CN103862042B - 一种激光直接成形超细柱状晶定向生长的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种激光直接成形超细柱状晶定向生长的方法，其特征在于，采用定向凝固基板加热方式，同时在工艺上采用小功率、小的单层提升量，控制激光直接成形柱状晶定向生长，解决了激光直接成形定向凝固技术中存在的部分柱状晶定向生长不连续或转向生长的问题。采用基板加热的方式，虽然适当降低了激光熔池内的温度梯度，但依然控制柱状晶定向生长区间保持足够大的正温度梯度，满足柱状晶生长所需的过冷度。而且基板加热使熔池温度升高，熔池的表面张力减小，整个熔池形态更加平铺，更有利于柱状晶的生长。为激光直接成形制备不同尺寸和形状的定向凝固组织的金属零件提供了技术基础。
Description
技术领域
本发明涉及激光增材制造技术，特别涉及一种激光直接成形和基板加热复合制备连续定向柱晶组织的方法，主要用于解决激光直接成形定向凝固技术中存在的定向柱状晶组织生长不连续的问题。
背景技术
3D打印技术作为颠覆传统制造业的新技术，被视为第三次工业革命，在世界范围内掀起了研究和应用的热潮。激光直接成形LDF(LaserDirectForming)是3D打印技术中最具潜力的一种，它是基于快速原型技术和激光熔覆技术而发展起来的一种柔性的先进制造方法。其集成了激光熔覆技术和快速原型技术的优点，可直接制造出具有复杂外形和良好力学性能的全致密三维实体金属零件，具有制造速度快、生产周期短、成本低等优点。尤其适用于传统方法难以制造的特种材料或特殊形状金属零件，在航空航天、汽车船舶、武器装备、生物医学等领域有着广泛的应用前景。
传统的航空发动机叶片制造主要是通过铸造的方式，但由于叶片结构越来越复杂，其加工也越来越困难，而且传统铸造加工存在着组织粗大、偏析严重﹑成品率低等问题，因此航空发动机叶片制造问题在国内一直没有得到很好的解决。镍基高温合金作为航空发动机叶片制造的主要材料，其性能与其凝固组织密切相关，而定向凝固柱晶镍基高温合金由于消除了横向晶界，具有很好的高温蠕变和持久性能，已经广泛应用于先进航空发动机涡轮叶片等关键热端部件。定向凝固技术发展的历史就是不断提高温度梯度和凝固速率的历史，激光直接成形技术由于熔池的超高温度梯度和无界面热传导快速凝固冷却使其成为迄今为止冷却速度最快的快速凝固方法之一，因此激光直接成形定向凝固技术在最近十几年一直是定向凝固领域的研究热点，但是一些关键问题一直没有得到很好的解决，主要原因包括：（1）在熔池顶部，由于温度梯度急剧减小，而凝固速度变大，因此在单道顶部会出现一层转向枝晶区，要保证后续定向柱晶的生长，必须使转向枝晶区完全重熔掉；（2）受激光功率和光斑直径所限，在成形零件时必须采用横向搭接技术，搭接处组织生长比较杂乱，定向柱状晶组织生长受到抑制。
目前，瑞士联邦理工学院首先建立了适用于LDF柱状晶等轴晶转变（CET）理论模型，并从实验证明了LDF制造定向叶片的可行性。而在国内，自从西北工业大学在2001年公开提出了激光直接成形定向凝固技术（专利文献CN1382558A）之后，一直未见在激光直接成形定向凝固领域有新的技术出现。
发明内容
针对现有激光直接成形定向凝固技术中存在的定向柱状晶组织生长不连续、杂晶区较多的问题，本发明的目的是提供一种采用基板加热促进激光直接成形中定向柱状晶生长的方法，不仅定向柱晶生长连续，且枝晶一次间距很小，可达到超细柱状晶的标准。
为达到以上目的，本发明是采取如下技术方案予以实现的：
一种激光直接成形超细柱状晶定向生长的方法，其特征在于，包括下述步骤：
（1）在激光直接成形系统中，先将定向凝固基板加热到500-700℃；
（2）采用激光功率小于200W、Z轴单层提升量小于0.1mm，在加热的定向凝固基板上进行激光多道多层合金试样成形，扫描方式为填充扫描；
（3）对所成形的合金试样进行线切割、镶嵌、研磨、抛光、腐蚀，最后在数字光学显微镜下观察金相组织，记录定向柱晶组织生长状况。
上述方案中，所述定向凝固基板加热到600～650℃。所述激光功率180W、Z轴单层提升量为0.05mm。所述填充扫描的扫描速度10mm/s，送粉量为4g/min，搭接间距为0.30mm，成形40-50层。
步骤（3）所述的数字光学显微镜型号为KEYENCEVH-8000。
本发明方法所成形的合金试样对比定向凝固基板不加热时成形的试样内部柱状晶组织生长状况，表明定向凝固基板加热到500-700℃时定向柱晶组织生长连续性和方向性都优于定向凝固基板不加热时试样的柱晶组织生长。并且还降低了成形过程中的裂纹倾向性，使成形出的定向零件性能更加优异。
加热定向凝固基板虽然适当降低了激光熔池内的温度梯度，但依然控制柱状晶定向生长区间保持足够大的正温度梯度，满足柱状晶生长所需的过冷度。而且加热定向凝固基板使整个熔池温度升高，熔池的表面张力减小，整个熔池形态更加平铺，更有利于柱状晶的生长。
本发明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（如航空发动机叶片）。
附图说明
图1为激光直接成形系统示意图。图中：1、透镜；2、氧含量仪；3、保护罩；4、数控平台；5、熔池；6、载气粉末；7、激光束；8、同轴送粉喷嘴。
图2为DZ125L高温合金基板不加热和加热到600℃的金相形貌照片。其中：（a）为基板不加热金相形貌下部；（b）为基板不加热金相形貌上部；（c）为基板加热到600℃金相形貌下部；（d）为基板加热到600℃金相形貌上部。
图3为FGH96高温合金基板不加热和加热到650℃金相形貌照片。其中：（a）为基板不加热金相形貌下部；（b）为基板不加热金相形貌上部；（c）为基板加热到650℃金相形貌下部；（d）为基板加热到650℃金相形貌上部。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明做进一步的详细描述。
参见图1，本发明激光直接成形系统包括激光器、多坐标机床、送粉器、气氛保护装置、定向凝固基板加热装置等，激光器产生并传导激光束到加工区域，多坐标机床实现激光束与成形试样之间的相对运动，送粉器将粉末传输到熔池，气氛保护主要是保证加工区域的氧含量达到加工要求，定向凝固基板加热装置是将定向凝固基板加热到所需温度。
实例一
1、激光直接成形定向凝固实体件选用材料：实验中使用的金属粉末为航空发动机叶片所用DZ125L镍基高温合金粉末，粉末粒度为30～60μm，定向凝固基板材料为铸造镍基高温合金定向凝固基板。
2、实验前将粉末置于真空干燥箱中加热到150℃，保温24h，以去除水分并可增强粉末流动性；定向凝固基板表面用细砂纸打磨后，用丙酮去除油脂与污渍，再用乙醇清洗并干燥。
3、成形过程采用填充扫描方式，即先扫外部轮廓然后填充内部，在定向基板择优晶面（001）上进行激光多道多层成形，主要的工艺参数为激光功率180W,扫描速度10mm/s,送粉量为4g/min，Z轴提升量为0.05mm，搭接间距为0.30mm。最终成形出相同尺寸的两个实体件，成形过程的主要差别在于定向凝固基板温度，一个基板不加热，另一个基板加热到600℃。
4、对实体件进行线切割、镶嵌、粗磨、细磨、抛光、腐蚀，最后在型号为KEYENCEVH-8000数字光学显微镜下观察柱状晶组织生长状况。从图2（a）和（b）中我们可以看出，在基板未加热的条件下，成形区域组织生长杂乱，部分柱状晶组织生长不连续，柱状晶和转向晶交替生长，统计整个成形范围，沿成形高度方向定向柱晶生长的比例接近45%；而在基板加热温度为600℃时，熔覆层组织是从基板上外延生长获得的细小、致密的定向柱状晶组织，枝晶一次间距很小，仅为5-10μm，与普通的铸造凝固组织（100-300μm），小了约1-2个数量级，沿成形高度[001]方向定向柱晶生长的比例为100%，整片实现了定向柱晶的连续生长。
实例二
1、为进一步验证其实验广泛性，采用其他镍基高温合金进行实验。成形实体件选用材料：实验中使用的金属粉末为FGH96镍基高温合金，粉末粒度为50～100μm，基板材料为铸造镍基高温合金定向凝固基板。
2、实验前将粉末置于真空干燥箱中加热到150℃，保温24h，以去除水分并可增强粉末流动性；基板表面用细砂纸打磨后，用丙酮去除油脂与污渍，再用乙醇清洗并干燥。
3、成形过程采用填充扫描方式，即先扫外部轮廓然后填充内部，在定向基板择优晶面（001）上进行激光多道多层成形，主要的工艺参数为激光功率180W,扫描速度10mm/s,送粉量为4g/min，Z轴提升量为0.05mm，搭接间距为0.30mm。最终成形出相同尺寸的两个实体件，成形过程的主要差别在于定向凝固基板温度，一个基板不加热，另一个基板加热到650℃。
4、对实体件进行线切割、镶嵌、粗磨、细磨、抛光、腐蚀，最后在数字光学显微镜下观察柱状晶组织生长状况。从图3（a）和（b）中我们可以看出，在基板未加热的条件下，虽有柱状晶组织的生长，但整个试样组织生长杂乱，柱状晶和转向晶不规则交替生长，沿成形高度方向定向连续柱晶比例仅占整个成形范围的30%；而在基板加热温度为650℃时，熔覆层组织是从基板上外延生长获得的细小、致密的定向柱状晶组织，枝晶一次间距很小，仅为5-10μm，与普通的铸造凝固组织（100-300μm），小了约1-2个数量级，沿成形高度方向定向柱晶比例高达95%，实现了整个成形区域定向柱晶的连续生长。
Claims (5)
1.一种激光直接成形超细柱状晶定向生长的方法，其特征在于，包括下述步骤：
（1）在激光直接成形系统中，先将定向凝固基板加热到500-700℃；
（2）采用激光功率小于200W、Z轴单层提升量小于0.1mm，在加热的定向凝固基板上进行激光多道多层合金试样成形，扫描方式为填充扫描；
（3）对所成形的合金试样进行线切割、镶嵌、研磨、抛光、腐蚀，最后在数字光学显微镜下观察金相组织，记录定向柱晶组织生长状况。
2.如权利要求1所述的激光直接成形超细柱状晶定向生长的方法，其特征在于，所述定向凝固基板加热到600～650℃。
3.如权利要求1所述的激光直接成形超细柱状晶定向生长的方法，其特征在于，所述激光功率180W、Z轴单层提升量为0.05mm。
4.如权利要求1所述的激光直接成形超细柱状晶定向生长的方法，其特征在于，所述填充扫描的扫描速度10mm/s，送粉量为4g/min，搭接间距为0.30mm，成形40-50层。
5.如权利要求1所述的激光直接成形超细柱状晶定向生长的方法，其特征在于，所述的数字光学显微镜型号为KEYENCEVH-8000。
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