一种镍基超合金Rene80定向生长柱晶及单晶合金制备及零部件制造方法技术

本发明专利技术是一种镍基超合金Rene80定向生长柱晶及单晶合金制备及零件制造方法，属于激光材料加工领域。所述方法是在大气中进行的，以高能束流作为热源，高能束流的运动通过数控系统控制完成，将载气输送的Rene80粉末流在定向凝固的镍基合金基板上逐层熔化沉积，直接制造具有定向生长挺直柱晶组织/单晶、不同截面形状的镍基超合金及零件。其方法制造的镍基合金Rene80定向生长柱晶及单晶合金零部件可用于舰船、燃气轮机和航空发动机热端件的制造。

【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】本专利技术是一种镍基超合金Rene80定向生长柱晶及单晶合金制备及零件制造方法，属于激光材料加工领域。所述方法是在大气中进行的，以高能束流作为热源，高能束流的运动通过数控系统控制完成，将载气输送的Rene80粉末流在定向凝固的镍基合金基板上逐层熔化沉积，直接制造具有定向生长挺直柱晶组织/单晶、不同截面形状的镍基超合金及零件。其方法制造的镍基合金Rene80定向生长柱晶及单晶合金零部件可用于舰船、燃气轮机和航空发动机热端件的制造。【专利说明】—种镜基超合金Rene80定向生长柱晶及单晶合金制备及零部件制造方法
本专利技术涉及一种定向生长柱晶及单晶合金制备及零部件制造方法，具体是指一种采用连续输送的粉末逐层沉积、制造任意形状具有定向生长柱晶及零部件的制造方法。
技术介绍
定向凝固是利用合金凝固时晶粒沿热流相反方向生长的原理，控制热流方向，使铸件沿规定方向结晶的铸造技术。普通铸件一般均由无一定结晶方向的多晶体组成。定向凝固技术最突出的成就是在航空工业中的应用。采用定向凝固技术可以生产具有优良的抗热冲击性能、较长的疲劳寿命、较好的蠕变抗力和中温塑性的薄壁空心涡轮叶片。定向凝固/单晶合金由于减少了与主应力轴方向垂直的横向晶界，显著提高了材料的高温蠕变及持久性能，可以延长航空发动机、燃气涡轮叶片以及舰船叶片等关键部件的使用寿命，因而是航空发动机等高温部件的首选材料。单晶零件制造技术已经成为推重比10以上的高性能发动机关键制造技术之一。以定向凝固Rene80合金材料为例，其拉伸性能和蠕变寿命与普通铸造Rene80合金相比分别提高了 10_15%和1_3倍。而单晶合金与定性凝固合金相比，价格较高，性能没有显著提高，只是消除了横向晶界。传统的定向凝固/单晶合金零件采用铸造的方法制造。以单晶叶片为例，整个铸件由一个晶粒组成。是继定向凝固铸造高温合金之后，进一步提高合金强度和使用温度的一条途径。单晶叶片铸件的理想组织是叶根、叶身和叶冠，都由毫无缺陷的多相单晶体组成。晶体取向应是〈100〉方向，并与叶片主应力轴方向之间的偏离不应大于10度。单晶铸件可以用与定向凝固相同的设备和工艺制备，与定向凝固铸件的区别只在于在水冷底盘的上部加入选晶器或仔晶，以便控制单一晶体进入铸件。20世纪90年代末期,瑞士联邦工学院Gaeumann等人专利技术了激光金属外延成形技术(E-LMF)，该技术中以单晶镍基合金CMSX-4为基板，以C02激光为热源，向激光与基板相互作用区连续送入并熔化化学组成为单晶合金成分的CMSX-4粉末，实现了 CMSX-4单晶合金的制备，并成功用于单晶叶片的修复。但是无论定向凝固叶片还是单晶叶片铸造生产的主要问题就是制造时间长，成品率低。以激光为热源采用定向凝固基板和定向凝固材料直接制备单晶和制造单晶零部件在世界上还没有先例。
技术实现思路
本专利技术的目的是，提供一种以高能数流为热源采用连续输送的粉末逐层沉积、制备具有定向生长柱晶及单晶合金及制造任意形状具有定向生长柱晶及单晶零部件的制造方法。通过高能束流的热作用，粉末流在定向凝固的镍基合金基板上逐层熔化沉积，制备具有定向生长柱晶及单晶合金及直接制造具有定向生长挺直柱晶组织/单晶、不同截面形状的镍基超合金Rene80零件。制备的单晶合金其失配角小于10°。此方法制造的镍基合金ReneSO定向生长柱晶及单晶合金零部件可用于舰船、燃气轮机和航空发动机热端件的制造。本专利技术的ReneSO定向生长柱晶及单晶合金零部件是这样实现的:所述方法是在大气中进行的，以高能束流作为热源，高能束流的运动通过数控系统控制完成，将载气输送的ReneSO粉末流在定向凝固的镍基合金基板上逐层熔化沉积，直接制备具有定向生长挺直柱晶组织/单晶的合金，或者直接制造具有定向生长挺直柱晶组织/单晶、不同截面形状的镍基超合金Rene80零件。所述的ReneSO定向生长柱晶及单晶合金制备及零部件制造方法，其特征在于:所述设备包括:A.一高能束流采用激光束、电子束或等离子束作为热源；B.一块定向凝固镍基合金基板；C.一套输送Rene80粉末的粉末输送系统:包括送粉器和送粉喷嘴；其中送粉喷嘴的功能包括水冷系统、送气系统、送粉系统等；合金制备或者零件建造过程均在大气中完成，零件建造过程中液态熔池的保护仅仅通过送粉喷嘴向激光与材料相互作用区输送粉末的同时输送保护气体来实现；具体方法包括下列步骤，第一步:将粒度为-200目~+325目的Rene80粉末放入送粉器；第二步:采用夹紧装置将定向凝固的镍基合金底板夹紧，放在工作台上；第三步:将氩气通入送粉器中作为粉末输送的载气和送粉喷嘴中作为保护气体输出；第四步:首先开启送气、送粉装置，然后开动高能束流。这时粉末被连续送入激光与基板的相互作用区并进入激光与基板相互作用形成的熔池中；高能束流光源沿着要建零件的CAD模型断面轨迹扫描，将同步输送的ReneSO粉末逐层熔化沉积在定向凝固的镍基合金板上，制备具有定向生长柱状晶组织的不同形状及尺寸的ReneSO零件；定向生长柱晶及单晶合金制备过程中，激光功率、送粉量、激光进给速度决定了激光加工过程中的热输入量、单道熔覆线的宽度和高度、激光扫描策略和z轴位移量。上述参数的范围分别是:激光功率:400-1200W，送粉量:8-12g/分，激光进给速度:200-600mm/分，z轴位移量:100-500um/次。Rene80定向生长柱晶及单晶合金制备和零部件制造系统图如图1所示。这里z轴位移量尤为重要，它需要把激光加工过程中出现的转向枝晶或者等轴晶完全熔掉，这样当前熔池凝固的底板具有定向生长的特点，激光立体成形过程中成形件内不同区域的分布示意图如图2所示。本专利技术的Rene80定向生长柱晶及单晶合金制备和零部件制造的优点是:所专利技术可以用于制备ReneSO定向生长柱晶及单晶合金，也可以直接制造具有定向生长挺直柱晶组织/单晶、不同截面形状的镍基超合金ReneSO零件。制备过程不需要模具，使用高能量密度的高能束流将Rene80粉末快速熔化、快速凝固，能够在液-固界面前沿建立并维持高的沿生长方向的温度梯度，实现镍基合金的定向生长，从而可制备出具有挺直柱晶组织/单晶的合金以及不同截面形状的镍基超合金Rene80 零件。该制备方法在大气中进行，却通过送粉喷嘴的结构设计实现对液态熔池的以及制备的合金材料的保护。有效防止了液态熔池的氧化、氮化。该制备方法还可以大幅度缩短钛合金零件生产制造周期、降低生产制造成本、提高材料的利用率。专利技术原理激光熔覆成形过程中，母材作为冷端，造成熔池液固界面处温度梯度和凝固速度均较大，因而液态熔池内枝晶的生长均为外延生长。影响液态熔池内枝晶生长方向的主要因素有材料的择优取向、热流方向和底板的晶体取向。液态熔池内枝晶的生长总是垂直于液固界面、与热流的方向相反。当底板的择优取向与热流的方向相同时，液态熔池内枝晶的生长就会沿着则有取向的方向进行。当底板的择优取向与热流的方向不同时，液态熔池内枝晶的生长就会沿着与热流方向成一定的角度方向进行。定向生长柱晶及单晶合金制备过程中获得的成形件显微组织除了从基板处外延生长的定向凝固组织，成形件顶端由于温度梯度低，凝固速度较快，容易发生柱状晶向等轴晶的转变或在顶部出现平行扫描方向的转向枝晶本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种镍基超合金Rene80定向生长柱晶及单晶合金制备及零件制造方法，其特征在于：所述方法是在大气中进行的，以高能束流作为热源，高能束流的运动通过数控系统控制完成，将载气输送的Rene80粉末流在定向凝固的镍基合金基板上逐层熔化沉积，直接制备具有定向生长挺直柱晶组织/单晶的合金，或者直接制造具有定向生长挺直柱晶组织/单晶、不同截面形状的镍基超合金Rene80零件。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：张冬云，李志波，赵恒，吴瑞，
申请(专利权)人：北京工业大学，
类型：发明
国别省市：