CN115283702B - 激光能量沉积高温合金各向异性和裂纹抑制方法和装置 - Google Patents
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Abstract
公开了激光能量沉积高温合金各向异性和裂纹抑制方法和装置,所述方法包含:在制造成形前,采用碳中波红外辐射加热装置为基板提供300~600℃恒定预热温度;增材制造过程中,利用高频感应加热装置在成形区域产生变化磁场,同时在交变磁场作用下凝固层和基板内部产生感应涡流,提供加热至200~300℃。利用多级磁场和热源协同作用降低成形过程中冷却速度,实现柱状晶到等轴晶的转变、细化晶粒、抑制气孔和裂纹产生,消除组织和力学性能的各向异性。该方法可以实现激光定向能量沉积成形镍基高温合金高品质、无缺陷成形,同时也可以应用于电弧和电子束增材制造工艺。
Description
技术领域
本发明涉及增材制造领域,具体地涉及激光能量沉积高温合金各向异性和裂纹抑制方法和装置。
背景技术
金属增材制造成形原理是由热源作用于粉末材料,根据扫描路径进行逐点扫描、逐线/逐层搭接,可以实现零件近净成形。目前金属增材制造主流应用技术有激光粉末床熔融技术、激光定向能量沉积技术、电子束粉末床熔融技术及电弧熔融技术等。镍基高温合金是一种在高温条件下具有高强度、抗氧化能力好、蠕变强度和持久强度好以及抗燃气腐蚀能力的材料。为满足高温抗氧化和抗腐蚀的要求,加入了大量的强化元素,来保证其优越的高温性能。镍基高温合金凭借其优异的综合性能,被广泛应用于航空航天领域、汽车通讯领域、船舶制造领域等。金属增材制造对于镍基高温合金的制备具有独特的优势,如制造周期短、成本低、性能良好及成形复杂度高等特点,有望实现航空发动机热端部件制备。因此,金属增材制造在高温合金领域有较大应用前景。目前,微裂纹和组织性能的各向异性是限制金属增材制造应用的重要因素,抑制增材制造的微裂纹和各向异性是目前研究的一大热点。
发明内容
本发明提供一种抑制激光定向能量沉积镍基高温合金各向异性和裂纹的方法,改善增材制造零件成形过程的冷却速度、消除应力集中,抑制裂纹产生,解决了成形零件明显的组织性能各向异性问题。
根据本发明实施例的第一方面,提供一种激光能量沉积高温合金各向异性和裂纹抑制方法,包括:在零件成形之前通过碳中波红外辐射加热装置为基板提供高温预热消除因所述基板与金属液滴之间的温差引起裂纹缺陷;在零件成形过程中,碳中波红外辐射加热装置继续对所述基板加热,同时高频感应加热装置在零件的凝固层提供水平方向上变化磁场和电场强度,以折断柱状晶的生长、细化晶粒,实现等轴晶的转变,同时为凝固部分内部产生感应涡流热,降低制造过程中冷却速度,消除应力集中和微观裂纹的产生。
根据本发明实施例的第二方面,提供一种激光能量沉积高温合金各向异性和裂纹抑制装置,包括;碳中波红外辐射加热装置,其与基板连接在零件成形之前和成形过程中为对所述基板进行加热消除因所述基板与金属液滴之间的温差引起裂纹缺陷;以及高频感应加热装置,其在零件成形过程中在凝固层提供水平方向上变化磁场和电场强度,以折断柱状晶的生长、细化晶粒,实现等轴晶的转变,同时为凝固部分内部产生感应涡流热,降低制造过程中冷却速度,消除应力集中和微观裂纹的产生。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案,下面将对实施例的附图作简单地介绍。
图1为本发明一实施例提供的一种抑制激光定向能量沉积镍基高温合金各向异性和裂纹的装置示意图。
图2为本发明一实施例提供的高频感应加热装置、基板以及零件局部图。
图3为本发明一实施例提供的碳中波红外辐射加热装置示意图。
图4为本发明一实施例提供的利用本发明方法成形的高温合金组织形貌。
具体实施方式
针对增材制造的成形件内部微裂纹缺陷、组织和性能各向异性、成形件与基板开裂、界面差等问题,本发明提出激光能量沉积镍基高温合金各向异性和裂纹抑制方法和装置,将碳中波红外辐射加热和高频感应加热两种加热原理与增材制造加工系统合理复合在一起。通过碳中波红外辐射加热装置调节基底部分的冷却速度,提升高温合金与基板的结合能力。同时通过高频感应加热装置,在成形件的凝固层提供水平方向上变化磁场和电场强度,有利于改善液态金属流动且铺展,以折断柱状晶的生长,细化晶粒,实现等轴晶的转变,同时为凝固部分内部产生感应涡流热,降低制造过程中冷却速度,消除应力集中和微观裂纹的产生。
碳中波红外辐射加热是红外辐射器发出的红外光被所加热材料以分子共振的形式吸收,从而达到对加热材料进行加热的目的。碳中波红外辐射加热结合了优质石英管材和碳纤维加热的优点,具有稳定、热量密度较高的加热热源。碳中波红外辐射加热易于控制,具有迅捷的反应时间,降温也迅速。碳中波红外辐射能够直接对物体进行加热,避免了传统加热方式中热源和加热对象之间热量传递时的损耗问题。红外辐射器采用近红外短波卤素型加热灯管,可将电能的90%转化成热能。这种红外辐射器易于安装、成本低、容易更换。
高频感应加热原理是一种利用交变电流产生的交变磁场,使金属产生感应涡流,受焦耳热的影响,金属在短时间内产生较高的温度。高频感应加热装置可以根据被加工件的体积而设计,可以实现精准加热控制,还具有操作简单、成本低、无污染等特点。碳中波红外辐射加热和高频感应加热应用金属增材制造,能够抑制激光定向能量沉积镍基高温合金各向异性和裂纹,实现无缺陷高质量成形。
如图1,能够抑制激光定向能量沉积镍基高温合金各向异性和裂纹的增材制造加工系统包括机械手1、送粉装置2、激光器3、高频感应加热装置4、旋转工作台5、底座6、碳中波红外辐射加热装置10、基板16。机械手1、送粉装置2、激光器3、旋转工作台5、底座6、基板16的组织安排及相互配合关系属于现有技术。
如图2,高频感应加热装置4包括感应加热电源8、连接板9、第一加热线圈12、隔层13、第二加热线圈14。基板16通过连接板9设置在旋转工作台5上。第一加热线圈12围绕成形零件布置,第二加热线圈14围绕基板16布置,线圈12、14通过隔层13隔离。感应加热电源8通过电缆7连接加热线圈12、14。在一种实施方式中,感应加热电源8频率可为1000Hz,输出电流可为20A。
如图3,碳中波红外辐射加热装置10的碳中波红外加热管15与基板16连接。在一种实施方式中,碳中波红外辐射加热管的单孔直径可为灯丝的温度约600℃,响应时间为1~2s,峰波长为2μm,功率密度50W/cm,加热长度与基板16长度一致。
利用碳中波红外辐射加热装置10为基板16提供高温预热,高频感应加热装置4在零件成形过程中产生的变化磁场,在凝固部分内部产生感应涡流热,降低制造过程中冷却速度,在变化磁场的作用下抑制柱状晶的生长和应力集中,消除裂纹扩展的动力。
上述增材制造加工系统加工零件过程如下:
(1)首先,对要打印的零件11进行三维建模,然后切片处理,设计好加工工艺参数以及以及成形轨迹,采用旋转67°的扫描策列。
(2)启动碳中波红外辐射加热装置10,调整好基板16的加热温度约为600℃左右,为增材制造成形高温合金调控一定温度场,消除因基板16与金属液滴之间的温差引起裂纹缺陷。
(3)启动高频感应加热装置4,感应加热电源8频率为1000Hz,输出电流为20A。高频感应加热装置作用在零件水平方向,产生的磁场强度0.2T~0.5T。
(4)启动机械手1、送粉装置2以及激光器3,把加工零件的模型加载到成形系统中,开始由热源作用于粉末材料,根据扫描路径进行逐点扫描、逐线/逐层搭接,可以实现零件成形。成形过程中,由碳中波红外辐射加热基板和高频加热感应器的磁场、电场以及表面的涡流加热的协同作用,制备出等轴晶组织的、无裂纹的高温合金零件,图4示出了一种利用本发明方法成形的镍基高温合金组织形貌图。高频感应加热侧重于抑制柱状晶形成,红外加热为基板提供预热,防止底部裂纹产生。
Claims (8)
1.一种激光能量沉积高温合金各向异性和裂纹抑制方法,其特征在于,包括:在制造成形前通过碳中波红外辐射加热装置为基板提供恒定预热温度消除因所述基板与金属液滴之间的温差引起裂纹缺陷;在增材制造过程中,碳中波红外辐射加热装置继续对所述基板加热,同时高频感应加热装置在零件的凝固层提供水平方向上变化磁场和电场强度,以折断柱状晶的生长、细化晶粒,实现等轴晶的转变,同时为凝固部分内部产生感应涡流热,降低制造过程中冷却速度,消除应力集中和微观裂纹的产生,所述高频感应加热装置包括感应加热电源以及与其连接的第一加热线圈、第二加热线圈,所述第一加热线圈围绕成形零件布置,所述二加热线圈围绕所述基板布置。
2.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述碳中波红外辐射加热装置加热温度为300~600℃。
3.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述高频感应加热装置产生的磁场强度0.2T~0.5T。
4.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述感应加热电源频率为1000Hz,输出电流为20A。
5.一种激光能量沉积高温合金各向异性和裂纹抑制装置,其特征在于,包括;
碳中波红外辐射加热装置,其与基板连接在制造成形前通过碳中波红外辐射加热装置为基板提供恒定预热温度消除因所述基板与金属液滴之间的温差引起裂纹缺陷;以及
高频感应加热装置,其在增材制造过程中在凝固层提供水平方向上变化磁场和电场强度,以折断柱状晶的生长、细化晶粒,实现等轴晶的转变,同时为凝固部分内部产生感应涡流热,降低制造过程中冷却速度,消除应力集中和微观裂纹的产生,所述高频感应加热装置包括感应加热电源以及与其连接的第一加热线圈、第二加热线圈,所述第一加热线圈围绕成形零件布置,所述二加热线圈围绕所述基板布置。
6.根据权利要求5所述的装置,其特征在于,所述碳中波红外辐射加热装置加热温度为600℃。
7.根据权利要求5所述的装置,其特征在于,所述高频感应加热装置产生的磁场强度0.2T~0.5T。
8.根据权利要求5所述的装置,其特征在于,所述感应加热电源频率为1000Hz,输出电流为20A。
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