本發(fā)明涉及激光增材制造，具體是一種鎳鋁青銅系合金激光粉末床熔融成形增材制造方法。

背景技術(shù)：

1、鎳鋁青銅合金是一種與鎳、鐵、錳等元素為主要合金元素的鋁青銅。因其具有優(yōu)異的耐海水腐蝕性能、良好的抗疲勞性能和抗生物污損性能，廣泛應(yīng)用于船舶螺旋槳、海水泵、閥門和葉輪等。目前，鎳鋁青銅部件主要采用砂型鑄造，然后進(jìn)行數(shù)控加工的方法以保證其尺寸精度。由于鎳鋁青銅合金元素較多、鑄造時(shí)極易造成成分偏析(引發(fā)選相腐蝕)、疏松和縮孔等缺陷。特別是澆注結(jié)構(gòu)型面復(fù)雜的葉輪時(shí)會(huì)導(dǎo)致成形精度低、強(qiáng)度降低從而影響其耐腐蝕性和使用壽命。某些結(jié)構(gòu)甚至難以成形。可見，現(xiàn)有的鑄造+數(shù)控加工的鎳鋁青銅部件存在需要模具、成形自由度受限、腐蝕性能有待進(jìn)一步提高的問題。增材制造是一種“自下而上”通過材料累加的制造方法，能夠提供極高的加工自由度，具有加工周期短、材料利用率高、成形件性能優(yōu)異等優(yōu)勢，已在航空航天、能源核電、武器裝備、汽車交通、醫(yī)療植入物等眾多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

2、激光粉末床熔融(laser?powder?bed?fusion,lpbf)成形技術(shù)是近年發(fā)展十分迅速的金屬零件精密增材制造技術(shù)，目前常見的金屬材料如不銹鋼、鋁硅合金、鈦合金等lpbf技術(shù)已經(jīng)趨于成熟。而銅合金，受材料自身對(duì)激光反射率高、熱導(dǎo)率高、熔點(diǎn)高的影響，往往采用電弧作為熱源進(jìn)行增材制造，由于電弧增材制造技術(shù)冷卻速度低和熱影響區(qū)大、導(dǎo)致鎳鋁青銅合金成形制件成形精度較低、仍然存在選相腐蝕且力學(xué)性能僅與鑄態(tài)相當(dāng)或略高于鑄態(tài)。

3、基于送粉的激光增材技術(shù)能夠突破電弧增材制造技術(shù)中精度低、性能低的瓶頸，通過提高熔凝速度，微觀組織顯著細(xì)化，但其β′馬氏體相發(fā)生粗化且沉積態(tài)中β′馬氏體相含量少，導(dǎo)致其力學(xué)性能和耐腐蝕性能提高有限。lpbf技術(shù)的熱影響區(qū)小、溫度梯度高、冷卻速度可達(dá)106℃/s，有望進(jìn)一步細(xì)化微觀組織，獲得更多的β′馬氏體相。但是存在低功率下熱輸入不足，易產(chǎn)生孔洞、裂紋等冶金缺陷等問題，因此，如何在低功率下實(shí)現(xiàn)致密、無缺陷、力學(xué)性能優(yōu)異的部件是lpbf成形鎳鋁青銅合金面臨的一個(gè)挑戰(zhàn)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的是提供一種鎳鋁青銅系合金激光粉末床熔融成形增材制造方法，采用該方法制備的鎳鋁青銅系合金部件致密、無缺陷、力學(xué)性能優(yōu)異。

2、為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種鎳鋁青銅系合金激光粉末床熔融成形增材制造方法，包括以下步驟：

3、步驟s1，根據(jù)所需部件形狀進(jìn)行三維建模，得到激光粉末床熔融成形增材制造系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)控制程序；

4、步驟s2，對(duì)基板進(jìn)行表面處理，基板材質(zhì)為不銹鋼，安裝基板；

5、步驟s3，將鎳鋁青銅合金粉末在真空干燥箱內(nèi)烘干；

6、步驟s4，啟動(dòng)所述激光粉末床熔融成形增材制造系統(tǒng)，運(yùn)行所述運(yùn)動(dòng)控制程序，基板表面鋪置烘干后的鎳鋁青銅合金粉末，激光頭定位于粉末床上方，激光束選擇性地熔化粉末以形成熔池，待液態(tài)熔池凝固后，形成熔道；

7、步驟s5，激光頭移動(dòng)一個(gè)掃描間距，重復(fù)步驟s4形成下一道熔道，通過熔道的相互搭接形成沉積層；

8、步驟s6，待沉積層完成掃描后，沉積層下降一個(gè)分層厚度，重復(fù)步驟s4至步驟s5，逐層沉積直至成形零件制造完成，得到鎳鋁青銅系部件。

9、進(jìn)一步的，在步驟s3中，將鎳鋁青銅系合金粉末在真空干燥箱中以80～120℃干燥溫度保溫1.5～2.5h。

10、進(jìn)一步的，在步驟s3中，干燥溫度為100℃，保溫時(shí)間為2h。

11、進(jìn)一步的，在步驟s4中，所述激光粉末床熔融成形增材制造系統(tǒng)中成形腔氧含量≤50ppm，保護(hù)氣為氬氣。

12、進(jìn)一步的，在步驟s4中，采用的激光粉末床熔融成形增材制造系統(tǒng)的工藝參數(shù)有兩類：(1)采用基板預(yù)熱時(shí)，預(yù)熱溫度：100℃～200℃，激光功率300w～500w，掃描速率：500mm/s～1000mm/s，分層厚度：0.02mm～0.03mm，掃描間距：0.09mm～0.15mm；(2)不采用基板預(yù)熱時(shí)，激光功率500w～1000w，掃描速率：1000mm/s～2000mm/s，分層厚度：0.04mm～0.05mm，掃描間距：0.12mm～0.18mm。

13、進(jìn)一步的，所述鎳鋁青銅系合金粉末的粒徑為25μm～60μm。

14、進(jìn)一步的，所述鎳鋁青銅名義符合astm牌號(hào)c95800和gb/t1176-1974牌號(hào)為zqal9-4-4-2鎳鋁青銅合金。

15、進(jìn)一步的，所制備的鎳鋁青銅系部件的拉伸樣沉積態(tài)抗拉強(qiáng)度為1037.3mp～1069.4mpa，斷后伸長率為0.45％～9.0％。

16、本發(fā)明具有以下有益效果：

17、(1)本發(fā)明通過粉末烘干和通入保護(hù)氣實(shí)現(xiàn)成形過程中的水氧含量控制，抑制了氣孔的產(chǎn)生，提高了鎳鋁青銅系合金部件的力學(xué)性能。

18、(2)本發(fā)明同時(shí)采用低功率、基板預(yù)熱、低掃描速度、小鋪粉層厚或者高功率、無基板預(yù)熱、高掃描速度、大鋪粉層厚的方式提高能量輸入和液態(tài)金屬的停留時(shí)間，促進(jìn)液態(tài)金屬完全鋪展，排出氣體，抑制孔洞和裂紋的形成，實(shí)現(xiàn)了層間冶金結(jié)合；同時(shí)激光粉末床熔融成形具有極高的溫度梯度和冷卻速率，促進(jìn)了細(xì)小的β′馬氏體相形成，達(dá)到了致密、無缺陷、高性能成形的目的，為鎳鋁青銅系合金在船用海水泵閥、管道、葉輪等零部件的制造提供了新型的制造方法。

技術(shù)特征：

1.一種鎳鋁青銅系合金激光粉末床熔融成形增材制造方法，其特征在于，包括以下步驟：

2.如權(quán)利要求1所述的鎳鋁青銅系合金激光粉末床熔融成形增材制造方法，其特征在于：在步驟s3中，將鎳鋁青銅系合金粉末在真空干燥箱中以80～120℃干燥溫度保溫1.5～2.5h。

3.如權(quán)利要求2所述的鎳鋁青銅系合金激光粉末床熔融成形增材制造方法，其特征在于：在步驟s3中，干燥溫度為100℃，保溫時(shí)間為2h。

4.如權(quán)利要求1所述的鎳鋁青銅系合金激光粉末床熔融成形增材制造方法，其特征在于：在步驟s4中，所述激光粉末床熔融成形增材制造系統(tǒng)中成形腔氧含量≤50ppm，保護(hù)氣為氬氣。

5.如權(quán)利要求1所述的鎳鋁青銅系合金激光粉末床熔融成形增材制造方法，其特征在于：在步驟s4中，采用的激光粉末床熔融成形增材制造系統(tǒng)的工藝參數(shù)有兩類：(1)采用基板預(yù)熱時(shí)，預(yù)熱溫度：100℃～200℃，激光功率300w～500w，掃描速率：500mm/s～1000mm/s，分層厚度：0.02mm～0.03mm，掃描間距：0.09mm～0.15mm；(2)不采用基板預(yù)熱時(shí)，激光功率500w～1000w，掃描速率：1000mm/s～2000mm/s，分層厚度：0.04mm～0.05mm，掃描間距：0.12mm～0.18mm。

6.如權(quán)利要求1所述的鎳鋁青銅系合金激光粉末床熔融成形增材制造方法，其特征在于：所述鎳鋁青銅系合金粉末的粒徑為25μm～60μm。

7.如權(quán)利要求1所述的鎳鋁青銅系合金激光粉末床熔融成形增材制造方法，其特征在于：所述鎳鋁青銅名義符合astm牌號(hào)c95800和gb/t?1176-1974牌號(hào)為zqal9-4-4-2鎳鋁青銅合金。

8.如權(quán)利要求1所述的鎳鋁青銅系合金激光粉末床熔融成形增材制造方法，其特征在于：所制備的鎳鋁青銅系部件的拉伸樣沉積態(tài)抗拉強(qiáng)度為1037.3mp～1069.4mpa，斷后伸長率為0.45％～9.0％。

技術(shù)總結(jié)
一種鎳鋁青銅系合金激光粉末床熔融成形增材制造方法，包括：根據(jù)所需部件形狀進(jìn)行三維建模，得到激光粉末床熔融成形增材制造系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)控制程序；對(duì)基板進(jìn)行表面處理，安裝基板；將鎳鋁青銅合金粉末在真空干燥箱內(nèi)烘干；啟動(dòng)激光粉末床熔融成形增材制造系統(tǒng)，運(yùn)行運(yùn)動(dòng)控制程序，基板表面鋪置烘干后的鎳鋁青銅合金粉末，激光頭定位于粉末床上方，激光束選擇性地熔化粉末以形成熔池，待液態(tài)熔池凝固后，形成熔道；激光頭移動(dòng)一個(gè)掃描間距，重復(fù)上一步驟形成下一道熔道，通過熔道的相互搭接形成沉積層；待沉積層完成掃描后，沉積層下降一個(gè)分層厚度，逐層沉積直至成形零件制造完成。采用本發(fā)明制備的鎳鋁青銅系合金部件致密、無缺陷、力學(xué)性能優(yōu)異。

技術(shù)研發(fā)人員：聶小佳,彭飛,牟金磊,王中,朱志潔,陳澤
受保護(hù)的技術(shù)使用者：中國人民解放軍海軍工程大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/30