CN115026309A - 优化激光选区熔化增材镍基高温合金残余应力的原位热处理方法 - Google Patents

优化激光选区熔化增材镍基高温合金残余应力的原位热处理方法 Download PDF

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Abstract

一种优化激光选区熔化增材镍基高温合金残余应力的原位热处理方法，采用交叉重熔的策略，通过激光对一次成形层进行原位二次扫描，二次扫描路径与一次扫描路径相互垂直；同时通过调控在增材过程中铺粉前后的层间旋转角，使得粉末完全熔融，减小三维成形件残余应力同时降低孔隙率；本发明改善成形后翘曲变形程度，使得疲劳性能大幅提升。

Description

优化激光选区熔化增材镍基高温合金残余应力的原位热处理 方法
技术领域
本发明涉及金属增材制造技术领域，具体涉及一种优化激光选区熔化增材镍基高温合金残余应力的原位热处理方法。
背景技术
目前，金属增材制造技术在航空航天、医学等领域有广泛应用，尤其是高温合金，如镍基高温合金GH3536、GH4169等能满足航空航天高温服役条件。在使用激光选区熔化增材高温合金时，由于增材过程涉及复杂热场变化，其快冷快热的特点会在成型零件内部形成复杂的拉应力以及压应力，这会导致零件在服役过程中开裂甚至失效。若通过改变激光功率、扫描速度等热输入参数以调节试样的残余应力，通常会对试样的力学性能带来较大改变，影响其强度和塑性。为降低试样内部的残余应力，通常选择热处理、激光冲击强化等机械控制方式，同时在增材样品时通过激光原位热处理也能降低试样的残余应力，使其直接在增材过程中获得较好的残余应力分布，以节约工艺时长，最大化减小残余应力，同时选择合适的原位热处理方案能大幅降低成形试样的孔隙率。
中国专利(申请号CN202010891102.2，名称为“一种原位热处理提高3D打印镍基高温合金力学性能的方法)针对提高激光3D打印镍基高温合金，使用高低能量密度激光束进行原位热处理，使镍基高温合金力学性能得以提升，但该方法并未具体研究试样残余应力变化。此外中国专利(申请号CN201510875464.1，名称为“一种实现电子束选区熔化增材制造金属零部件原位热处理的方法”)针对电子束选区熔化调节电子束扫描速度、电子束电流、扫描偏移量等实现力学性能的调控，但是该方法并未考虑由于重熔带来的试样残余应力变化。
现有针对镍基高温合金的激光选区熔化成形构件性能和缺陷改善的原位热处理方法主要针对其增材过程中激光功率、扫描速度调节，而通过优化层间旋转角以实现原位热处理，调控残余应力的文献则较为匮乏。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供了一种优化激光选区熔化增材镍基高温合金残余应力的原位热处理方法，降低残余应力、改善成形后翘曲变形程度，同时调控显微组织，降低孔隙率，使得疲劳性能大幅提升。
为了达到上述目的，本发明通过以下的技术方案来实现：
一种优化激光选区熔化增材镍基高温合金残余应力的原位热处理方法，采用交叉重熔的策略，通过激光对一次成形层进行原位二次扫描，二次扫描路径与一次扫描路径相互垂直；同时通过调控在增材过程中铺粉前后的层间旋转角，使得粉末完全熔融，减小三维成形件残余应力同时降低孔隙率。
一种优化激光选区熔化增材镍基高温合金残余应力的原位热处理方法，包括以下步骤：
步骤一、激光选区熔化增材制造成形：先进行一次激光扫描得到一次成形层，激光扫描参数为：激光功率为150-250w，扫描速度为7 00-900mm/s，层厚为0.03mm，扫描间距为0.12mm；随后对一次成形层进行二次激光扫描得到二次成形层，二次激光扫描参数与一次扫描参数一致，二次扫描路径与一次扫描路径相互垂直，实现原位热处理，至此完成一个成形层；
下一个成形层在铺粉后层间采用与上一个成形层成45°的层间旋转角；
步骤二、重复步骤一进行逐层增材，最终形成三维成形件；
步骤三、将三维成形件取出，使用电火花放电切割机将三维成形件从基板上切下，使用砂纸研磨，并使用抛光布进行手动抛光。
本发明和现有技术相比，其有益效果为：
(A)由于本发明采取二次重熔的原位热处理方案，所以具有显著降低成形件孔隙率的优点，与未进行原位热处理方案的成形件对比，孔隙率降低了近96％，消除大部分孔隙，这将直接提升三维成形件的服役寿命，实现疲劳性能的提升。
(B)由于本发明采取原位热处理方案，所以相对于传统后处理方式具有节约制造时间，降低增材制造以及后处理成本的优点，同时相对于其他加工技术具有成型过程影响小的优点。
(C)由于本发明采取成形层的层间旋转角45°，使得翘曲变形程度几乎为0，所以具有大幅降低残余应力的优点，这将大大缓解后续加工中的变形问题。
附图说明
图1为本发明实施例1拱桥三维成形件尺寸图以及翘曲角度测量示意图；其中(a)为拱桥尺寸图；(b)为翘曲角度测量示意图。
图2为本发明实施例1以及对比例1-3的原位热处理方案示意图。
图3为本发明实施例1及对比例的孔隙变化对比图；其中(a) 为实施例1孔隙变化对比图；(b)为对比例1孔隙变化对比图；(c) 为对比例2孔隙变化对比图；(d)为对比例3孔隙变化对比图；(e) 为对比例4孔隙变化对比图。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明作详细描述，实施例以激光选区熔化成型GH3536合金，本发明原位热处理方法可以同时应用到其他金属中。
实施例1，一种优化激光选区熔化增材镍基高温合金残余应力的原位热处理方法，包括以下步骤：
步骤一、激光选区熔化增材制造成形：用计算机CAD软件进行三维建模，得出如图1中图(a)所示的拱桥三维成形件模型，利用激光选区熔化金属增材制造系统切片分层软件对模型进行分层和路径规划；
选用GH3536粉末作为原料，保护气为氩，先进行一次激光扫描得到一次成形层，激光扫描参数为：激光功率为200w，扫描速度为8 00mm/s，层厚为0.03mm，扫描间距为0.12mm；随后对一次成形层进行二次激光扫描得到二次成形层，二次激光扫描参数与一次扫描参数一致，二次扫描路径与一次扫描路径相互垂直，实现原位热处理，至此完成一个成形层；
下一个成形层在铺粉后层间采用与上一个成形层成45°的层间旋转角；
步骤二、重复步骤一进行逐层增材，如图2所示，最终形成拱桥三维成形件；
步骤三、将拱桥三维成形件取出，使用电火花放电切割机将拱桥三维成形件从基板上切下，使用砂纸研磨至2000目，并使用抛光布进行手动抛光，使用Mitutoyo QuickVision拍摄测量拱桥翘曲角度，测量翘曲角度方案如图1(b)所示，取三个翘曲角度的平均值为最终结果，同时使用光学显微镜对增材前后孔隙图进行拍摄，使用灰度值统计法统计孔隙率。
对比例1：进行GH3536合金的拱桥三维成形件激光选区熔化成形，采用与实施例1的步骤1相同的参数，只是下一个成形层在铺粉后层间采用与上一个成形层成15°的层间旋转角。
对比例2：进行GH3536合金的拱桥三维成形件激光选区熔化成形，采用与实施例1的步骤1相同的参数，只是下一个成形层在铺粉后层间采用与上一个成形层成67°的层间旋转角。
对比例3：进行GH3536合金的拱桥三维成形件激光选区熔化成形，采用与实施例1的步骤1相同的参数，只是下一个成形层在铺粉后层间采用与上一个成形层成90°的层间旋转角。
对比例4：进行GH3536合金的拱桥三维成形件激光选区熔化成形，采用与实施例1的步骤1相同的参数，不进行二次激光扫描的原位热处理过程。
表1为本发明实施例1以及对比例1-4的翘曲程度以及孔隙率统计，
表1
Figure RE-GDA0003743334820000061
对比例1、2、3采取原位热处理方案，但成形层的层间旋转角分别为15°、67°、90°，对比实施例1采用的45°层间旋转角方案，实施例1的翘曲变形程度最低，能最大限度消除样品内部残余应力，使得翘曲变形量达到最小；但与对比例2相比孔隙率略有提升，如图 3(a)-(d)，但数值仍然非常低，致密程度已超过沉积态水平。
对比例4未采取原位热处理方案，对比实施例1和对比例4，在增材过程采用原位热处理方案能大大降低成形样品的内部残余应力，使得翘曲变形程度减小约84％，同时大大降低孔隙率，使得微观结果致密，如图3(e)，对比例4孔隙直径大且密集，而实施例1几乎在光镜下观察不到孔隙。
实施例2，将实施例1步骤一中一次、二次激光扫描参数改为：激光功率为250w，扫描速度为900mm/s，其他步骤不变，所得拱桥三维成形件和实施例1的翘曲程度以及孔隙率相近。
实施例3，将实施例1步骤一中一次、二次激光扫描参数改为：激光功率为150w，扫描速度为700mm/s，其他步骤不变，所得拱桥三维成形件和实施例1的翘曲程度以及孔隙率相近。

Claims (3)

1.一种优化激光选区熔化增材镍基高温合金残余应力的原位热处理方法，其特征在于：采用交叉重熔的策略，通过激光对一次成形层进行原位二次扫描，二次扫描路径与一次扫描路径相互垂直；同时通过调控在增材过程中铺粉前后的层间旋转角，使得粉末完全熔融，减小三维成形件残余应力同时降低孔隙率。
2.根据权利要求1所述的一种优化激光选区熔化增材镍基高温合金残余应力的原位热处理方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、激光选区熔化增材制造成形：先进行一次激光扫描得到一次成形层，激光扫描参数为：激光功率为150-250w，扫描速度为700-900mm/s，层厚为0.03mm，扫描间距为0.12mm；随后对一次成形层进行二次激光扫描得到二次成形层，二次激光扫描参数与一次扫描参数一致，二次扫描路径与一次扫描路径相互垂直，实现原位热处理，至此完成一个成形层；
下一个成形层在铺粉后层间采用与上一个成形层成45°的层间旋转角；
步骤二、重复步骤一进行逐层增材，最终形成三维成形件；
步骤三、将三维成形件取出，使用电火花放电切割机将三维成形件从基板上切下，使用砂纸研磨，并使用抛光布进行手动抛光。
3.根据权利要求2所述的一种优化激光选区熔化增材镍基高温合金残余应力的原位热处理方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、激光选区熔化增材制造成形：用计算机CAD软件进行三维建模，得出拱桥三维成形件模型，利用激光选区熔化金属增材制造系统切片分层软件对模型进行分层和路径规划；
选用GH3536粉末作为原料，保护气为氩，先进行一次激光扫描得到一次成形层，激光扫描参数为：激光功率为200w，扫描速度为800mm/s，层厚为0.03mm，扫描间距为0.12mm；随后对一次成形层进行二次激光扫描得到二次成形层，二次激光扫描参数与一次扫描参数一致，二次扫描路径与一次扫描路径相互垂直，实现原位热处理，至此完成一个成形层；
下一个成形层在铺粉后层间采用与上一个成形层成45°的层间旋转角；
步骤二、重复步骤一进行逐层增材，最终形成拱桥三维成形件；
步骤三、将拱桥三维成形件取出，使用电火花放电切割机将拱桥三维成形件从基板上切下，使用砂纸研磨至2000目，并使用抛光布进行手动抛光，使用Mitutoyo Quick Vision拍摄测量拱桥翘曲角度，取三个翘曲角度的平均值为最终结果，同时使用光学显微镜对增材前后孔隙图进行拍摄，使用灰度值统计法统计孔隙率。
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