CN1382558A - 一种激光外延定向凝固技术 - Google Patents
一种激光外延定向凝固技术 Download PDFInfo
- Publication number
- CN1382558A CN1382558A CN 01115228 CN01115228A CN1382558A CN 1382558 A CN1382558 A CN 1382558A CN 01115228 CN01115228 CN 01115228 CN 01115228 A CN01115228 A CN 01115228A CN 1382558 A CN1382558 A CN 1382558A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- laser
- directional freeze
- directional
- solidification
- base material
- 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.)
- Pending
Links
Landscapes
- Crystals, And After-Treatments Of Crystals (AREA)
Abstract
本发明是一种冶金与材料科学领域中定向凝固的方法。为解决现有激光定向凝固技术中存在的试样适用性差的不足,本发明提出了利用激光熔池中的极高温度梯度和激光快速熔凝组织可外延生长的特点,以定向凝固或单晶材料为基材,进行激光多层涂覆,从而实现涂覆层组织的定向凝固。所得到的涂覆层组织细小,致密、定向性好,工艺简单,避免了现有技术中的局限性,可为工程提供不同尺寸和形状,具有定向凝固组织的金属零件。
Description
本发明是一种涉及冶金与材料科学领域中定向凝固的新方法。
定向凝固发展的历史就是提高温度梯度的历史。目前，已经发展的多种定向凝固技术中，第一代的功率降低法(PD法)只能达到2～3K/mm的温度梯度，第二代的高速凝固法(HRS法)把温度梯度提高到7～8K/mm，第三代的液态金属冷却法(LMC法)温度梯度可达到30K/mm。随着温度梯度的提高，定向凝固的凝固速率和冷却速率也相应提高。但即使是液态金属冷却法，其冷却速率仍不够高。低的冷却速率导致粗大枝晶组织的形成，并产生严重的枝晶间元素偏析，限制了材料性能的提高。区域熔化液态金属冷却法(ZMLMC法)是在LMC基础上发展起来的，由于该技术能集中对凝固界面前沿液相进行加热，从而有效地提高了固液界面前沿的温度梯度。但是受加热方式的限制，温度梯度不可能再有很大提高。
自七十年代大功率CO2激光器问世以来，高能激光束作为一种理想、清洁、可控性强的热源在材料的切割、焊接以及各种激光强化技术中发挥了重要的作用。激光能量高度集中的特性，使它具备了作为定向凝固热源时可能获得比现有定向凝固方法高得多的温度梯度的可能性。在传统的定向凝固技术中，通常是通过控制热端和冷端的温差以形成具有一定的温度梯度的拟线性温度场，试样通过该温度场运动以实现定向凝固，而在现有的激光定向凝固技术中，只是将热端的加热热源换成了激光，以提高热端的温度，并且利用激光所具有的热集中性进一步控制缩短热端和冷端的距离，以提高温度梯度。但由于受激光熔池尺寸和材料导热能力的限制，试样的尺寸和形状也受到了限制，而且温度梯度与试样大小有关，在试样较大时，温度梯度也不够高。
激光定向凝固的另外一种类型是利用激光对合金进行表面快速熔凝得到薄带定向凝固组织，对于某些合金(结晶温度间隔较小)，在特定的工艺条件下，熔池的顶部容易实现与激光束扫描方向一致的定向生长，在试样的上表面加喷液氮进行强制冷却，可以在试样上得到一薄层水平方向的定向凝固组织，但这种薄带的定向凝固组织所得到的试件受尺度的限制，不能满足工程上对大体积定向凝固试样的需求。
为了解决现有激光定向凝固技术中存在的由于受材料导热能力的限制而引起的试样适用性差的不足，本发明提出了一种新的激光定向凝固方法。
本发明利用激光熔池中所达到的极高温度梯度，以及激光快速熔凝组织通常呈现外延生长的特点，以定向凝固或单晶材料为基材，进行激光多层涂覆，从而实现涂覆层组织的定向凝固。
本发明所得到的涂覆层组织细小，致密、定向性好。在基材为单晶时，还可以获得具有单晶组织的多层涂覆试样。当把激光定向凝固与快速原型技术结合起来时，可以在不用模具的条件下，快速制造具有定向凝固组织的形状复杂的金属零件，其快速、柔性和性能都优于其他传统定向凝固方法。由于涂覆时，激光直接作用在粉末或丝材上，熔化时基本不受材料本身的导热能力的限制，避免了现有的激光定向凝固技术的局限性，并且该技术对试样大小没有限制，能够为工程提供不同尺寸和形状，具有定向凝固组织的金属零件。
附图为外延激光定向凝固成形系统的示意图
以下结合实施例对本发明做一详细描述。
实施例一
对铜基合金进行外延激光定向凝固成形，利用通常激光熔池中所达到的极高温度梯度，以及激光快速熔凝时凝固组织所具有外延生长的特点，以铜基定向凝固材料为基材，在其择优晶面(001)上进行激光多层涂覆。
涂覆时，采用常规的激光多层涂覆方法：粉末选用铜锰合金粉，粒度为200目。在铜基合金定向凝固基材[8]的择优晶面(100)上进行涂覆，共涂覆10层，高度约为5mm。涂层内细小、致密的定向凝固组织是从基材[8]上外延生长的。涂层组织相比下部的基底组织要细小得多，枝晶一次间距为10～30μm。
所用装置主要由四部分组成：激光器[2]、送粉器[5]、数控工作台[9]和计算机[1]。制造过程采用同步送粉法，利用5kW连续CO2激光器[2]，激光功率大约为3kW，工作台[9]为四轴三联动，带动基板[8]运动；激光经聚焦镜[3]后，在基板[8]上形成激光熔池，激光熔池上有保护气[6]；粉末经送粉器[5]传送，通过喷嘴[4]落入激光熔池中，经快速熔凝得到所需的定向凝固涂覆层[7]。
在涂覆过程中，为保证涂覆每层材料时有相同的光斑尺寸及粉末始终送入激光熔池中，在每涂完一层之后，喷嘴[4]和激光头沿Z轴上升一个距离ΔZ，再涂覆下一层材料。ΔZ的数值与每层涂层的厚度大致相当。
实施例二
实施中，考虑一镍基单晶合金外延激光定向凝固成形，利用激光熔池所达到106K/m的温度梯度，以及激光快速熔凝时凝固组织所具有外延生长的特点，以单晶材料为基材，在其择优晶面(001)上进行激光多层涂覆。
涂覆时，采用常规的激光多层涂覆方法：粉末选用热等静压航空涡轮盘用Rene95粉，粒度为200目。在镍基单晶合金基材的择优晶面(100)上进行涂覆，共涂覆6层，高度约为3mm。涂层组织是从基材上外延生长获得的细小、致密的定向单晶组织。涂层组织相比下部的基底组织要细小得多，枝晶一次间距为10～30μm。
所用装置主要由四部分组成：激光器[2]、送粉器[5]、数控工作台[9]和计算机[1]。制造过程采用同步送粉法，利用5kW连续CO2激光器[2]，激光功率大约为3kW，工作台[9]为四轴三联动，带动基板[8]运动；激光经聚焦镜[3]后，在基板[8]上形成激光熔池，激光熔池上有保护气[6]；粉末经送粉器[5]传送，通过喷嘴[4]落入激光熔池中，经快速熔凝得到所需的定向凝固单晶涂覆层[7]。
在涂覆过程中，为保证涂覆每层材料时，有相同的光斑尺寸及粉末始终送入激光熔池中，在每涂完一层之后，喷嘴和激光头沿Z轴上升一个距离ΔZ，再涂覆下一层材料。ΔZ的数值与每层涂层的厚度大致相当。
Claims (3)
1.一种利用激光进行定向凝固的方法，其特征是：
a.利用激光快速熔凝时凝固组织所具有的外延生长特点实施
定向凝固；
b.在基材上进行激光多层涂覆；
c.以定向凝固或单晶材料为基材。
2.如权利要求1所述的激光定向凝固方法，其特征是采用该方法所获得的材料组织为柱晶或单晶组织。
3.如权利要求1所述激光定向凝固的方法，其特征是多层单道涂覆时，后一层在前一层上堆覆；多层多道涂覆时，先进行多道搭接。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN 01115228 CN1382558A (zh) | 2001-04-24 | 2001-04-24 | 一种激光外延定向凝固技术 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN 01115228 CN1382558A (zh) | 2001-04-24 | 2001-04-24 | 一种激光外延定向凝固技术 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN1382558A true CN1382558A (zh) | 2002-12-04 |
Family
ID=4661805
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN 01115228 Pending CN1382558A (zh) | 2001-04-24 | 2001-04-24 | 一种激光外延定向凝固技术 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN1382558A (zh) |
Cited By (10)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN101994150A (zh) * | 2010-10-15 | 2011-03-30 | 镇江忆诺唯记忆合金有限公司 | 一种控制温度梯度决定定向凝固一次枝晶间距的方法 |
| CN102020457A (zh) * | 2010-11-04 | 2011-04-20 | 西北工业大学 | 一种获得氧化铝基二元共晶熔体生长陶瓷组织形貌的方法 |
| CN102051668A (zh) * | 2010-11-04 | 2011-05-11 | 西北工业大学 | 105K/cm温度梯度定向凝固装置及定向凝固方法 |
| CN102703971A (zh) * | 2012-06-01 | 2012-10-03 | 西北工业大学 | 一种制备Si基二元共晶自生复合材料的方法 |
| CN103862042A (zh) * | 2014-02-21 | 2014-06-18 | 西安交通大学 | 一种激光直接成形超细柱状晶定向生长的方法 |
| CN104947175A (zh) * | 2014-03-27 | 2015-09-30 | 中国科学院金属研究所 | 一种激光3d打印制备单晶高温合金块体材料的方法 |
| CN105108142A (zh) * | 2015-06-18 | 2015-12-02 | 航星利华(北京)科技有限公司 | 一种激光3d打印制备单晶和定向凝固零件的方法 |
| CN106835127A (zh) * | 2017-03-30 | 2017-06-13 | 清华大学 | 一种用于激光熔覆定向凝固合金的强制冷却装置 |
| CN107445170A (zh) * | 2017-09-04 | 2017-12-08 | 大连理工大学 | 一种激光预处理定向凝固提纯金刚线切割硅粉废料的方法 |
| CN107774997A (zh) * | 2017-10-23 | 2018-03-09 | 江西瑞曼增材科技有限公司 | 一种镍基定向高温合金激光定向增材方法 |
-
2001
- 2001-04-24 CN CN 01115228 patent/CN1382558A/zh active Pending
Cited By (14)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN101994150B (zh) * | 2010-10-15 | 2012-07-25 | 镇江忆诺唯记忆合金有限公司 | 一种控制温度梯度决定定向凝固一次枝晶间距的方法 |
| CN101994150A (zh) * | 2010-10-15 | 2011-03-30 | 镇江忆诺唯记忆合金有限公司 | 一种控制温度梯度决定定向凝固一次枝晶间距的方法 |
| CN102020457A (zh) * | 2010-11-04 | 2011-04-20 | 西北工业大学 | 一种获得氧化铝基二元共晶熔体生长陶瓷组织形貌的方法 |
| CN102051668A (zh) * | 2010-11-04 | 2011-05-11 | 西北工业大学 | 105K/cm温度梯度定向凝固装置及定向凝固方法 |
| CN102020457B (zh) * | 2010-11-04 | 2013-05-08 | 西北工业大学 | 一种获得氧化铝基二元共晶熔体生长陶瓷组织形貌的方法 |
| CN102703971B (zh) * | 2012-06-01 | 2015-05-27 | 西北工业大学 | 一种制备Si基二元共晶自生复合材料的方法 |
| CN102703971A (zh) * | 2012-06-01 | 2012-10-03 | 西北工业大学 | 一种制备Si基二元共晶自生复合材料的方法 |
| CN103862042A (zh) * | 2014-02-21 | 2014-06-18 | 西安交通大学 | 一种激光直接成形超细柱状晶定向生长的方法 |
| CN103862042B (zh) * | 2014-02-21 | 2016-04-27 | 西安交通大学 | 一种激光直接成形超细柱状晶定向生长的方法 |
| CN104947175A (zh) * | 2014-03-27 | 2015-09-30 | 中国科学院金属研究所 | 一种激光3d打印制备单晶高温合金块体材料的方法 |
| CN105108142A (zh) * | 2015-06-18 | 2015-12-02 | 航星利华(北京)科技有限公司 | 一种激光3d打印制备单晶和定向凝固零件的方法 |
| CN106835127A (zh) * | 2017-03-30 | 2017-06-13 | 清华大学 | 一种用于激光熔覆定向凝固合金的强制冷却装置 |
| CN107445170A (zh) * | 2017-09-04 | 2017-12-08 | 大连理工大学 | 一种激光预处理定向凝固提纯金刚线切割硅粉废料的方法 |
| CN107774997A (zh) * | 2017-10-23 | 2018-03-09 | 江西瑞曼增材科技有限公司 | 一种镍基定向高温合金激光定向增材方法 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CA2230323C (en) | Method for producing monocrystalline structures | |
| CN107790717B (zh) | 一种实现镍基合金晶体学织构调控的准连续激光金属3d打印方法 | |
| JP3444723B2 (ja) | 単結晶からなる金属部品のコンテナレス型製造方法 | |
| US8333922B2 (en) | Method of producing objects containing nano metal or composite metal | |
| EP1476272B1 (en) | Method of controlled remelting of or laser metal forming on the surface of an article | |
| US7306670B2 (en) | Method for producing monocrystalline structures | |
| CN1382558A (zh) | 一种激光外延定向凝固技术 | |
| CN100494467C (zh) | 一种定向凝固柱晶或单晶镍基高温合金修复或涂层方法 | |
| CN102449208B (zh) | SiC单晶的制造方法 | |
| CN108650883A (zh) | 由金属玻璃增材制造三维物体的方法 | |
| CN108620585A (zh) | 能进行磁场控制和母材输运的增材制造装置 | |
| CN110523986A (zh) | 一种基于选区激光熔化成形大块体铁基非晶的方法 | |
| CN114309659A (zh) | 一种高温合金激光快速成形系统及成形方法 | |
| CN111975006B (zh) | 航空发动机叶片的修复方法 | |
| Liu et al. | laser cladding of Ni-Al bronze on Al alloy AA333 | |
| CN107876763B (zh) | 一种具有定向凝固组织特征的Nb-Si合金制备方法 | |
| CN113953528B (zh) | 一种制备高熵增强非晶合金复合材料的方法 | |
| CN115161583A (zh) | 一种利用纳秒脉冲激光处理非晶合金涂层的方法 | |
| Arai et al. | Spherical sapphire single-crystal synthesis by aerodynamic levitation with high growth rate | |
| JP2003267717A (ja) | シリコンインゴットの製造方法および製造装置 | |
| JP4204823B2 (ja) | スパッタリング用ターゲット、その製造方法及びターゲット部材 | |
| JPH01246718A (ja) | 酸化物超電導材料テープの製造方法 | |
| CN115369290B (zh) | 一种核壳结构增强改性铝合金材料及其制备方法 | |
| Frazier et al. | The melt spinning of gamma titanium aluminides | |
| TM et al. | The synthesis of graded thermal barrier coatings on nickel substrates by laser induced thermite reactions |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |