CN114273750B - 一种调控电弧增材制造镍基合金中Laves相析出形态及分布的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种调控电弧增材制造镍基合金中Laves相析出形态及分布的方法，在电弧增材技术的基础上，附加了同步电磁振荡系统以及液氮喷射冷却装置。在增材制造过程在对凝固的熔池进行同步电磁振荡及液氮快速冷却，能够提高熔池冷却速度，降低熔池凝固过程中的成分过冷，降低溶质元素的析出，抑制Laves相的生成，提高材料的综合性能。

Description

一种调控电弧增材制造镍基合金中Laves相析出形态及分布 的方法

技术领域

本发明属于电弧增材领域，特别针对电弧增材制造镍基合金领域，具体涉及一种调控电弧增材制造镍基合金中Laves相析出形态及分布的方法。

背景技术

镍基合金具有优异的机械性能、高温抗性以及耐腐蚀性能，被广泛应用于例如海洋工程、核电热电工业以及航空航天设备等服役条件复杂，工作环境特殊的工程领域中。由于工程领域的构件和设备具有大尺寸的特殊性质，因此简洁性、高效性和经济性是针对镍基合金构件制备的重要因素。

电弧增材技术具有工艺过程简单，生成效率高和制备成本低的工艺特点。同时逐层叠加的制备过程适合于复杂结构工件的制备，能够在保证材料性能的基础上实现大尺寸特殊工件的高效制备。因此电弧增材技术具有实现镍基合金构件高效制造和产业化的巨大潜力，已成为近年的工程研究热点。由于电弧增材过程中工件成型过程中热量散失方向固定垂直于基板，以及熔池凝固过程中较大的温度梯度，同时镍基合金在电弧增材过程中溶质元素分布不均匀，在熔池凝固过程中固液界面产生的较大成分过冷导致了溶质元素的偏析，促使了Laves相等有害析出相生成，从而降低镍基合金构件的综合性能和服役安全性。

文献Effect of location on microstructure and mechanical properties ofadditive manufacturing Inconel625 using gas tungsten arc welding使用电弧增材方法制备了Inconel625合金，但所制备的合金材料析出了大量的Laves相，极大地降低了材料的性能。

专利CN106077647A公开了一种激光增材镍基高温合金方法，其中通过对基板进行冷却方法进行Laves相抑制和晶粒优化，但是仅对基板的冷却无法做到增材过程中冷却速率的平均控制，无法保证构件上层的冷却效果和Laves相的抑制，具有一定的应用局限性。

专利CN113579249A公开了一种激光增材制造镍基合金过程中抑制Laves相析出的方法，该方法针对激光粉末制造过程，并未考虑电弧丝材增材制造过程。所述方法仅通过增加熔池冷却速度进行温度梯度调控，忽略了熔池流动性对调控Laves相的影响，具有一定的应用局限性。

因此通过工艺方法的改进和外加辅助设备的应用，降低电弧增材熔池凝固过程中的成分过冷，抑制有害Laves相的析出是亟待解决的工程实际问题。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种调控电弧增材制造镍基合金中Laves相析出形态及分布的方法，旨在调控Laves相的析出行为，提高材料的综合性能。

本发明的技术目的通过下述技术方案予以实现。

一种调控电弧增材制造镍基合金中Laves相析出形态及分布的方法，将同步电磁振荡线圈设置在TIG焊枪上，且将液氮喷射机构的喷嘴设置在TIG焊枪的一侧，以使在整个增材制造过程中，同时加入电磁振荡和液氮冷却，其中：

同步电磁振荡线圈与TIG焊枪的钨极尖端的垂直距离为3—5cm；

液氮喷射机构的喷嘴与TIG焊枪的钨极尖端的水平距离为5—10cm，液氮喷射机构的喷嘴与基板平面的夹角为45—65°；

设置液氮喷射机构在焊枪起弧后开始喷射，控制液氮流量为50—150L/min，液氮喷射机构行走速度等于TIG焊枪焊接速度；设置同步电磁振荡线圈在焊枪起弧后开始工作，工作时磁场强度10—65mT,磁场频率设定为2—30Hz。

而且，选择表面清洁的镍基合金基板作为基板。

而且，液氮喷射机构的喷嘴与TIG焊枪的钨极尖端的水平距离为5—8cm。

而且，液氮喷射机构的喷嘴与基板平面的夹角为50-60°。

而且，控制液氮流量为80—100L/min。

而且，工作时磁场强度20—40mT,磁场频率设定为2—10Hz。

而且，焊接电流为120—140A，焊接速度为1—3mm/s。

而且，送丝速度为1—3m/min，送丝角度为30—40°。

与现有技术相比，本发明的技术方案在电弧增材过程中加入同步电磁振荡和快速冷却辅助手段(即使用液氮对熔池进行冷却)能够有效地增大熔池凝固的冷却速率，增加熔池液相流动性，降低固液界面的成分过冷，从而起到抑制Laves相的产生，优化组织性能的作用。本发明在应用直接电弧增材技术的基础上，附加了同步电磁振荡系统以及液氮喷射冷却装置。在增材制造过程在对凝固的熔池进行同步电磁振荡及液氮快速冷却，能够提高熔池冷却速度，降低熔池凝固过程中的成分过冷，降低溶质元素的析出，抑制Laves相的生成，提高材料的综合性能。

附图说明

图1为本发明中调控电弧增材制造镍基合金中Laves相析出形态及分布的方法的装置结构示意图，其中1-工作台，2-送丝机构，3-TIG焊机，4-液氮喷射机构，5-基板，6-同步电磁振荡线圈，7-励磁系统。

图2为本发明实施例1中制备的镍基合金析出的Laves相的扫描电镜照片。

图3为本发明对比例中制备的镍基合金的析出的Laves相的扫描电镜照片。

图4为本发明实施例1中制备的镍基合金析出的Laves相的透射电镜照片。

图5为本发明对比例中制备的镍基合金析出的Laves相的透射电镜照片。

图6为本发明实施例2中制备的镍基合金析出的Laves相的扫描电镜照片。

图7为本发明实施例2中制备的镍基合金析出的Laves相的透射电镜照片。

图8为本发明实施例3中制备的镍基合金析出的Laves相的扫描电镜照片。

图9为本发明实施例3中制备的镍基合金析出的Laves相的透射电镜照片。

图10为本发明实施例4中制备的镍基合金析出的Laves相的扫描电镜照片。

图11为本发明实施例4中制备的镍基合金析出的Laves相的透射电镜照片。

图12为本发明实施例和对比例所制备镍基合金的拉伸性能曲线图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例进一步说明本发明的技术方案。

在实施例中进行镍基合金增材制造时，基板和焊丝(TIG焊丝，镍基合金焊丝)的组分如下表所示，TIG焊机选用Fronius TIG-5000；送丝机构选用郑康SB-10。扫描电镜测试使用JSM-7800F，透射电镜测试使用JEM-2100，力学测试使用MTS，Exceed E45。

如图1所示，进行调控电弧增材制造镍基合金中Laves相析出形态及分布的方法时，采用的装置结构示意图，将基板5固定在工作台1上，将同步电磁振荡线圈6安装在TIG焊机3的焊枪头上，调整其距离焊枪钨极尖端；调整液氮喷射机构4的喷嘴与TIG焊机3的钨极焊枪尖端的水平距离，以及液氮喷射机构喷嘴与基板的角度；设置液氮喷射流量、励磁系统7的磁场强度和磁场频率、TIG焊机3的焊接电流和扫描速度(即焊接速度)、送丝机构2的送丝速度和送丝角度，液氮喷射机构行走速度等于TIG焊枪焊接速度。实施例1—利用图1所示的装置进行镍基合金的增材制备，具体包括如下步骤：

1.将基板5固定在工作台1上。

2.将同步电磁振荡线圈6安装在TIG焊机3的焊枪头上，距离焊枪钨极尖端5cm(即两者竖直距离为5cm)。

3.将液氮喷射机构4的喷嘴安装在距离TIG焊机3的钨极焊枪尖端为8cm位置(两者在水平方向上的距离为8cm)，设置液氮喷射机构4的喷嘴与基板角度为45°(即液氮喷射机构的喷嘴与基板所在水平面的夹角)。

4.设置液氮喷射流量为70L/min。

5.设置励磁系统7的磁场强度为20mT，磁场频率为4Hz。

6.设置TIG焊机3的焊接电流为140A，扫描速度为1.5mm/s。

7.设置送丝机构2的送丝速度为1.5m/min，送丝角度30°(即TIG焊丝与基板所在水平面的夹角)。

8.整个增材制造过程中，保持磁场强度和频率，以及液氮喷射；成型结束后，依次关闭TIG焊机3、送丝机构2、液氮喷射机构4以及励磁系统7。

对比例—采用TIG焊机和送丝机构进行镍基合金的增材制造，具体步骤为：

1.将基板固定于工作台上。

2.设置TIG焊机焊机电流为140A，扫描速度为1.5mm/s。

3.设置送丝机构的送丝速度为1.5m/min，送丝角度30°。

4.成型结束后，依次关闭TIG焊机和送丝机构。

图2为本发明实施例1所制备的电弧增材镍基合金的微观组织结构的扫描电镜图。相比图3中对比例的微观组织，通过应用本发明的方法，镍基合金中Laves相的形态和分布特点得到了有效的调控，Laves相析出情况得到缓解，分布形式更加弥散，大尺寸Laves相的数量得到了明显的降低。通过图4和图5的透射电镜图对比可知，在实施本发明所述的方法后，电弧增材镍基合金中Laves相由尺寸为2μm的岛状形态转变为小于100nm且分布弥散的颗粒状形态。

实施例2—利用图1所示的装置进行镍基合金的增材制备，具体包括如下步骤：

1.将基板5固定在工作台1上。

2.将同步电磁振荡线圈6安装在TIG焊机3的焊枪头上，距离焊枪钨极尖端3cm。

3.将液氮喷射机构4的喷嘴安装距离TIG焊机3的钨极焊枪尖端为5cm位置，设置喷嘴与基板角度为50°。

4.设置液氮喷射流量为50L/min。

5.设置励磁系统7的磁场强度为10mT，磁场频率为10Hz。

6.设置TIG焊机3的焊接电流为140A，扫描速度为3mm/s。

7.设置送丝机构2的送丝速度为3m/min，送丝角度40°。

8.整个增材制造过程中，保持磁场强度和频率，以及液氮喷射；成型结束后，依次关闭TIG焊机3、送丝机构2、液氮喷射机构4以及励磁系统7。

实施例3—利用图1所示的装置进行镍基合金的增材制备，具体包括如下步骤：

1.将基板5固定在工作台1上。

2.将同步电磁振荡线圈6安装在TIG焊机3的焊枪头上，距离焊枪钨极尖端5cm。

3.将液氮喷射机构4的喷嘴安装距离TIG焊机3的钨极焊枪尖端为8cm位置，设置喷嘴与基板角度为60°。

4.设置液氮喷射流量为80L/min。

5.设置励磁系统7的磁场强度为35mT，磁场频率为4Hz。

6.设置TIG焊机3的焊接电流为120A，扫描速度为1.5mm/s。

7.设置送丝机构2的送丝速度为1.5m/min，送丝角度30°。

8.整个增材制造过程中，保持磁场强度和频率，以及液氮喷射；成型结束后，依次关闭TIG焊机3、送丝机构2、液氮喷射机构4以及励磁系统7。

实施例4—利用图1所示的装置进行镍基合金的增材制备，具体包括如下步骤：

1.将基板5固定在工作台1上。

2.将同步电磁振荡线圈6安装在TIG焊机3的焊枪头上，距离焊枪钨极尖端5cm。

3.将液氮喷射机构4的喷嘴安装距离TIG焊机3的钨极焊枪尖端为10cm位置，设置喷嘴与基板角度为65°。

4.设置液氮喷射流量为150L/min。

5.设置励磁系统7的磁场强度为40mT，磁场频率为6Hz。

6.设置TIG焊机3的焊接电流为140A，扫描速度为1.5mm/s。

7.设置送丝机构2的送丝速度为1.5m/min，送丝角度30°。

8.整个增材制造过程中，保持磁场强度和频率，以及液氮喷射；成型结束后，依次关闭TIG焊机3、送丝机构2、液氮喷射机构4以及励磁系统7。

如附图6—11所示，采用本发明的技术方案能够对镍基合金增材制造中Laves相析出形态及分布进行有效控制，本方法制备的镍基合金中Laves相的析出数量得到了明显地降低，Laves相的尺寸由2μm减小至100nm以下，且分布弥散的颗粒状形态。

如附图12所示，经拉伸测试(抗拉强度)，电弧增材镍基合金的力学性能为实施例1：563MPa，实施利2：534MPa，实施例3：551MPa，实施例4：521MPa，对比例：512MPa。相比对比例，实施例中所制备的镍基合金力学性能得到有效提高。

根据本发明内容进行工艺参数的调整，均可实现对镍基合金增材制造中Laves相析出形态及分布的控制。以上对本发明做了示例性的描述，应该说明的是，在不脱离本发明的核心的情况下，任何简单的变形、修改或者其他本领域技术人员能够不花费创造性劳动的等同替换均落入本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种调控电弧增材制造镍基合金中Laves相析出形态及分布的方法，其特征在于，将同步电磁振荡线圈设置在TIG焊枪上，且将液氮喷射机构的喷嘴设置在TIG焊枪的一侧，以使在整个增材制造过程中，同时加入电磁振荡和液氮冷却，其中：

同步电磁振荡线圈与TIG焊枪的钨极尖端的垂直距离为3—5cm；

液氮喷射机构的喷嘴与TIG焊枪的钨极尖端的水平距离为5—10cm，液氮喷射机构的喷嘴与基板平面的夹角为45—65°；

设置液氮喷射机构在焊枪起弧后开始喷射，控制液氮流量为50—150L/min，液氮喷射机构行走速度等于TIG焊枪焊接速度；设置同步电磁振荡线圈在焊枪起弧后开始工作，工作时磁场强度10—65mT，磁场频率设定为2—30Hz；焊接电流为120—140A，焊接速度为1—3mm/s，送丝速度为1—3m/min，送丝角度为30—40°。

2.根据权利要求1所述的一种调控电弧增材制造镍基合金中Laves相析出形态及分布的方法，其特征在于，选择表面清洁的镍基合金基板作为基板。

3.根据权利要求1所述的一种调控电弧增材制造镍基合金中Laves相析出形态及分布的方法，其特征在于，液氮喷射机构的喷嘴与TIG焊枪的钨极尖端的水平距离为5—8cm。

4.根据权利要求1所述的一种调控电弧增材制造镍基合金中Laves相析出形态及分布的方法，其特征在于，液氮喷射机构的喷嘴与基板平面的夹角为50-60°。

5.根据权利要求1所述的一种调控电弧增材制造镍基合金中Laves相析出形态及分布的方法，其特征在于，控制液氮流量为80—100L/min。

6.根据权利要求1所述的一种调控电弧增材制造镍基合金中Laves相析出形态及分布的方法，其特征在于，工作时磁场强度20—40mT，磁场频率设定为2—10Hz。

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