CN114871450B - 一种基于红外线辅助预热的激光增材制造热裂纹敏感性材料的制备方法 - Google Patents
一种基于红外线辅助预热的激光增材制造热裂纹敏感性材料的制备方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN114871450B CN114871450B CN202210343015.2A CN202210343015A CN114871450B CN 114871450 B CN114871450 B CN 114871450B CN 202210343015 A CN202210343015 A CN 202210343015A CN 114871450 B CN114871450 B CN 114871450B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- laser
- based alloy
- forming
- powder
- content
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 title claims abstract description 47
- 239000000654 additive Substances 0.000 title claims abstract description 46
- 230000000996 additive effect Effects 0.000 title claims abstract description 46
- 239000000463 material Substances 0.000 title claims abstract description 32
- 238000004227 thermal cracking Methods 0.000 title claims abstract description 18
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 title claims abstract description 8
- 239000000956 alloy Substances 0.000 claims abstract description 90
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 claims abstract description 86
- 239000000843 powder Substances 0.000 claims abstract description 79
- PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N Nickel Chemical compound [Ni] PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 40
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 claims abstract description 37
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 37
- WFKWXMTUELFFGS-UHFFFAOYSA-N tungsten Chemical compound [W] WFKWXMTUELFFGS-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 23
- 229910052721 tungsten Inorganic materials 0.000 claims abstract description 23
- 239000010937 tungsten Substances 0.000 claims abstract description 23
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 claims abstract description 17
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 claims description 58
- 238000002844 melting Methods 0.000 claims description 23
- 230000008018 melting Effects 0.000 claims description 22
- 238000003892 spreading Methods 0.000 claims description 13
- 230000007480 spreading Effects 0.000 claims description 13
- 239000002245 particle Substances 0.000 claims description 8
- 238000007789 sealing Methods 0.000 claims description 8
- 230000001681 protective effect Effects 0.000 claims description 7
- 239000007787 solid Substances 0.000 claims description 7
- 238000001816 cooling Methods 0.000 claims description 6
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 5
- 239000007789 gas Substances 0.000 claims description 5
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 claims description 5
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 claims description 5
- 239000000835 fiber Substances 0.000 claims description 2
- 238000007648 laser printing Methods 0.000 claims description 2
- 238000000034 method Methods 0.000 abstract description 28
- 230000008569 process Effects 0.000 abstract description 19
- 230000008646 thermal stress Effects 0.000 abstract description 14
- 238000007711 solidification Methods 0.000 abstract description 13
- 230000008023 solidification Effects 0.000 abstract description 13
- 230000000052 comparative effect Effects 0.000 description 16
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 8
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 8
- 210000001787 dendrite Anatomy 0.000 description 5
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 5
- 239000007791 liquid phase Substances 0.000 description 5
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 5
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 5
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 5
- 238000005464 sample preparation method Methods 0.000 description 5
- 238000007630 basic procedure Methods 0.000 description 4
- 238000005192 partition Methods 0.000 description 4
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 3
- 238000005336 cracking Methods 0.000 description 3
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 3
- 238000005520 cutting process Methods 0.000 description 3
- 238000013461 design Methods 0.000 description 3
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 3
- 238000000227 grinding Methods 0.000 description 3
- 238000005498 polishing Methods 0.000 description 3
- 230000035882 stress Effects 0.000 description 3
- 238000010146 3D printing Methods 0.000 description 2
- 230000009471 action Effects 0.000 description 2
- 238000004220 aggregation Methods 0.000 description 2
- 230000002776 aggregation Effects 0.000 description 2
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 2
- 230000005496 eutectics Effects 0.000 description 2
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 2
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 2
- 239000000155 melt Substances 0.000 description 2
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 2
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 2
- 238000005457 optimization Methods 0.000 description 2
- 239000012071 phase Substances 0.000 description 2
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 2
- 238000005204 segregation Methods 0.000 description 2
- 229910018182 Al—Cu Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000009825 accumulation Methods 0.000 description 1
- 238000005266 casting Methods 0.000 description 1
- 230000008859 change Effects 0.000 description 1
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 1
- 238000010894 electron beam technology Methods 0.000 description 1
- 238000005242 forging Methods 0.000 description 1
- 230000006870 function Effects 0.000 description 1
- 230000008642 heat stress Effects 0.000 description 1
- 229910001119 inconels 625 Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000002401 inhibitory effect Effects 0.000 description 1
- 230000000977 initiatory effect Effects 0.000 description 1
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 1
- 239000011664 nicotinic acid Substances 0.000 description 1
- 238000004663 powder metallurgy Methods 0.000 description 1
- 238000007639 printing Methods 0.000 description 1
- 230000001737 promoting effect Effects 0.000 description 1
- 239000002994 raw material Substances 0.000 description 1
- 238000002407 reforming Methods 0.000 description 1
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 1
- 230000001629 suppression Effects 0.000 description 1
- 230000003746 surface roughness Effects 0.000 description 1
Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B22—CASTING; POWDER METALLURGY
- B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
- B22F10/00—Additive manufacturing of workpieces or articles from metallic powder
- B22F10/20—Direct sintering or melting
- B22F10/28—Powder bed fusion, e.g. selective laser melting [SLM] or electron beam melting [EBM]
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B22—CASTING; POWDER METALLURGY
- B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
- B22F10/00—Additive manufacturing of workpieces or articles from metallic powder
- B22F10/30—Process control
- B22F10/36—Process control of energy beam parameters
- B22F10/362—Process control of energy beam parameters for preheating
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B22—CASTING; POWDER METALLURGY
- B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
- B22F10/00—Additive manufacturing of workpieces or articles from metallic powder
- B22F10/30—Process control
- B22F10/36—Process control of energy beam parameters
- B22F10/364—Process control of energy beam parameters for post-heating, e.g. remelting
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B22—CASTING; POWDER METALLURGY
- B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
- B22F10/00—Additive manufacturing of workpieces or articles from metallic powder
- B22F10/30—Process control
- B22F10/36—Process control of energy beam parameters
- B22F10/366—Scanning parameters, e.g. hatch distance or scanning strategy
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B22—CASTING; POWDER METALLURGY
- B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
- B22F12/00—Apparatus or devices specially adapted for additive manufacturing; Auxiliary means for additive manufacturing; Combinations of additive manufacturing apparatus or devices with other processing apparatus or devices
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B22—CASTING; POWDER METALLURGY
- B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
- B22F12/00—Apparatus or devices specially adapted for additive manufacturing; Auxiliary means for additive manufacturing; Combinations of additive manufacturing apparatus or devices with other processing apparatus or devices
- B22F12/10—Auxiliary heating means
- B22F12/13—Auxiliary heating means to preheat the material
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B33—ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
- B33Y—ADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
- B33Y10/00—Processes of additive manufacturing
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B33—ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
- B33Y—ADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
- B33Y30/00—Apparatus for additive manufacturing; Details thereof or accessories therefor
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B33—ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
- B33Y—ADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
- B33Y70/00—Materials specially adapted for additive manufacturing
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
- C22C—ALLOYS
- C22C1/00—Making non-ferrous alloys
- C22C1/04—Making non-ferrous alloys by powder metallurgy
- C22C1/0408—Light metal alloys
- C22C1/0416—Aluminium-based alloys
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
- C22C—ALLOYS
- C22C1/00—Making non-ferrous alloys
- C22C1/04—Making non-ferrous alloys by powder metallurgy
- C22C1/0433—Nickel- or cobalt-based alloys
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
- C22C—ALLOYS
- C22C1/00—Making non-ferrous alloys
- C22C1/04—Making non-ferrous alloys by powder metallurgy
- C22C1/045—Alloys based on refractory metals
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
- C22C—ALLOYS
- C22C19/00—Alloys based on nickel or cobalt
- C22C19/03—Alloys based on nickel or cobalt based on nickel
- C22C19/05—Alloys based on nickel or cobalt based on nickel with chromium
- C22C19/051—Alloys based on nickel or cobalt based on nickel with chromium and Mo or W
- C22C19/055—Alloys based on nickel or cobalt based on nickel with chromium and Mo or W with the maximum Cr content being at least 20% but less than 30%
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
- C22C—ALLOYS
- C22C21/00—Alloys based on aluminium
- C22C21/12—Alloys based on aluminium with copper as the next major constituent
- C22C21/16—Alloys based on aluminium with copper as the next major constituent with magnesium
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
- C22C—ALLOYS
- C22C27/00—Alloys based on rhenium or a refractory metal not mentioned in groups C22C14/00 or C22C16/00
- C22C27/04—Alloys based on tungsten or molybdenum
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
- Y02P10/00—Technologies related to metal processing
- Y02P10/25—Process efficiency
Abstract
本发明公开了一种基于红外线辅助预热的激光增材制造热裂纹敏感性材料的制备方法,该方法在激光增材制造铝基合金、钨基合金、镍基合金等热裂纹敏感性材料过程中采用红外线热源对合金粉末进行预热处理。红外线热源可提高激光待扫描合金粉末预热温度,进行特定区域加热,减小熔池温度梯度并增加凝固时间,从而降低成形热裂纹敏感性材料的热应力集中,降低激光成形过程中铝基合金、钨基合金、镍基合金等材料的热裂倾向,提高了热裂纹敏感性材料激光增材制造成形性和成形件质量。该方法同步提升了成形效率与成形质量,使激光增材制造高质量成形铝基、钨基、镍基合金等热裂纹敏感性材料成为可能。
Description
技术领域
本发明属于激光增材制造技术领域,涉及一种基于红外线辅助预热的激光增材制造热裂纹敏感性材料的制备方法。
背景技术
激光增材制造是基于离散-堆积原理,根据零件三维模型直接制造零件。该方法利用高能激光束熔化金属粉末,逐层快速熔化、凝固堆积生成三维实体,有别于传统的“减材”和“等材制造”,具有生产周期短、原料利用率高、设计自由度高等优点,尤其适用于航空航天产品中的零部件的小批量快速制造。选区激光熔化技术是一种先进的激光增材制造技术,该工艺采用高能激光束作为热源,按照三维CAD切片模型中规划好的扫描路径,对金属粉末床进行逐层扫描,通过快速熔化、凝固,获得模型所设计的金属零件。该方法成形的零件精度较高,表面粗糙度较小。
由于激光成形过程快速冷却凝固,凝固速率达到105K/s,容易导致成形件内部产生较高的热应力,这些热应力累积形成应力集中,导致材料发生变形开裂,对于铝基合金(Al-Cu、Al-Li、Al-Zn等)、钨基合金和镍基合金(Inconel 625、Hastealloy等)等热裂纹敏感性材料,由于激光快速熔化凝固过程中熔池内部大的温度梯度和循环加热,不可避免地会出现熔池内温度分布不均匀的情况,容易产生热应力集中,导致成形件热裂纹形成,从而降低成形件的力学性能。
发明内容
发明目的:本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足,提供一种抑制激光成形过程热裂纹敏感性材料热裂纹形成的激光增材制造热裂纹敏感性材料的制备方法。
为了实现上述目的,本发明采取的技术方案如下:
一种基于红外线辅助预热的激光增材制造热裂纹敏感性材料的制备方法,包括如下步骤:
(1)在激光增材制造成形设备的成形室内,搭建用于预热待成形粉末的红外线热源辅助加热装置;
(2)使用计算机辅助设计软件建立目标零件的三维实体几何模型,然后利用Materialise Magics软件对该模型进行分层切片并规划激光扫描路径,将三维实体离散成一系列二维数据;
(3)将步骤(2)所得出的数据导入激光增材制造成形设备中,对热裂纹敏感性粉末材料进行选区激光熔化成形,在激光成形前,采用红外线热源辅助加热装置,将激光待扫描合金粉末成型区域加热到设定温度;随后再启动激光打印头,按照打印程序将粉末逐层熔化凝固,成形致密均匀的三维实体零件。
具体地,步骤(1)中,所述红外线热源辅助加热装置包括红外线发热管、反射罩、支撑结构以及红外线测温计;所述红外线发热管和反射罩连接,并一同固定在支撑结构上,反射罩角度能够调节,从而将红外加热焦点落在待成形粉末床区域;所述红外线测温计安装于激光增材制造设备的成形室内壁上,用于测定红外加热焦点的温度。
步骤(3)中,所述热裂纹敏感性粉末材料可以为铝基合金粉末,其中,Cu含量为3.6-4.5wt.%,Li含量为0.7-1.1wt.%,Mg含量为0.3-1.0wt.%,Ag含量为0.3-0.8wt.%,Zr含量为0.1-0.2wt.%,余量为Al;所述铝基合金粉末粒径为25~53μm。
步骤(3)中,所述热裂纹敏感性粉末材料也可以为钨基合金粉末,其中,Ni含量为5.8-7.2wt.%,Fe含量为2.0-3.5wt.%,Co含量为0.5-1.0wt.%,余量为W;所述钨基合金的粉末粒径为15~45μm。
步骤(3)中,所述热裂纹敏感性粉末材料还可以为镍基合金粉末,其中,Cr含量为21.3-22.5wt.%,Fe含量为17.8-18.6wt.%,Mo含量为8.4-9.2wt.%,W含量为5.6-6.2wt.%,Co含量为1.0-1.6wt.%,余量为Ni;所述镍基合金粉末粒径为20~47μm。
具体地,当采用铝基合金粉末时,所述红外线热源辅助加热装置对铝基合金粉末的预热温控控制在150~270℃;选区激光熔化成形采用激光功率为250-350W,激光扫描速度为600-1000mm/s,扫描间距为50μm,铺粉厚度为30μm,分区岛状扫描策略。
具体地,当采用钨基合金粉末时,所述红外线热源辅助加热装置对钨基合金粉末的预热温控控制在650~950℃;选区激光熔化成形采用激光功率为375-475W,激光扫描速度为400-600mm/s,扫描间距为50μm,铺粉厚度为50μm,分区岛状扫描策略。
具体地,当采用镍基合金粉末时,所述红外线热源辅助加热装置对镍基合金粉末的预热温控控制在400~500℃;激光熔化成形采用激光功率为300-450W,激光扫描速度为1000-1400mm/s,扫描间距为50μm,铺粉厚度为50μm,分区岛状扫描策略。
具体地,步骤(3)中,所述激光增材制造成形设备采用SLM-150型选区激光熔化设备,包括YLR-500型光纤激光器、激光成形室、自动铺粉系统、保护气氛装置、计算机控制电路系统以及冷却循环系统;在激光成形前通过密封装置将成形腔密封、抽真空并通入高纯Ar气作保护气氛,保持氧含量低于50ppm。
通过对上述铝基合金、钨基合金、镍基合金等热裂纹敏感性材料的成形过程中使用红外线热源加热装置辅助对合金粉末预热处理,可有效地减小熔池内部的温度梯度,减少裂纹形成倾向。一方面,使用高能激光束扫描金属粉末颗粒,由于熔池温度梯度大,冷却速度过快,以柱状枝晶形式生长,凝固时枝晶间形成狭长间隙,液相难以及时回填,加之凝固收缩作用以及熔池中热应力集中,容易形成热裂纹并产生开裂现象。红外线热源辅助加热之后,可减少熔池温度梯度,降低冷却速度,减少热应力累积和应力集中,降低热裂纹倾向。另一方面,较快的冷却速度也会使得元素来不及充分扩散而形成元素偏析,在晶界处产生聚集,增加激光成形材料的热裂纹敏感性。红外线辅助加热的应用使得熔池温度分布均匀,凝固液相时间增加,合金中的元素有足够的时间扩散和液相填充间隙,从而抑制热裂纹形成。从上述两方面可显著地减少激光增材制造热裂纹敏感性材料的开裂可能性,提高成形件的成形性和成形质量。
通过红外线热源与激光增材制造设备相结合,合理设定红外线辅助加热温度,充分考虑并综合调整激光成形工艺参数,可有效减小激光熔池温度梯度,抑制热裂纹萌生,成功制备出成形质量好、综合性能优异的热裂纹敏感性合金材料。
有益效果:
(1)本发明采用红外线热源辅助加热处理来抑制热裂纹敏感性材料激光增材制造热裂纹形成,解决激光成形过程中熔池温度梯度过大和热应力集中的问题,实现对铝基合金、钨基合金、镍基合金热裂纹敏感性合金材料的成形性优化。
(2)本发明的红外线热源辅助加热激光增材制造装置,安装简单,仅需要对现有的激光增材制造设备进行简单改造,并不改变其原有设备的功能与结构,节约设备改造成本,可行性高。
(3)本发明相比于传统的锻造、铸造、粉末冶金等减材等材制备方法,创造性地用激光增材制造技术成形性能优异的热裂纹敏感性材料,极大地提高了成形件的设计自由度,使得拓扑优化、仿生结构设计等复杂结构的高强度合金零件生产制造成为可能。该方法成形的零件主要用于航空航天领域,具有小批量、高成形质量、定制化、结构复杂化等优势,拓宽了激光增材制造热裂纹敏感性合金材料零件的应用领域。
(4)本发明采用红外线热源辅助加热处理,可以类比使用其他的预热方式来激光增材制造热裂纹敏感性合金材料,如电磁加热、电子束加热等,拓宽了激光成形热裂纹敏感性材料的应用领域,有利于推动激光增材制造的广泛应用。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明做更进一步的具体说明,本发明的上述和/或其他方面的优点将会变得更加清楚。
图1为本发明实现激光3D打印过程中使用的红外线热源辅助加热装置示意图。
其中,各附图标记分别代表:1-成形室,2-成形缸系统,3-反射罩,4-红外线发热管,5-支撑结构,6-激光系统,7-红外线测温计,8-粉末床,9-成形零件,10-基板。选区激光熔化成形设备其他部件未列出。
图2为本发明激光3D打印过程中红外线热源辅助加热处理减少裂纹机理图。
图3为实施例1制备的红外线热源辅助加热装置激光成形的铝基合金块体试样光学像。
图4为实施例2制备的红外线热源辅助加热装置激光成形的钨基合金块体试样光学像。
图5为实施例3制备的红外线热源辅助加热装置激光成形的镍基合金块体试样光学像。
图6为对比例1制备的激光增材制造铝基合金试样光学像。
图7为对比例2制备的激光增材制造钨基合金试样光学像。
具体实施方式
根据下述实施例,可以更好地理解本发明。
图1为本发明改造的选区激光熔化成形设备,红外线热源辅助加热装置包括红外线发热管4、反射罩3、支撑结构5以及红外线测温计7。红外线发热管4和反射罩3连接,并一同固定在支撑结构5上,反射罩3角度能够调节,从而将红外加热焦点落在待成形粉末床区域。红外线测温计7安装于激光增材制造设备的成形室1内壁上,用于测定红外加热焦点的温度。
使用时,将红外线发热管4和反射罩3连接起来固定在支撑结构5上,调整反射罩3的角度使焦点落在待成形区域,使用红外线测温计7保持激光待扫描区域的温度在设定的温度范围内。激光增材制造成形过程如下:
(a)铺粉装置将待加工合金粉末铺设在成形基板10上,形成一定厚度的粉末床(8);
(b)激光系统6控制激光选择性扫描粉末床区域,使之快速熔化/凝固,形成实体零件的一层二维平面;之后成形缸系统2带动成形缸整体下移一个粉层厚度,铺粉装置重新铺设一层粉末床;
(c)重复(b)步骤,直至逐层成形得到实体零件9。
图2为本发明减少激光成形热裂纹形成及抑制机制示意图。左图为未采用本发明激光增材制造成形时熔池内部凝固枝晶生长示意图,由于材料本身固有特性和激光快速熔化凝固,激光成形过程中熔池温度梯度大,容易形成粗大树枝晶。右图为本发明激光增材制造成形时熔池内部晶粒生长示意图,在红外线热源加热装置作用下,激光成形熔池内温度梯度减小,热应力明显减小,同时合金元素得到充分扩散,促进细小等轴晶形成,避免熔池液相回填不足和热应力集中而产生的热裂纹。
实施例1
(1)铝基合金成分为Cu含量为3.6-4.5wt.%,Li含量为0.7-1.1wt.%,Mg含量为0.3-1.0wt.%,Ag含量为0.3-0.8wt.%,Zr含量为0.1-0.2wt.%,余量为Al,粉末粒径为25~53μm。
(2)使用计算机辅助设计软件建立目标零件的三维实体几何模型并导出成STL文件,然后利用Materialise Magics软件对该模型进行分层切片,并设定激光扫描路径和激光工艺参数。其中激光工艺参数设定为:激光功率为250-350W,激光扫描速度为600-1000mm/s,扫描间距为50μm,铺粉厚度为30μm,采用分区扫描策略,分区大小5mm,相邻层之间激光填充方向旋转37°。
(3)将步骤(2)得到的切片文件导入改造后选区激光熔化成形设备的计算机控制系统,并使用步骤(1)中的铝基合金粉末置于激光增材制造设备中用于成形,然后通过密封装置将成形腔密封、抽真空并通入高纯Ar气作保护气氛,保证成形室内的氧含量低于50ppm。设置红外线热源加热温度,确保待成形区域预热温度为150~270℃,开启激光器进行成形。
(4)待成形完成后,利用线切割分离成形件与基板,获得铝基合金零件。
按照标准金相试样制备方法对红外线热源辅助加热处理成形的铝基合金块体试样打磨、抛光处理,在光镜下观察如图3所示。红外线辅助加热到高的预热温度,减少了铝基合金激光增材制造过程中熔池温度和低熔点共晶相在晶界处偏聚,减少热应力集中和热裂纹形成,获得了成形致密度为99.3%无裂纹的铝基合金试样。
实施例2
(1)钨基合金成分为Ni含量为5.8-7.2wt.%,Fe含量为2.0-3.5wt.%,Co含量为0.5-1.0wt.%,余量为W,粉末粒径为15~45μm。
(2)使用计算机辅助设计软件建立目标零件的三维实体几何模型并导出成STL文件,然后利用Materialise Magics软件对该模型进行分层切片,并设定激光扫描路径和激光工艺参数。其中激光工艺参数设定为:激光功率为375-475W,激光扫描速度为400-600mm/s,扫描间距为50μm,铺粉厚度为50μm,采用分区扫描策略,分区大小5mm,相邻层之间激光填充方向旋转37°。
(3)将步骤(2)得到的切片文件导入改造后选区激光熔化成形设备的计算机控制系统,并使用步骤(1)中的铝基合金粉末置于激光增材制造设备中用于成形,然后通过密封装置将成形腔密封、抽真空并通入高纯Ar气作保护气氛,保证成形室内的氧含量低于50ppm。设置红外线热源加热温度,确保待成形区域预热温度为650~950℃,开启激光器进行成形。
(4)待成形完成后,利用线切割分离成形件与基板,获得铝基合金零件。
按照标准金相试样制备方法对红外线热源辅助加热处理成形的铝基合金块体试样打磨、抛光处理,在光镜下观察如图4所示。红外线辅助加热到高的预热温度,减少了钨基合金激光增材制造过程中熔池温度梯度,增加了熔体凝固时间,降低了热应力集中和热裂纹形成倾向,获得了成形致密度为99.5%无裂纹的钨基合金试样。
实施例3
(1)镍基合金成分为Cr含量为21.3-22.5wt.%,Fe含量为17.8-18.6wt.%,Mo含量为8.4-9.2wt.%,W含量为5.6-6.2wt.%,Co含量为1.0-1.6wt.%,余量为Ni,粉末粒径为20~47μm。
(2)使用计算机辅助设计软件建立目标零件的三维实体几何模型并导出成STL文件,然后利用Materialise Magics软件对该模型进行分层切片,并设定激光扫描路径和激光工艺参数。其中激光工艺参数设定为:激光功率为300-450W,激光扫描速度为1000-1400mm/s,扫描间距为50μm,铺粉厚度为50μm,采用分区扫描策略,分区大小5mm,相邻层之间激光填充方向旋转37°。
(3)将步骤(2)得到的切片文件导入改造后选区激光熔化成形设备的计算机控制系统,并使用步骤(1)中的铝基合金粉末置于激光增材制造设备中用于成形,然后通过密封装置将成形腔密封、抽真空并通入高纯Ar气作保护气氛,保证成形室内的氧含量低于50ppm。设置红外线热源加热温度,确保待成形区域预热温度为400~500℃,开启激光器进行成形。
(4)待成形完成后,利用线切割分离成形件与基板,获得铝基合金零件。
按照标准金相试样制备方法对红外线热源辅助加热处理成形的铝基合金块体试样打磨、抛光处理,在光镜下观察如图3所示。红外线辅助加热到高的预热温度,减少了镍基合金激光增材制造过程中熔池温度和脆性析出相在晶界处偏析,减少热应力集中和热裂纹形成,获得了成形致密度为99.7%无裂纹的镍基合金试样。
对比例1
对比例1基本步骤与实施例1相同,唯一不同的是未使用红外线热源辅助加热装置,直接对铝基合金粉末进行激光增材制造成形。按照标准金相试样制备方法对铝基合金成形块体试样打磨、抛光处理,在光镜下观察如图6所示。
对比实施例1与对比例1所制得的试样光镜照片,发现未使用红外线热源辅助加热装置对激光增材制造待扫描铝基合金粉末进行预热处理,可以发现成形样品内部产生大量微裂纹,成形试样的致密度为93.7%,成形质量明显下降。这是由于铝基合金凝固温度范围宽,在激光快速熔化凝固过程中熔池内形成大的温度梯度,液相难以及时填充柱状枝晶间隙和柱状晶晶界处低熔点共晶液膜被拉断后产生间隙,在持续应力作用下热裂纹萌生并进一步扩展。
对比例2
对比例2基本步骤与实施例2相同,不同的是未使用红外线热源辅助加热装置,而是采用基板加热方式对钨基合金粉末进行预热处理,然后进行激光成形。按照标准金相试样制备方法对钨基合金成形块体试样打磨、抛光处理,在光镜下观察如图7所示。
对比实施例2与对比例2所制得的试样光镜照片,发现由于激光增材制造预热温度有限,可对靠近基板的钨基合金粉末进行均匀预热,而随着打印高度增加,基板对于上层粉末的预热效果不佳,难以保证预热温度均匀,因此,钨基合金中的热应力难以有效释放,因此,该方法减少微裂纹的效果不明显,仍会出现大量微裂纹,成形致密度为92.6%。
对比例3
对比例3基本步骤与实施例1相同,不同的是实施例1中是将温度控制在150~270℃之间,而对比例3中将温度控制在50℃,然后对合金粉末进行激光成形。在较低的温度下采用红外线热源进行预热处理,激光成形过程中熔池温度梯度仍较大,容易产生热应力集中而形成热裂纹。
对比例4
对比例4基本步骤与实施例1相同,唯一不同的是实施例1中将温度控制在150~270℃之间,而对比例4中将温度控制在450℃,然后对合金粉末进行激光成形,在较高的温度下进行预热,虽然激光成形试样中熔池温度梯度和热应力减小,但过高的预热温度,铝基合金晶粒快速生长,导致成形件组织粗大,不利于获得性能优异的铝基试样。
本发明提供了一种基于红外线辅助预热的激光增材制造热裂纹敏感性材料的制备方法的思路及方法,具体实现该技术方案的方法和途径很多,以上所述仅是本发明的优选实施方式,应当指出,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明原理的前提下,还可以做出若干改进和润饰,这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。
Claims (1)
1.一种基于红外线辅助预热的激光增材制造热裂纹敏感性材料的制备方法,其特征在于,包括如下步骤:
(1)在激光增材制造成形设备的成形室内,搭建用于预热待成形粉末的红外线热源辅助加热装置;
(2)使用计算机辅助设计软件建立目标零件的三维实体几何模型,然后利用Materialise Magics软件对该模型进行分层切片并规划激光扫描路径,将三维实体离散成一系列二维数据;
(3)将步骤(2)所得出的数据导入激光增材制造成形设备中,对热裂纹敏感性粉末材料进行选区激光熔化成形,在激光成形前,采用红外线热源辅助加热装置,将激光待扫描合金粉末成型区域加热到设定温度;随后再启动激光打印头,按照打印程序将粉末逐层熔化凝固,成形致密均匀的三维实体零件;
步骤(3)中,所述热裂纹敏感性粉末材料为铝基合金粉末、钨基合金粉末或者镍基合金粉末中的任意一种;
其中,铝基合金粉末中,Cu含量为3.6-4.5 wt.%,Li含量为0.7-1.1 wt.%,Mg含量为0.3-1.0 wt.%,Ag含量为0.3-0.8 wt.%,Zr含量为0.1-0.2 wt.%,余量为Al;所述铝基合金粉末粒径为25~53 μm;
钨基合金粉末中,Ni含量为5.8-7.2 wt.%,Fe含量为2.0-3.5 wt.%,Co含量为0.5-1.0wt.%,余量为W;所述钨基合金的粉末粒径为15~45 μm;
镍基合金粉末中,Cr含量为21.3-22.5 wt.%,Fe含量为17.8-18.6 wt.%,Mo含量为8.4-9.2 wt.%,W含量为5.6-6.2 wt.%,Co含量为1.0-1.6 wt.%,余量为Ni;所述镍基合金粉末粒径为20~47 μm;
步骤(3)中,所述红外线热源辅助加热装置对铝基合金粉末的预热温控控制在150~270℃;选区激光熔化成形采用激光功率为250-350 W,激光扫描速度为600-1000 mm/s,扫描间距为50 μm,铺粉厚度为30 μm,分区岛状扫描策略;
步骤(3)中,所述红外线热源辅助加热装置对钨基合金粉末的预热温控控制在650~950℃;选区激光熔化成形采用激光功率为375-475 W,激光扫描速度为400-600 mm/s,扫描间距为50 μm,铺粉厚度为50 μm,分区岛状扫描策略;
步骤(3)中,所述红外线热源辅助加热装置对镍基合金粉末的预热温控控制在400~500℃;激光熔化成形采用激光功率为300-450 W,激光扫描速度为1000-1400 mm/s,扫描间距为50 μm,铺粉厚度为50 μm,分区岛状扫描策略;
步骤(1)中,所述红外线热源辅助加热装置包括红外线发热管(4)、反射罩(3)、支撑结构(5)以及红外线测温计(7);所述红外线发热管(4)和反射罩(3)连接,并一同固定在支撑结构(5)上,反射罩(3)角度能够调节,从而将红外加热焦点落在待成形粉末床区域;所述红外线测温计(7)安装于激光增材制造设备的成形室(1)内壁上,用于测定红外加热焦点的温度;
步骤(3)中,所述激光增材制造成形设备采用SLM-150型选区激光熔化设备,包括YLR-500型光纤激光器、激光成形室、自动铺粉系统、保护气氛装置、计算机控制电路系统以及冷却循环系统;在激光成形前通过密封装置将成形腔密封、抽真空并通入高纯Ar气作保护气氛,保持氧含量低于50 ppm。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CN202210343015.2A CN114871450B (zh) | 2022-03-31 | 2022-03-31 | 一种基于红外线辅助预热的激光增材制造热裂纹敏感性材料的制备方法 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CN202210343015.2A CN114871450B (zh) | 2022-03-31 | 2022-03-31 | 一种基于红外线辅助预热的激光增材制造热裂纹敏感性材料的制备方法 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
CN114871450A CN114871450A (zh) | 2022-08-09 |
CN114871450B true CN114871450B (zh) | 2023-12-01 |
Family
ID=82669628
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
CN202210343015.2A Active CN114871450B (zh) | 2022-03-31 | 2022-03-31 | 一种基于红外线辅助预热的激光增材制造热裂纹敏感性材料的制备方法 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
CN (1) | CN114871450B (zh) |
Families Citing this family (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN117680704A (zh) * | 2023-12-12 | 2024-03-12 | 武汉纺织大学 | 一种抑制激光增材制造β-γ型TiAl合金裂纹的方法 |
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN107335803A (zh) * | 2016-04-29 | 2017-11-10 | 中国科学院沈阳自动化研究所 | 一种面向k465镍基高温合金激光增材制造的基板预热装置和预热方法 |
CN110052615A (zh) * | 2018-08-10 | 2019-07-26 | 南方科技大学 | 一种选区激光熔化制备高强铝合金的方法 |
CN111451501A (zh) * | 2020-04-03 | 2020-07-28 | 季华实验室 | 一种基于共晶反应的激光增材制造钨零件的制备方法 |
CN113618084A (zh) * | 2021-08-09 | 2021-11-09 | 中国航空制造技术研究院 | 一种粉末床增材制造系统和粉末床增材制造方法 |
Family Cites Families (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US11260475B2 (en) * | 2017-08-07 | 2022-03-01 | Board Of Regents, The University Of Texas System | Method and system for powder bed fusion additive manufacturing of crack-free aluminum alloys |
-
2022
- 2022-03-31 CN CN202210343015.2A patent/CN114871450B/zh active Active
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN107335803A (zh) * | 2016-04-29 | 2017-11-10 | 中国科学院沈阳自动化研究所 | 一种面向k465镍基高温合金激光增材制造的基板预热装置和预热方法 |
CN110052615A (zh) * | 2018-08-10 | 2019-07-26 | 南方科技大学 | 一种选区激光熔化制备高强铝合金的方法 |
CN111451501A (zh) * | 2020-04-03 | 2020-07-28 | 季华实验室 | 一种基于共晶反应的激光增材制造钨零件的制备方法 |
CN113618084A (zh) * | 2021-08-09 | 2021-11-09 | 中国航空制造技术研究院 | 一种粉末床增材制造系统和粉末床增材制造方法 |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
CN114871450A (zh) | 2022-08-09 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
CN107130124B (zh) | 一种增材制造技术成形高熵合金的方法 | |
CA2794015C (en) | A process for the production of articles made of a gamma-prime precipitation-strengthened nickel-base superalloy by selective laser melting (slm) | |
US5900170A (en) | Containerless method of producing crack free metallic articles by energy beam deposition with reduced power density | |
EP2796229B1 (en) | Methods for forming dispersion-strengthened aluminum alloys | |
CN111360257A (zh) | 一种提升3d打印高强铝合金粉末成形性的方法 | |
CA3042143C (en) | Method, use and apparatus for producing a single-crystalline work piece | |
JP6344004B2 (ja) | 単結晶の製造方法 | |
CN114871450B (zh) | 一种基于红外线辅助预热的激光增材制造热裂纹敏感性材料的制备方法 | |
CN112139649B (zh) | 基于电子束双丝熔丝原位增材制备钛铝金属间化合物的方法 | |
CN113118420B (zh) | 一种超细柱晶高温合金叶片及其激光定向凝固制备方法 | |
Shao et al. | Crystal growth control of Ni-based alloys by modulation of the melt pool morphology in DED | |
CN114309659A (zh) | 一种高温合金激光快速成形系统及成形方法 | |
CN111299583B (zh) | 一种激光增材制造梯度组织钛合金整体构件的方法 | |
CN112981157A (zh) | 选择性激光熔化制备Al-Mg基高强度铝合金的方法 | |
Murr et al. | Electron-beam additive manufacturing of high-temperature metals | |
CN101327515A (zh) | 一种无铅喷金料合金线材的粗线坯加工方法 | |
Cai et al. | Effects of deposition paramaters on the microstructure evolution of wire arc additive manufactured Al–Zn–Mg–Cu alloy | |
Guo et al. | The influence of process parameters and heat treatment on γ′ precipitates of selective electron beam melted Ni-based single-crystal superalloy | |
JP2023031963A (ja) | 立体造形物の製造方法 | |
CN115369290B (zh) | 一种核壳结构增强改性铝合金材料及其制备方法 | |
WO2023140326A1 (ja) | 単結晶または一方向凝固の立体造形物の造形方法 | |
CN117226087A (zh) | 一种基于单材三维尺度异质结构制备的增材制造方法 | |
CN114871451B (zh) | 一种基于激光束整形的高成形性铝合金材料及其制备方法 | |
CN116604033A (zh) | 一种基于脉冲电场同步辅助激光3d打印铝合金的制备方法 | |
CN115625346A (zh) | 一种3d打印稀土改性高强铝合金约束结构的自去除方法 |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
PB01 | Publication | ||
PB01 | Publication | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
GR01 | Patent grant | ||
GR01 | Patent grant |