一種感應(yīng)加熱控制激光直接成形高溫合金定向生長的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及金屬增材制造領(lǐng)域，特別涉及一種感應(yīng)加熱控制激光直接成形高溫合金定向生長的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]激光直接成形技術(shù)是一種常見的主要用于金屬材料成形的增材制造技術(shù)，自20世紀(jì)90年代初期出現(xiàn)以來，在世界范圍內(nèi)引起了廣泛的關(guān)注和研究。激光直接成形技術(shù)將激光熔覆技術(shù)和快速原型技術(shù)結(jié)合在一起，涉及了計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、快速成形、激光加工、材料科學(xué)和控制技術(shù)等各領(lǐng)域?qū)W科，可以直接制造出致密度接近100%，力學(xué)性能與鍛件相當(dāng)且形狀復(fù)雜的金屬零件，在航空航天、生物醫(yī)療和軍工裝備等領(lǐng)域具有很好的應(yīng)用前景。根據(jù)現(xiàn)有的關(guān)于激光直接成形定向晶組織生長的理論，在激光直接成形過程中，使熔池與基板之間形成了自上而下的超高溫度梯度(可達(dá)到106K/m)，在超高的冷卻速度下，熔池瞬間凝固(凝固速度可達(dá)到24mm/s)，使熔覆層微觀組織呈現(xiàn)沿Z軸強(qiáng)制定向晶生長規(guī)律。所以溫度梯度是影響定向晶生長的主要驅(qū)動力，要想獲得良好的定向晶組織，必須對基體底部進(jìn)行對流冷來提高溫度梯度，但是不管對基體采用何種方法進(jìn)行冷卻來增大溫度梯度，熔池兩側(cè)區(qū)域的溫度梯度依然不會沿著Z軸方向，這是由于其與周圍的保護(hù)氣直接接觸并進(jìn)行熱量傳遞，冷卻速度也很快，導(dǎo)致R方向的溫度梯度開始對定向晶的生長產(chǎn)生影響，并且隨著成形過程中熱量的不斷積累，Z方向的溫度梯度有所減小，R方向溫度梯度的影響作用越來越明顯，從而使定向晶生長方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)而不能沿Z軸方向外延生長，最終影響了整個成形件的微觀組織和性能。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的在于克服上述高溫合金成形過程中熔池兩側(cè)溫度梯度發(fā)生偏轉(zhuǎn)的問題，提供一種感應(yīng)加熱控制激光直接成形高溫合金定向生長的方法，該方法保證整個熔池區(qū)域在凝固過程中保持沿Z方向正的溫度梯度，使成形件具有更加完整的沿Z軸方向外延生長的定向晶組織。
[0004]本發(fā)明技術(shù)方案的實(shí)現(xiàn)包括以下步驟:
[0005]1)根據(jù)成形零件的輪廓外形或者需要修復(fù)零件的基體輪廓形狀確定感應(yīng)線圈的形狀，形狀為零件輪廓的等距外輪廓曲線；
[0006]2)將感應(yīng)線圈安裝到合適位置，使線圈中間平面位于基體成形表面以上0.5?5mm位置處，同時調(diào)整紅外測溫探頭位置，使紅外測溫光斑位于基體成形表面以下0.2?3_處，并設(shè)定紅外控溫系統(tǒng)的溫度至500?1000°C ；
[0007]3)先打開連接在工作臺上的冷卻水通道，后打開感應(yīng)加熱裝置，對基體成形表面附近區(qū)域預(yù)熱至設(shè)定溫度，打開激光金屬直接成形系統(tǒng)，激光功率相對于正常激光成形降低10?30%，進(jìn)行第一層熔覆成形；
[0008]4) 一層完成后，上升一個成形層高度0.1?1mm，感應(yīng)線圈和紅外探頭上升相同的高度，進(jìn)行下一層熔覆成形；
[0009]5)重復(fù)(4)步驟，直到完成整個實(shí)體零件的激光直接成形，獲得所需零件。
[0010]本發(fā)明的技術(shù)效果是:本發(fā)明使最終成形的零件和修復(fù)部分具有更加完整的沿Z軸方向外延生長的定向晶組織，改善其力學(xué)性能，為高溫合金定向晶類零件(特別是定向晶葉片等航空航天領(lǐng)域關(guān)鍵零件)的激光直接成形和激光修復(fù)提供指導(dǎo)作用，在高溫合金激光增材制造領(lǐng)域帶來明顯的經(jīng)濟(jì)效益。
【附圖說明】
[0011]圖1為本發(fā)明方法的感應(yīng)加熱控制定向晶生長的原理示意圖。
[0012]圖2(a)為無感應(yīng)加熱下成形的DZ125L實(shí)體局部區(qū)域的金相圖。
[0013]圖2(b)為有感應(yīng)加熱下成形的DZ125L實(shí)體局部區(qū)域的金相圖。
[0014]圖3(a)為無感應(yīng)加熱下成形的DZ125L實(shí)體邊界區(qū)域的金相圖。
[0015]圖3(b)為有感應(yīng)加熱下成形的DZ125L實(shí)體邊界區(qū)域的金相圖。
【具體實(shí)施方式】
[0016]本發(fā)明首先找到最佳的感應(yīng)線圈的形狀、線圈銅管的直徑、感應(yīng)線圈的位置以及感應(yīng)加熱溫度等參數(shù)，使感應(yīng)線圈位于合適的位置，加熱作用僅局限于熔池附近區(qū)域，不影響熔池區(qū)域到基板的Z向正溫度梯度，但是同時又抑制了熔池凝固過程中R方向的溫度梯度。最后，由于采用了感應(yīng)加熱對熔池附近區(qū)域進(jìn)行加熱，感應(yīng)加熱成為形成熔池的熱源之一，所以可以適當(dāng)?shù)貎?yōu)化工藝參數(shù)(降低激光功率，提高掃描速度)，來和激光能量相互配合，共同完成成形過程。
[0017]在本發(fā)明成形過程中，線圈和紅外測溫探頭在滑臺帶動下，跟隨熔覆平面的上升而上升相同的距離，保證在進(jìn)行每一層熔覆成形時，線圈和紅外測溫光斑都處于相對于熔覆平面固定的最佳的位置，使Z向溫度梯度成為熔池兩側(cè)區(qū)域定向晶生長的主導(dǎo)驅(qū)動力，最終使成形的零件或修復(fù)的區(qū)域具有更加完整的沿Z軸方向外延生長的定向晶組織。
[0018]感應(yīng)加熱控制DZ125L圓柱實(shí)體零件定向晶生長實(shí)驗(yàn)
[0019](A)在沒有進(jìn)行感應(yīng)加熱控制下成形圓柱實(shí)體
[0020]基本工藝參數(shù):粉末粒度30?60 μ m，激光功率200W，激光光斑直徑0.5mm，掃描速度8mm/s，送粉量8.7?9.3g/min，Z軸提升量Λ Ζ = 0.10mm，搭接率34% 0
[0021]在直徑Φ 10mm的40Cr圓柱基體上成形Φ7πιπι的DZ125L高溫合金圓柱實(shí)體，成形高度5mmο
[0022](Β)在感應(yīng)加熱控制下成形圓柱實(shí)體
[0023]基本工藝參數(shù):粉末粒度30?60 μ m，激光功率150W，激光光斑直徑0.5mm，掃描速度8mm/s，送粉量8.7?9.3g/min，Z軸提升量Λ Ζ = 0.10mm，搭接率34%，感應(yīng)線圈為單圈圓環(huán)形，圓環(huán)內(nèi)徑20mm，線圈銅管內(nèi)徑6mm，感應(yīng)加熱設(shè)定溫度990°C，線圈中間平面位于基體成形表面以上0.8mm。
[0024]在直徑Φ 10mm的40Cr圓柱基體上成形Φ 7mm的DZ125L高溫合金圓柱實(shí)體，成形高度5mmο
[0025]1.首先將感應(yīng)線圈4安裝到合適位置，使線圈中間平面位于基體3成形表面以上0.8mm位置處，同時調(diào)整紅外測溫探頭5位置，使紅外測溫光斑位于基體3成形表面以下0.2mm處，并設(shè)定紅外控溫系統(tǒng)的溫度至990°C ;
[0026]I1.先打開冷卻水通道1，后打開感應(yīng)加熱裝置，使感應(yīng)線圈4對基體成形表面附近區(qū)域進(jìn)行預(yù)熱至設(shè)定溫度，打開激光金屬直接成形系統(tǒng)，進(jìn)行第一層熔覆成形；
[0027]II1.一層完成后，上升一個成形層高度0.1mm，感應(yīng)線圈4和紅外探頭5上升相同的高度0.1mm，進(jìn)行下一層恪覆成形；
[0028]IV.重復(fù)III步驟，直到完成整個圓柱實(shí)體的激光直接成形，獲得高度為5mm的圓柱實(shí)體。
[0029]成形完成后，對試樣進(jìn)行線切割、鑲嵌、粗磨、細(xì)磨、拋光、腐蝕，最后在KEYENCEVH-8000數(shù)字光學(xué)顯微鏡下觀察定向晶組織生長狀況。
[0030]圖2為無感應(yīng)加熱控制和有感應(yīng)加熱控制條件下成形的DZ125L實(shí)體圓柱相同局部區(qū)域的金相組織圖。在無感應(yīng)加熱的圖2(a)中，每一個熔池凝固過程中兩側(cè)區(qū)域都會出現(xiàn)轉(zhuǎn)向晶，從而導(dǎo)致最終的成形件微觀組織中轉(zhuǎn)向晶較多，在線切割過程中被攔腰切斷，在金相圖中呈現(xiàn)橢圓狀類似于等軸晶的形狀；相反，在圖2(b)有感應(yīng)加熱條件下，消除了每一個熔池凝固過程中兩側(cè)區(qū)域的R向溫度梯度，使兩側(cè)區(qū)域的定向晶與中間區(qū)域同樣沿Z軸方向外延生長，從而保證整個成形件具有更加完整的沿Z軸方向的定向晶組織，在線切割過程中被沿著Z軸方向從上到下完整剖開，在金相圖中呈現(xiàn)細(xì)長條狀。在圖3(a)無感應(yīng)加熱條件下，成形件縱剖面邊緣處的轉(zhuǎn)向晶區(qū)域?qū)挾冗_(dá)到228.25 μm ;而在圖3(b)有感應(yīng)加熱條件下，轉(zhuǎn)向晶寬度只有63.09 μπι。由此可見，感應(yīng)加熱對于熔池邊緣區(qū)域的溫度梯度控制和定向晶生長控制作用明顯，使成形件具有更加完整的定向晶組織。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種感應(yīng)加熱控制激光直接成形高溫合金定向生長的方法，其特征在于，使整個成形件具有更加完整的沿沉積方向外延生長的定向晶組織，包括以下步驟: 1)根據(jù)成形零件的輪廓外形或者需要修復(fù)零件的基體輪廓形狀確定感應(yīng)線圈的形狀，形狀為零件輪廓的等距外輪廓曲線； 2)將感應(yīng)線圈(4)安裝到合適位置，使線圈中間平面位于基體(3)成形表面以上0.5_?5_位置處，同時調(diào)整紅外測溫探頭(5)位置，使紅外測溫光斑位于基體(3)成形表面以下0.2mm?3mm處，并設(shè)定紅外控溫系統(tǒng)的溫度至500°C?1000°C ； 3)先打開連接在工作臺(2)上的冷卻水通道(1)，后打開感應(yīng)加熱裝置，對基體成形表面附近區(qū)域預(yù)熱至設(shè)定溫度，打開激光金屬直接成形系統(tǒng)，激光功率相對于正常激光成形降低10?30%，進(jìn)行第一層熔覆成形； 4)一層完成后，上升一個成形層高度0.1mm?1mm，感應(yīng)線圈(4)和紅外探頭(5)上升相同的高度，進(jìn)行下一層熔覆成形； 5)重復(fù)(4)步驟，直到完成整個實(shí)體零件的激光直接成形，獲得所需零件。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的感應(yīng)加熱控制激光直接成形高溫合金定向生長的方法，其特征在于，步驟1)中感應(yīng)線圈的截面形狀和尺寸同樣要根據(jù)成形或修復(fù)的零件形狀確定，線圈根據(jù)銅管截面形狀分為圓形和方形，圓形截面線圈的銅管外徑為3mm?12mm，方形截面線圈的銅管長寬度都為4mm?20mm，線圈內(nèi)表面距離基體側(cè)面2mm?25mm，線圈圈數(shù)為1?8圈。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種感應(yīng)加熱控制激光直接成形高溫合金定向生長的方法。在高溫合金激光直接成形過程中，基體底部采用了對流冷卻，熔池沿Z軸方向散熱，形成了Z向正溫度梯度，使柱狀晶沿Z軸方向外延生長。熔池兩側(cè)區(qū)域由于與保護(hù)氣直接接觸，在凝固過程中主要向保護(hù)氣散熱，使溫度梯度向R方向偏轉(zhuǎn)，從而導(dǎo)致柱狀晶生長方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)，最終影響成形件的微觀組織和力學(xué)性能。針對上述問題，采取感應(yīng)加熱線圈對熔池附近進(jìn)行預(yù)熱，抑制熔池向R方向散熱，防止溫度梯度發(fā)生偏轉(zhuǎn)，保證Z向溫度梯度在整個熔池凝固過程中起主導(dǎo)作用，使熔池周圍兩側(cè)區(qū)域的定向晶仍沿Z軸方向生長，以此保證成形件最終獲得連續(xù)完整的定向晶凝固組織和優(yōu)異的力學(xué)性能。
【IPC分類】C23C24/10
【公開號】CN105256311
【申請?zhí)枴緾N201510820837
【發(fā)明人】張安峰, 李滌塵, 梁少端, 王潭, 嚴(yán)深平
【申請人】西安交通大學(xué)
【公開日】2016年1月20日
【申請日】2015年11月23日