一种抑制激光增材制造镍基高温合金热裂纹的方法技术

本发明专利技术公开了一种抑制激光增材制造镍基高温合金热裂纹的方法，包括：S1、将预合金化镍基高温合金粉末在真空环境下烘干；S2、开始进行激光增材制造块体试样并调控激光增材制造块体试样的工艺参数；S3、将块体试样从基板分离，测试激光增材制造镍基高温合金的裂纹率、残余应力、致密度及成形表面粗糙度。本发明专利技术通过调控在激光增材制造块体试样成形中的激光功率、扫描速度、扫描间距以及层间激光扫描转角等工艺参数，可以改善最终制备得到的激光增材制造镍基高温合金的显微组织结构，使得激光增材制造镍基高温合金的裂纹率下降高达93.4%，致密度超过99.8%，成形上表面粗糙度超过Ra0.45μm，残余应力超过60.66Mpa；建立了高致密度、无裂纹的激光增材制造镍基高温合金的加工窗口。加工窗口。加工窗口。

A method to suppress the hot crack of nickel base superalloy produced by laser additive

【技术实现步骤摘要】
一种抑制激光增材制造镍基高温合金热裂纹的方法


[0001]本专利技术涉及高温合金3D打印的
，特别涉及一种抑制激光增材制造镍基高温合金热裂纹的方法。

技术介绍

[0002]高性能航空发动机是决定飞机使用性能和经济性能的关键因素，其中高温合金是制造航空发动机热端部件的关键材料。镍基高温合金具有优秀的抗氧化性和耐蚀性，主要用于制备航空发动机部件以及其他在高温环境中服役的零部件，是应用最广泛的高温合金之一。增材制造技术（3D打印技术）是计算机、材料、高能束等多学科交叉的新型快速成形技术，适合于具有复杂结构、内腔结构等特征新产品的快速研发。激光增材制造技术相比于传统的减材制造技术和其他增材制造技术具有更强的复杂形状零件直接成型能力和难加工合金材料成型能力，成型零件质量更高，制造过程所产生的废料也比传统工艺少很多。随着激光增材制造技术的快速发展及技术优势，航空发动机零部件的设计自由度增大，可以实现部件的一体化设计及增材制造成形，节省了大量的制造周期和成本，使激光增材制造技术被广泛地应用于航空航天领域。
[0003]然而，由于激光增材制造过程中的快热快冷，温度梯度大，热应力高，以及镍基高温合金自身的高裂纹敏感性，使其在激光增材制造过程中容易产生变形、开裂等缺陷。因此，有效控制合金开裂是获得高性能增材制造镍基高温合金构件的关键。目前国内外在激光增材制造镍基高温合金的裂纹形成机理和裂纹抑制方面进行了大量研究，其中的裂纹类型包括：在凝固后期由于晶界处的残余液相受到拉应力作用，导致晶界处的液膜分离而形成的凝固裂纹；凝固过程中由于晶界处元素偏析形成低熔点共晶体，在随后的热循环过程中形成晶间液膜，在拉伸应力作用下被拉开形成的液化裂纹；在高温低塑温度区间，由于晶间析出相或碳化物在柱状晶平直晶界处导致应力集中而产生的高温失塑裂纹；以及沉淀强化型镍基高温合金在时效过程中析出强化相时，相变收缩应力引起的应变超过合金塑性所形成的应变时效裂纹。通过在预合金化粉末中掺杂细化剂（如TiC、TiB2等），使得激光增材制造镍基高温合金时晶粒细化，从而抑制裂纹的萌生与扩展的研究，在近年来受到了广泛关注。但是，大量外来元素或颗粒的添加会导致合金与标准成分出现较大偏差，而镍基高温合金的合金化程度越高，杂质的耐受性越低，细化剂的加入可能导致使用过程中存在潜在的安全问题。

技术实现思路

[0004]本专利技术的主要目的在于针对现有技术的上述缺点与不足，提出了一种抑制激光增材制造镍基高温合金热裂纹的方法。该方法通过调控成形工艺参数来改善材料的显微组织结构，使得激光增材制造镍基高温合金的裂纹率下降93.4%，致密度超过99.8%，成形上表面粗糙度超过Ra0.45；建立了高致密度、无裂纹的激光增材制造镍基高温合金的加工窗口。
[0005]本专利技术的第一方面，提出了一种抑制激光增材制造镍基高温合金热裂纹的方法，
包括以下步骤：S1、将预合金化镍基高温合金粉末在真空环境下烘干；S2、将烘干后的预合金化镍基高温合金粉末放入送粉器中，激光增材制造成形仓内充入氩气作为惰性保护气体，待成形仓内氧含量降至80ppm后开始进行激光增材制造块体试样并调控激光增材制造块体试样的工艺参数；S3、将块体试样从基板分离，测试得到激光增材制造镍基高温合金的裂纹率、残余应力、致密度以及成形表面粗糙度。
[0006]在本专利技术的一些实施方式中，步骤S1中，所述在真空环境下烘干为：在100～150℃的真空环境下烘干4～8h。
[0007]在本专利技术的一些实施方式中，步骤S2中，所述激光增材制造块体试样采用选区激光熔化工艺，所述激光器为光纤激光器，激光扫描策略采用层间旋转扫描；激光扫描路径采用平行交错扫描和/或平行往复扫描。
[0008]在本专利技术的一些实施方式中，步骤S2中，所述层间旋转扫描的层间转角为0
°
、90
°
或者67
°
中的任何一种，优选为67
°
；本专利技术通过转变层间激光扫描转角，改变成形过程中层间的热流方向，破坏熔道中沿成形方向的温度梯度，从而降低试样内的残余热应力，减少热裂纹的萌发。
[0009]在本专利技术的一些实施方式中，步骤S2中，调控激光增材制造块体试样成型中调控的工艺参数为：激光功率为100～500W，扫描速度为300～2500mm/s，扫描间距为20～120μm；光斑直径为50～100μm，抬升量为0.3～0.6μm，搭接率为30%～80%。一方面，通过匹配激光功率和扫描速度来调控激光的熔道形貌，从而控制枝晶的生长规律，提高晶粒的协调变形能力，改善由于晶界处应力集中导致的开裂；另一方面，通过匹配激光功率、扫描速度和扫描间距来调控相邻熔道的重叠率，使得激光增材制造的热循环过程中形成更多液相充分回填，愈合裂纹。
[0010]在本专利技术的一些实施方式中，步骤S2中，所述激光增材制造块体试样的P/V为0.2～1.0J/mm。
[0011]在本专利技术的一些实施方式中，步骤S3中，所述激光增材制造镍基高温合金的裂纹率CR根据ImageJ和/或IPP图形分析软件统计下降93.4%。
[0012]在本专利技术的一些实施方式中，步骤S3中，所述激光增材制造镍基高温合金的致密度根据阿基米德排水法测量超过99.8%。
[0013]在本专利技术的一些实施方式中，步骤S3中，所述激光增材制造镍基高温合金的成形上表面粗糙度Ra根据Rtec MFT
‑
5000多功能摩擦磨损试验机测量为Ra0.45～45μm。
[0014]在本专利技术的一些实施方式中，步骤S3中，所述激光增材制造镍基高温合金的成形残余应力根据维氏显微压痕法测量为60.66～400Mpa。
[0015]与现有技术相比，本专利技术具有以下的有益效果：本专利技术通过调控在激光增材制造块体试样成形中的激光功率、扫描速度、扫描间距以及层间激光扫描转角等工艺参数，可以改善最终制备得到的激光增材制造镍基高温合金的显微组织结构，使得激光增材制造镍基高温合金的裂纹率下降高达93.4%，致密度超过99.8%，成形上表面粗糙度超过Ra0.45，残余应力超过60.66Mpa；从而建立了高致密度、无裂纹的激光增材制造镍基高温合金的加工窗口。
附图说明
[0016]图1为本专利技术的实施例1、2、3、4和对比例1、2的激光增材制造镍基高温合金的成形策略示意图。
[0017]图2为本专利技术的实施例1、2、3、4和对比例1、2的Hastelloy X预合金化镍基高温合金粉末的粒径分布图。
[0018]图3为本专利技术的实施例1、2、3、4和对比例1、2的Hastelloy X预合金化镍基高温合金粉末的SEM照片。
[0019]图4为本专利技术的实施例1的激光增材制造镍基高温合金的OM照片。
[0020]图5为本专利技术的实施例2的激光增材制造镍基高温合金的OM照片。
[0021]图6为本专利技术的实施例3的激光增材制造镍基高温合金的OM照片。
[0022]图7为本专利技术的实施例4的激光增材制造镍基高温本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种抑制激光增材制造镍基高温合金热裂纹的方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、将预合金化镍基高温合金粉末在真空环境下烘干；S2、将烘干后的预合金化镍基高温合金粉末放入送粉器中，激光增材制造成形仓内充入氩气作为惰性保护气体，待成形仓内氧含量降至80ppm后开始进行激光增材制造块体试样并调控激光增材制造块体试样的工艺参数；S3、将块体试样从基板分离，测试得到激光增材制造镍基高温合金的裂纹率、残余应力、致密度以及成形表面粗糙度。2.根据权利要求1所述的抑制激光增材制造镍基高温合金热裂纹的方法，其特征在于，步骤S1中，所述在真空环境下烘干为：在100～150℃的真空环境下烘干4～8h。3.根据权利要求1或2所述的抑制激光增材制造镍基高温合金热裂纹的方法，其特征在于，步骤S2中，所述激光增材制造块体试样采用选区激光熔化工艺，所述激光器为光纤激光器，激光扫描策略采用层间旋转扫描；激光扫描路径采用平行交错扫描和/或平行往复扫描。4.根据权利要求3所述的抑制激光增材制造镍基高温合金热裂纹的方法，其特征在于，步骤S2中，所述层间旋转扫描的层间转角为0
°
、90
°
或者67
°
中的任何一种，优选为67
°
。5.根据权利要求1或3所述的抑制激光增材制造镍基高温合金热裂纹的方法，其特征在于...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡云龙，胡军，兰存晓，张强，李卫，
申请(专利权)人：暨南大学，
类型：发明
国别省市：