蠕变应力，需要更优的高温疲劳和持久性能。新型发动机零件设计越来越紧凑，结构越来越复杂，已经无法采用传统的机加、焊接等工艺实现，采用主流的激光选区熔化设备可以实现复杂构型的整体制造，但无法定制局部性能。如何通过激光选区熔化技术快速、低成本、高效制备多功能一体化零件，是本领域亟需解决的关键技术问题。
【发明内容】
本发明目的之一是提供一种制备多功能一体化零件的方法。
所述方法在激光选区熔化成形系统和利用钴铬合金或0Cr16Ni4Cu3Nb粉末材料执行零件的成形过程；
在成形过程中，使用氮气、氩气的混合气体作为保护气氛，根据零件的服役工况对零件进行打印分区，针对不同的打印分区，设计提供不同的氮气浓度的保护气氛，在至少一个打印分区内，利用氮气渗入熔池，与熔融态金属发生化学反应，控制零件在该打印分区内N元素增加，从而抑制零件在打印过程中γ相向其他相转变。
根据不同部位的使用工况，在打印模型制作软件中，对零件三维模型进行功能区间划分，并完成零件三维模型摆放、支撑添加后，向激光选区熔化成形系统导入所述零件三维模型，依据所述功能区间确定所述打印分区。
向激光选区熔化成形系统的成形舱中充入氩气和氮气，氮气的体积比0％～100％，两种气体的配比由控制器控制，在成形舱中的氧含量达标后开始激光选区熔化成形；通过传感器实时监测成形舱中实际的气体成分，并反馈给主控制系统，主控制系统信号连接所述控制器和所述传感器，根据零件的打印分区情况，在不同打印分区调整成形舱中氮气的浓度。
所述零件为航空发动机的预旋喷嘴、燃油喷嘴、转接座或涡轮叶片。
本发明的另一目的是提供一种由上述方法制备的多功能一体化零件。
本发明的优点在于，在激光选区熔化工艺中，通过调控保护气体配比，使得钴铬合金或0Cr16Ni4Cu3Nb粉末在熔融状态时与氮气反应，改变单一零件在不同成形区间的氮元素含量，氮气与液态金属反应后，零件局部N元素增加，抑制打印过程中γ相向其他相转变，导致制件含有更多的γ相，这样使性能按照使用需求进行分布，例如提高γ相，而γ相在高温下更稳定，从而提高钴铬合金制件在该区间的高温拉伸塑性、高温持久时间和持久塑性。对单一零件按照不同部位的使用工况进行功能分区，选择激光选区熔化工艺和恰当的成型材料，再通过控制保护气体配比即可解决“控性”难题，形成不同功能的相组织，实现单一零件多功能、高效、高质量的整体成形，效果明显、易于操作且粉末可回收利用，属于绿色制造，并且该方法无需引入第二类材料，对未成形区的粉体无污染，不影响粉末的重复使用。
【附图说明】
本发明的上述的以及其它的特征、性质和优势将通过下面结合附图和实施例的描述而变得更加明显，其中：
图1为制备多功能一体化零件的方法的实施方式的流程图；
图2为激光选区熔化成形系统的示意图；
图3为CoCrMo合金燃油喷嘴外形示意图；
图4为SLM打印CoCrMo合金燃油喷嘴第一设置方向的打印区间划分示意图；
图5为CoCrMo合金燃油喷嘴打印区间401内材料的金相图；
图6为CoCrMo合金燃油喷嘴打印区间402内材料的金相图；
图7为SLM打印CoCrMo合金燃油喷嘴零件的第二设置方向的打印区间划分示意图；
图8为0Cr16Ni4Cu3Nb不锈钢转接座外形示意图；
图9为SLM打印0Cr16Ni4Cu3Nb不锈钢转接座的打印区间划分示意图。
【具体实施方式】
激光选区熔化(Selective Laser Melting,SLM)被认为是最具潜力的金属增材制造技术之一。SLM技术主要采用高功率或高亮度激光为热源，逐层熔化金属粉末，直接制造出复杂形状的零件。SLM技术采用细微聚焦光斑的激光束作为成形能量源、高速高精度扫描振镜作为加工光束控制单元及采用更薄的层厚控制技术，SLM技术在获得高致密和高精度成形件方面更具有优势，可完成复杂型腔、型面、薄壁、变截面零件的直接成形，如航空发动机预旋喷嘴、燃油喷嘴、涡轮叶片等零件。
后述实施方式针对现有零件制造过程无法定制单一零件局部性能的问题，提供了一种激光选区熔化技术制备多功能一体化零件的方法，首先金属材料粉末，该金属材料粉末为钴铬合金或0Cr16Ni4Cu3Nb粉末材料，利用激光选区熔化成形系统和所述金属材料执行零件的成形过程；在成形过程中，使用氮气、氩气的混合气体作为保护气氛，根据零件的服役工况对零件进行打印分区，针对不同的打印分区，设计提供不同的氮气浓度的保护气氛，在至少一个打印分区内，利用氮气渗入熔池，与熔融态金属发生化学反应，从而原位改变当前打印分区的化学成分和组织，例如控制零件在该打印分区内N元素增加，从而抑制零件在打印过程中γ相向其他相转变。
图1示出制备多功能一体化零件的方法流程图，图2示出激光选区熔化成形系统的示意图，其中成形舱204用以提供零件的激光选区熔化成形作业空间，具有氮气和氩气的输入接口；控制器203与所述输入接口可输送气体地连接，用于控制氩气和氮气的配比；传感器210用于实时监测成形舱中实际的气体成分；主控系统211信号连接所述控制器203和所述传感器210，根据零件的打印分区情况，在不同打印分区调整成形舱中氮气的浓度。
下面结合图1，图2对该方法的具体工艺过程进行说明。
(1)根据不同部位的使用工况，在打印模型制作软件(图中未示出)中对零件三维模型进行功能打印区间设计划分，并完成零件模型摆放和支撑添加，随后向激光选区熔化成形系统导入所述零件三维模型，其中摆放角度应考虑功能分区的便利性；
(2)往成形舱204中充入氩气201和氮气202，氮气202体积比范围为0％～100％。氧含量达标后开始激光选区熔化成形，激光器205发出激光逐层熔化粉床207上的粉末。根据零件不同功能分区，对应不同打印区间内成形舱204中氮气202的浓度不同，两种气体的配比由控制器203控制，通过传感器210实时监测成形舱204中实际的气体成分，并反馈给主控系统211，主控系统211连接所述控制器203和传感器210并根据打印分区情况调整成形舱204中氮气202的浓度；
(3)此时在含有氮气作为保护气氛的打印区间内，氮气202渗入熔池206并与熔池中的液态金属发生化学反应，原位改变零件208在当前打印区间的化学成分，氮气202的浓度决定其对该打印区间化学成分的改变程度，从而使零件在不同功能打印区间获得不同的拉伸、持久性能；
(4)随着基板209逐层下降，各个区间自下而上按顺序成形，直至零件208成形完毕；
(5)对零件208进行后处理，包括热处理、热等静压、去支撑、打磨等，从而获得不同拉伸、持久性能一体化的零件。
下面结合具体实施例和图3到图9对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
图3-图4示出第一实施例SLM打印CoCrMo合金燃油喷嘴的第一设置方式示意图。图3示出燃油喷嘴零件的外形，其中进油口301的工作环境温度约为300K，主要承受振动时油管的常温机械冲击，喷头302承受850K～950K的高温和40atm～50atm的高压，主要承受蠕变应力，需要更优的高温持久性能。
因此，使用打印模型制作软件(图中未示出)将燃油喷嘴划分为包含进油口301的第一区间401和包含喷头302的第二区间402，并将指令传递给主控系统211。
随后在打印模型制作软件中将图4中平面A即法兰盘下表面设置成与基板209平行，在完成零件的打磨和机加余量、支撑等添加操作后向激光选区熔化成形系统导入打印模型，即导入到主控系统211中，主控系统211根据打印模型制作软件内的区间的划分，对应第一区间401、第二区间402分别确定两个打印分区；
在打印开始之前，往成形舱204中仅充入氩气201，即氮气202体积比为0％，待氧含量达到100ppm以后开始进行打印。在第一区间401打印过程中采用纯氩气作为保护气，该过程中成形工艺参数为激光扫描功率270W，扫描速度800mm/s，层厚40μm，扫描间距90μm，激光器205发出激光逐层熔化粉床207上的CoCrMo合金粉末，基板209逐层下降，当打印高度达到35.3mm后，第一区间401成形完毕；
随后向成形舱204中充入氮气202，氮气和氩气的配比由控制器203控制，当成形舱204中的氮气体积占比稳定在(78±2)％，压力稳定在(5±0.5)bar后，继续打印第二区间402，此时成形舱204中的氮气202与熔池206中的液态金属发生反应，从而原位改变第二区间402的化学成分；
在打印成形第二区间402的过程中，传感器210实时监控成形舱204中的氮气浓度，并反馈给主控系统211，主控系统211进而调节控制器203，使氮气的浓度始终维持在78％±2％，压力稳定在(5±0.5)bar，直至第二区间402(高度106.8mm)成形完毕；
将成形结束后的零件置于真空热处理炉中进行固溶处理，温度为1175℃，时间为3h，空冷或随炉冷却，最后将燃油喷嘴从基板上切割后再进行去支撑、打磨等后处理操作。
在第一实施例中，通过向保护气中引入一定浓度的氮气202，氮气渗入熔池206，与熔融态金属发生化学反应，使得零件第二区间402的化学成分发生改变，氮元素含量从第一区间401的0.00％提高到第二区间402的0.24％，从而使两个打印区间的显微组织和拉伸、持久性能发生改变。图5和图6中第一区间401和第二区间402的金相图显示，氮元素的加入使CoCrMo合金相组成发生变化，γ相得以保留，第二区间402的密排六方ε相比第一区间401减少，N元素增加后抑制打印过程中γ相向ε相转变，因此可以显著增加材料的高温拉伸塑性、高温持久时间和持久塑性。两个打印区间的氮元素成分和拉伸、持久性能差异如表1所示。在表1中第二列表为氮元素N在所在打印区间的重量百分表；第三列表为室温拉伸性能，其中Rm表示抗拉强度，A(L0＝5D)表示拉伸断后延伸率；第四列表为在温度815℃的拉伸性能，其中Rm表示抗拉强度，A(L0＝5D)表示拉伸断后延伸率；第五列表为在温度815℃加载为105MPa的持久性能，其中T表示持久时间，A(L0＝4D)表示持久断后延伸率。第一区间401室温拉伸性能已满足使用工况，但在温度为815℃时在拉伸性能测试中其断后延伸率为(5.5±1)％，并且在持久性能测试中其持续时间为(62±5)小时，但高温拉伸和高温持久塑性欠缺。而第二区间402在温度为815℃时在拉伸性能测试中其断后延伸率提升到(19.5±1)％，并且在持久性能测试中其持续时间提升到130±5，具有良好的高温拉伸塑性、高温持久时间和持久塑性。在第三列中，虽然在温度为815℃时在拉伸性能测试中材料的抗拉强度Rm略微降低，但487MPa和472MPa的抗拉强度可以看做同一水平，差异不大。
本实施例提供了一种通过激光选区熔化制备双态组织燃油喷嘴的方法，可根据零件实际工况设计氮气在不同打印区间的浓度，从而改变零件各部分的化学性能，实现多功能(不同拉伸、持久性能)材料的一体化成形，可操作性强，且非成形区域粉末无污染，可重复使用。
图7示出第二实施例SLM打印成形CoCrMo合金燃油喷嘴的第二设置方式示意图，合金燃油喷嘴零件外形仍如图3所示，其中进油口301的工作环境温度约为300K，主要承受振动时油管的常温机械冲击，喷头302承受850K～950K的高温和40atm～50atm的高压，主要承受蠕变应力，需要更优的高温持久性能。
使用打印模型制作软件(图中未示出)将CoCrMo合金燃油喷嘴划分为包含进油口301的第三区间501，和包含喷头302的第四区间502，并将划分指令传递给主控系统211。
在燃油喷嘴进行第二设置方式中，打印模型制作软件将图7中B平面设置成与基板209垂直，完成零件的打磨和机加余量、支撑等添加操作后导入打印模型，即导入到主控系统211中，主控系统211根据打印模型制作软件内的区间的划分，对应第三区间501、第四区间502分别确定两个打印分区。在打印开始之前，往成形舱204中仅充入氩气201，此时氮气202体积比为0％，待氧含量达到100ppm以后开始打印。在打印第三区间501过程中采用纯氩气作为保护气，打印过程中成形工艺参数为激光扫描功率270W，扫描速度800mm/s，层厚40μm，扫描间距90μm，激光器205发出激光逐层熔化粉床207上的CoCrMo合金粉末，基板209逐层下降，当打印高度达到48.8mm后第三区间501成形完毕；
此时往成形舱204中充入氮气202，氮气和氩气的配比由控制器203控制，当成形舱204中的氮气占比稳定在(78±2)％，压力稳定在(5±0.5)bar后，继续打印第四区间502，成形舱204中的氮气与熔池206中的液态金属反应，从而原位改变第四区间502的化学成分；
在打印成形第四区间502的过程中，传感器210实时监控成形舱204中的氮气浓度，并反馈给主控系统211，主控系统211进而调节控制器203，使氮气的浓度始终维持在78％±2％，压力稳定在(5±0.5)bar，直至第四区间502(高度71.9mm)成形完毕；
将成形结束后的零件置于真空热处理炉中进行固溶处理，温度为1175℃，时间为3h，空冷或随炉冷却。
将燃油喷嘴从基板209上切割后再进行去支撑、打磨等处理。
在上述实施例中，通过向保护气中引入一定浓度的氮气202后，第四区间502的化学成分发生改变，氮元素含量从第三区间501的0.00％提高到第四区间502的0.24％，从而使不同打印区间的显微组织和拉伸、持久性能发生改变。两个打印区间的成分和拉伸、持久性能差异如表1所示，第三区间501室温拉伸性能已满足使用工况，但高温拉伸和高温持久塑性欠缺，而第四区间502具有良好的高温拉伸塑性、高温持久时间和持久塑性。
本实施例提供了一种通过激光选区熔化制备双态组织燃油喷嘴的方法，可根据零件实际工况设计氮气在不同区间的浓度，实现多功能(不同拉伸、持久性能)材料的一体化成形，可操作性强，非成形区域粉末无污染，可重复使用。
表1
Figure BDA0002596445550000081
Figure BDA0002596445550000091
图8和图9示出第三实施例SLM打印成形0Cr16Ni4Cu3Nb不锈钢转接座的示意图。转接座零件外形如图8所示，成形前已知不锈钢转接座头601需要更高的抗拉强度，因此，使用打印模型制作软件(图中未示出)将燃油喷嘴划分为第五区间701和包含不锈钢转接座头601的第六区间702，并将指令传递给主控系统211。
在打印模型制作软件中将图9中的平面C设置成与基板209平行，完成余量、支撑等添加操作后导入打印模型；
在打印开始之前，往成形舱204中同时充入氩气201和氮气202(此时氮气体积比为30％)，待氧含量达到100ppm以后开始打印，氮气和氩气的配比由控制器203控制，打印过程中成形工艺参数为激光扫描功率180W，扫描速度1100mm/s，层厚20μm，扫描间距90μm，激光器205发出激光逐层熔化粉床207上的0Cr16Ni4Cu3Nb不锈钢粉末，基板209逐层下降，当打印高度达到73.8mm后第五区间701成形完毕；
当第五区间701成形结束后，停止往成形舱204中充入氩气201，仅通入氮气202，当成形舱204中的氮气体积占比提高到100％、压力稳定在(5±0.5)bar后，继续打印成形第六区间702，氮气浓度变化引起第六区间702的化学成分原位改变，直至第六区间702(高度15.9mm)成形完毕；
在转接座成形的全部过程中，传感器210实时监控成形舱204中的氮气202浓度，并反馈给主控系统211，主控系统211进而调节控制器203，使氮气的浓度始终在所需范围内；
将成形结束后的零件置于真空热处理炉中进行1050℃(2h)固溶+650℃时效(2h)处理，空冷或随炉冷却。
将不锈钢转接座从基板209上切割后再进行去支撑、打磨等后处理。
本实施例中不同分区的成分和拉伸性能见表2，在表2中，第二列表为氮元素N的重量百分比；第三列为室温环境下的拉伸性能，其中Rm表示抗拉强度，A(L0＝5D)表示拉伸断后延伸率。第五区间701的抗拉强度为1050±5MPa，延伸率为17.3±1％，第六区间702的抗拉强度为1170±5MPa，延伸率为22±1.5％。与第五区间701相比，第六区间702成形后的氮含量从0.045％提高到0.073％，第六区间702的N元素增加，可以抑制打印过程中γ相向α相转变，零件在第六区间702内残余奥氏体含量增多，从而提高室温抗拉强度和延伸率。
表2
Figure BDA0002596445550000101
本发明虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何修改、等同变化及修饰，均落入本发明权利要求所界定的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种制备多功能一体化零件的方法，其特征在于，
在激光选区熔化成形系统中利用钴铬合金或0Cr16Ni4Cu3Nb粉末材料执行零件的成形过程；
在所述成形过程中，使用氮气、氩气的混合气体作为保护气氛，根据零件的服役工况对零件进行打印分区，针对不同的打印分区，提供设计不同的氮气浓度的所述保护气氛，在至少一个所述打印分区内，利用氮气渗入熔池，与熔融态金属发生化学反应，控制零件在该打印分区内N元素增加，从而抑制零件在打印过程中γ相向其他相转变。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，根据不同部位的使用工况，在打印模型制作软件中，对零件三维模型进行功能区间划分，并完成零件三维模型摆放、支撑添加后，向激光选区熔化成形系统导入所述零件三维模型，依据所述功能区间确定所述打印分区。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，往激光选区熔化成形系统的成形舱中充入氩气和氮气，氮气的体积比0％～100％，两种气体的配比由控制器控制，在成形舱中的氧含量达标后开始激光选区熔化成形；通过传感器实时监测成形舱中实际的气体成分，并反馈给主控制系统，主控制系统信号连接所述控制器和所述传感器，根据零件的打印分区情况，在不同打印分区调整成形舱中氮气的浓度。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述零件为航空发动机的预旋喷嘴、燃油喷嘴、转接座或涡轮叶片。
5.一种多功能一体化零件，其特征在于，由权利要求1至4中任一项所述方法制备。
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