利用激光熔覆技術(shù)制造鎳基單晶高溫合金零件的方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種利用激光熔覆技術(shù)制造鎳基單晶高溫合金零件的方法，其主要是在進(jìn)行激光熔覆時(shí)，通過(guò)控制一定的工藝參數(shù)來(lái)精確控制激光熔池形狀及其溫度梯度，從而控制和優(yōu)化從熔池底部向上外延生長(zhǎng)的定向結(jié)晶的高度，使得多層多道熔覆的微觀組織能夠全部為與基材相同的細(xì)密連續(xù)的鎳基單晶組織，因此該單晶組織中不會(huì)出現(xiàn)等軸晶區(qū)域并擴(kuò)展為裂紋，使利用激光直接熔覆鎳基單晶粉材從而制造鎳基單晶高溫合金零件成為可能。
【專利說(shuō)明】利用激光熔覆技術(shù)制造鎳基單晶高溫合金零件的方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及激光制造領(lǐng)域，尤其涉及一種利用激光熔覆技術(shù)制造鎳基單晶高溫合金零件的方法。

【背景技術(shù)】
[0002]隨著激光制造業(yè)的發(fā)展，鎳基單晶高溫合金零件越來(lái)越廣泛應(yīng)用于各個(gè)行業(yè)，如鎳基單晶渦輪葉片已經(jīng)應(yīng)用于現(xiàn)代航空發(fā)動(dòng)機(jī)。目前鎳基單晶渦輪葉片主要通過(guò)精鑄的方法獲得，但其鑄造的方法具有一些缺點(diǎn)，例如:1、成功率低，鑄造過(guò)程中容易出現(xiàn)雜晶或者大角度偏斜晶體；2、設(shè)備復(fù)雜，成本高昂；3、鑄造周期長(zhǎng)，靈活性差，加之鎳基單晶高溫合金成本昂貴，這些因素造成了鎳基單晶渦輪葉片價(jià)格非常昂貴，增加了航空發(fā)動(dòng)機(jī)的維護(hù)成本。
[0003]為了延長(zhǎng)單晶渦輪葉片的使用壽命，降低發(fā)動(dòng)機(jī)維護(hù)費(fèi)用，當(dāng)前，國(guó)內(nèi)外已經(jīng)采用激光熔覆鎳基單晶粉材的方法修復(fù)氣蝕、磨損和出現(xiàn)裂紋的單晶渦輪葉片和接長(zhǎng)渦輪葉片的葉尖，并嘗試?yán)眉す庵苯尤鄹矄尉Х鄄牡姆椒ㄖ圃靻尉Я慵５窃诙鄬雍投嗟廊鄹策^(guò)程中，在熔覆層中難以獲得完全連續(xù)生長(zhǎng)的單晶組織，組織中出現(xiàn)的等軸晶區(qū)域容易產(chǎn)生晶界并擴(kuò)展為裂紋。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明提供一種利用激光熔覆技術(shù)制造鎳基單晶高溫合金零件的方法，以解決多道激光熔覆過(guò)程中鎳基單晶組織難以完全連續(xù)生長(zhǎng)的技術(shù)問(wèn)題。
[0005]為了解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提供一種利用激光熔覆技術(shù)制造鎳基單晶高溫合金零件的方法，采用鎳基單晶高溫合金平板作為基材和粉材，其具體方法包括:步驟一:采用砂紙打磨所述基材表面，并用丙酮清洗；步驟二:將所述基材固定于工作平臺(tái)上，并采用氬氣保護(hù)；步驟三:控制激光和所述粉材通過(guò)固定于機(jī)械臂上的同軸噴嘴對(duì)所述基材的表面進(jìn)行第一道熔覆，同時(shí)通過(guò)計(jì)算機(jī)控制所述機(jī)械臂使所述激光垂直于所述基材的表面，并按照預(yù)設(shè)好的熔覆路線移動(dòng)；步驟四:完成第一道熔覆后，從第二道熔覆開(kāi)始搭接熔覆，熔覆路線與第一道相同，并通過(guò)計(jì)算機(jī)控制所述機(jī)械臂使所述同軸噴嘴在熔覆層橫截面平面內(nèi)沿順序搭接方向或其反方向偏轉(zhuǎn)第一角度，在熔覆層縱截面平面內(nèi)沿激光移動(dòng)方向或其反方向偏轉(zhuǎn)第二角度，同一層的后續(xù)多道搭接熔覆的路線及控制方法與第二道搭接熔覆相同，直至完成第一層熔覆；步驟五:從第二層激光熔覆開(kāi)始，每層激光熔覆路線在水平面內(nèi)均與前一層熔覆路線正交垂直，熔覆控制方法均與第一層相同，持續(xù)熔覆過(guò)程，直至完成所述鎳基單晶高溫合金零件的制造。
[0006]進(jìn)一步的，所述第一角度為-30°?30°，所述同軸噴嘴偏向順序搭接方向?yàn)檎?，遠(yuǎn)離順序搭接方向?yàn)樨?fù)，所述第二角度為-45°?45°，當(dāng)所述同軸噴嘴朝向熔覆方向偏轉(zhuǎn)時(shí)其偏轉(zhuǎn)角度為正，遠(yuǎn)離熔覆方向偏轉(zhuǎn)時(shí)其偏轉(zhuǎn)角度則為負(fù)。
[0007]優(yōu)選的，所述第一角度為0°?30°，所述第二角度為0°?45°。
[0008]更優(yōu)選的，所述第一角度為30°，所述第二角度為45°。
[0009]進(jìn)一步的，在進(jìn)行激光熔覆時(shí)，調(diào)節(jié)激光熔覆的搭接率使相鄰兩道微觀組織保持連續(xù)。
[0010]具體的，所述搭接率控制在5%?51%。
[0011]進(jìn)一步的，所述砂紙為200目砂紙。
[0012]進(jìn)一步的，在進(jìn)行激光熔覆時(shí)，調(diào)節(jié)激光熔覆的激光功率、掃描速度、送粉速率、光斑直徑、離焦量、第一角度和第二角度，采用與噴嘴隨動(dòng)的主動(dòng)冷卻方法，使得熔池凝固界面沿著豎直方向的溫度梯度保持在IX17?I X 10 9攝氏度/米，且激光熔池的尺寸保持在D:W:H = I?1.5:4?5:2?3，其中D為基材熔化深度，W為熔池寬度，H為熔池高度。
[0013]具體的，所述激光功率為50瓦?2000瓦，掃描速度為5毫米/秒?200毫米/秒，送粉速率為I克/分鐘?10克/分鐘，光斑直徑為0.5毫米?I毫米，離焦量為-5毫米?5暈米。
[0014]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果:
[0015]本發(fā)明提供一種利用激光熔覆技術(shù)制造鎳基單晶高溫合金零件的方法，其主要是在進(jìn)行激光熔覆時(shí)，通過(guò)控制一定的工藝參數(shù)來(lái)精確控制激光熔池形狀及其溫度梯度，從而控制和優(yōu)化從熔池底部向上外延生長(zhǎng)的定向結(jié)晶的高度，使得多層多道熔覆的微觀組織能夠全部為與基材相同的細(xì)密連續(xù)的鎳基單晶組織，因此該單晶組織中不會(huì)出現(xiàn)等軸晶區(qū)域并擴(kuò)展為裂紋，使利用激光直接熔覆鎳基單晶粉材從而制造鎳基單晶高溫合金零件成為可能。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0016]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明:
[0017]圖1為本發(fā)明實(shí)施例提供的利用激光熔覆技術(shù)制造鎳基單晶高溫合金零件的方法中第二道熔覆開(kāi)始后的過(guò)程結(jié)構(gòu)示意圖；
[0018]圖2為本發(fā)明實(shí)施例提供的熔池的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0019]在圖1和圖2中，
[0020]1:同軸噴嘴；2:基材；21:橫截面平面；22:縱截面平面；3:工作平臺(tái)；β:第一角度；α:第二角度；D:基材融化深度；W:熔池寬度；H:熔池高度。

【具體實(shí)施方式】
[0021]以下結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明提出的利用激光熔覆技術(shù)制造鎳基單晶高溫合金零件的方法作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。根據(jù)下面說(shuō)明和權(quán)利要求書，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和特征將更清楚。需說(shuō)明的是，附圖均采用非常簡(jiǎn)化的形式且均使用非精準(zhǔn)的比率，僅用以方便、明晰地輔助說(shuō)明本發(fā)明實(shí)施例的目的。
[0022]本發(fā)明的核心思想在于，提供一種利用激光熔覆技術(shù)制造鎳基單晶高溫合金零件的方法，其主要是在進(jìn)行激光熔覆時(shí)，通過(guò)控制一定的工藝參數(shù)來(lái)精確控制激光熔池形狀及其溫度梯度，從而控制和優(yōu)化從熔池底部向上外延生長(zhǎng)的定向結(jié)晶的高度，使得多層多道熔覆的微觀組織能夠全部為與基材相同的細(xì)密連續(xù)的鎳基單晶組織，因此該單晶組織中不會(huì)出現(xiàn)等軸晶區(qū)域并擴(kuò)展為裂紋，使利用激光直接熔覆鎳基單晶粉材從而制造鎳基單晶高溫合金零件成為可能。
[0023]請(qǐng)參考圖1和圖2，圖1為本發(fā)明實(shí)施例提供的利用激光熔覆技術(shù)制造鎳基單晶高溫合金零件的方法中第二道熔覆開(kāi)始后的過(guò)程結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本發(fā)明實(shí)施例提供的熔池的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0024]如圖1所示，本發(fā)明實(shí)施例提供一種利用激光熔覆技術(shù)制造鎳基單晶高溫合金零件的方法，采用鎳基單晶高溫合金平板作為基材和粉材，進(jìn)行激光熔覆的激光熔覆系統(tǒng)包括光纖激光器、送粉器、機(jī)械臂、環(huán)境控制箱、計(jì)算機(jī)控制器和工作平臺(tái)3，由于該激光熔覆系統(tǒng)為現(xiàn)有技術(shù)，故在此便不再贅述，其具體方法包括:
[0025]步驟一:采用砂紙打磨所述基材2表面，并用丙酮清洗，以確保激光熔覆時(shí)基材2表面光潔平整，利于激光熔覆的進(jìn)行和其熔覆質(zhì)量的提高；
[0026]步驟二:將所述基材2固定于工作平臺(tái)3上，并采用氬氣保護(hù)，即將所述基材2置于所述環(huán)境控制箱內(nèi)，其中充以氬氣確保激光熔覆所需的環(huán)境；
[0027]步驟三:光纖激光器發(fā)出的激光和送粉器送出的粉材通過(guò)固定于機(jī)械臂上的同軸噴嘴I對(duì)所述基材2的表面進(jìn)行第一道熔覆，同時(shí)通過(guò)計(jì)算機(jī)控制所述機(jī)械臂使所述激光垂直于所述基材2的表面，并按照預(yù)設(shè)好的熔覆路線移動(dòng)；
[0028]步驟四:完成第一道熔覆后，從第二道熔覆開(kāi)始搭接熔覆，熔覆路線與第一道相同，并通過(guò)計(jì)算機(jī)控制所述機(jī)械臂使所述同軸噴嘴I在熔覆層橫截面平面21內(nèi)沿順序搭接方向或其反方向偏轉(zhuǎn)第一角度α，在熔覆層縱截面平面22內(nèi)沿激光移動(dòng)方向或其反方向偏轉(zhuǎn)第二角度β，同一層的后續(xù)多道搭接熔覆的路線及控制方法與第二道搭接熔覆相同，直至完成第一層熔覆；
[0029]步驟五:從第二層激光熔覆開(kāi)始，每層激光熔覆路線在水平面內(nèi)均與前一層熔覆路線正交垂直，熔覆控制方法均與第一層相同，持續(xù)熔覆過(guò)程，直至完成所述鎳基單晶高溫合金零件的制造。
[0030]進(jìn)一步的，所述第一角度為-30°?30°，所述同軸噴嘴偏向順序搭接方向?yàn)檎?，遠(yuǎn)離順序搭接方向?yàn)樨?fù)，所述第二角度為-45°?45°，當(dāng)所述同軸噴嘴朝向熔覆方向偏轉(zhuǎn)時(shí)其偏轉(zhuǎn)角度為正，遠(yuǎn)離熔覆方向偏轉(zhuǎn)時(shí)其偏轉(zhuǎn)角度則為負(fù)。優(yōu)選的，當(dāng)所述第一角度和第二角度均為正角度時(shí)，熔覆后單晶組織的連續(xù)性會(huì)變得更好，具體地，所述第一角度為0°?30°，所述第二角度為0°?45°。值得一提的是，當(dāng)所述第一角度為30°，所述第二角度為45°時(shí)，熔覆后單晶組織的連續(xù)性最好。
[0031]進(jìn)一步的，在進(jìn)行激光熔覆時(shí)，將所述搭接率控制在5%?51%，并對(duì)激光熔覆的搭接率做微調(diào)便能使相鄰兩道微觀組織保持連續(xù)。
[0032]進(jìn)一步的，所述砂紙為200目砂紙，選用該200目砂紙能夠在不損傷基材2的基礎(chǔ)上，使打磨后的基材2表面更為平整。
[0033]進(jìn)一步的，如圖2所示，在進(jìn)行激光熔覆時(shí)，調(diào)節(jié)激光熔覆的激光功率、掃描速度、送粉速率、光斑直徑、離焦量以及同軸噴嘴I的第一偏角(第一角度α)和第二偏角(第二角度β)，采用與噴嘴隨動(dòng)的主動(dòng)冷卻方法，例如渦流噴管或液氬噴氣嘴等，使得熔池凝固界面沿著豎直方向的溫度梯度保持在I X 17?I X 10 9攝氏度/米，且激光熔池的尺寸保持在0:1:!1=1?1.5:4?5:2?3，其中0為基材熔化深度，W為熔池寬度，H為熔池高度。
[0034]具體的，所述激光功率為50瓦?2000瓦，掃描速度為5毫米/秒?200毫米/秒，送粉速率為I克/分鐘?10克/分鐘，光斑直徑為0.5毫米?I毫米，離焦量為-5毫米?5暈米。
[0035]綜上所述，本發(fā)明實(shí)施例提供的利用激光熔覆技術(shù)制造鎳基單晶高溫合金零件的方法，其主要是在進(jìn)行激光熔覆時(shí)，通過(guò)控制一定的工藝參數(shù)及激光控制方法來(lái)精確控制激光熔池形狀及其溫度梯度，從而控制和優(yōu)化從熔池底部向上外延生長(zhǎng)的定向結(jié)晶的高度，使得多層多道熔覆的微觀組織能夠全部為與基材2相同的細(xì)密連續(xù)的鎳基單晶組織，因此該單晶組織中不會(huì)出現(xiàn)等軸晶區(qū)域并擴(kuò)展為裂紋，使利用激光直接熔覆鎳基單晶粉材從而制造鎳基單晶高溫合金零件成為可能。
[0036]顯然，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以對(duì)本發(fā)明進(jìn)行各種改動(dòng)和變型而不脫離本發(fā)明的精神和范圍。這樣，倘若本發(fā)明的這些改動(dòng)和變型屬于本發(fā)明權(quán)利要求及其等同技術(shù)的范圍之內(nèi)，則本發(fā)明也意圖包含這些改動(dòng)和變型在內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種利用激光熔覆技術(shù)制造鎳基單晶高溫合金零件的方法，采用鎳基單晶高溫合金平板作為基材和粉材，其特征在于，包括: 步驟一:采用砂紙打磨所述基材表面，并用丙酮清洗； 步驟二:將所述基材固定于工作平臺(tái)上，并采用氬氣保護(hù)； 步驟三:控制激光和所述粉材通過(guò)固定于機(jī)械臂上的同軸噴嘴對(duì)所述基材的表面進(jìn)行第一道熔覆，同時(shí)通過(guò)計(jì)算機(jī)控制所述機(jī)械臂使所述激光垂直于所述基材的表面，并按照預(yù)設(shè)好的熔覆路線移動(dòng)； 步驟四:完成第一道熔覆后，從第二道熔覆開(kāi)始搭接熔覆，熔覆路線與第一道相同，并通過(guò)計(jì)算機(jī)控制所述機(jī)械臂使所述同軸噴嘴在熔覆層橫截面平面內(nèi)沿順序搭接方向或其反方向偏轉(zhuǎn)第一角度，在熔覆層縱截面平面內(nèi)沿激光移動(dòng)方向或其反方向偏轉(zhuǎn)第二角度，同一層的后續(xù)多道搭接熔覆的路線及控制方法與第二道搭接熔覆相同，直至完成第一層熔覆； 步驟五:從第二層激光熔覆開(kāi)始，每層激光熔覆路線在水平面內(nèi)均與前一層熔覆路線正交垂直，熔覆控制方法均與第一層相同，持續(xù)熔覆過(guò)程，直至完成所述鎳基單晶高溫合金零件的制造。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用激光熔覆技術(shù)制造鎳基單晶高溫合金零件的方法，其特征在于，所述第一角度為-30°?30°，所述同軸噴嘴偏向順序搭接方向?yàn)檎h(yuǎn)離順序搭接方向?yàn)樨?fù)，所述第二角度為-45°?45°，所述同軸噴嘴朝向熔覆方向偏轉(zhuǎn)時(shí)其偏轉(zhuǎn)角度為正，遠(yuǎn)離熔覆方向偏轉(zhuǎn)時(shí)其偏轉(zhuǎn)角度則為負(fù)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的利用激光熔覆技術(shù)制造鎳基單晶高溫合金零件的方法，其特征在于，所述第一角度為0°?30°，所述第二角度為0°?45°。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的利用激光熔覆技術(shù)制造鎳基單晶高溫合金零件的方法，其特征在于，所述第一角度為30°，所述第二角度為45°。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用激光熔覆技術(shù)制造鎳基單晶高溫合金零件的方法，其特征在于，在進(jìn)行激光熔覆時(shí)，調(diào)節(jié)激光熔覆的搭接率使相鄰兩道微觀組織保持連續(xù)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的利用激光熔覆技術(shù)制造鎳基單晶高溫合金零件的方法，其特征在于，所述搭接率為5 %?51 %。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用激光熔覆技術(shù)制造鎳基單晶高溫合金零件的方法，其特征在于，所述砂紙為200目砂紙。
8.根據(jù)權(quán)利要求1至7任一項(xiàng)所述的利用激光熔覆技術(shù)制造鎳基單晶高溫合金零件的方法，其特征在于，在進(jìn)行激光熔覆時(shí)，調(diào)節(jié)激光熔覆的激光功率、激光掃描速度、送粉速率、光斑直徑、離焦量、第一角度和第二角度，采用與噴嘴隨動(dòng)的主動(dòng)冷卻方法，使得熔池凝固界面沿著豎直方向的溫度梯度保持在1 X107?1 X 10 9攝氏度/米，且激光熔池的尺寸保持在D:W:H= 1?1.5:4?5:2?3，其中D為基材熔化深度，W為熔池寬度，Η為熔池高度。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的利用激光熔覆技術(shù)制造鎳基單晶高溫合金零件的方法，其特征在于，所述激光功率為50瓦?2000瓦，掃描速度為5毫米/秒?200毫米/秒，送粉速率為1克/分鐘?10克/分鐘，光斑直徑為0.5暈米?1暈米，尚焦量為-5暈米?5暈米。
【文檔編號(hào)】C23C24/10GK104480465SQ201410840290
【公開(kāi)日】2015年4月1日 申請(qǐng)日期:2014年12月24日 優(yōu)先權(quán)日:2014年12月24日
【發(fā)明者】劉朝陽(yáng), 齊歡 申請(qǐng)人:上海交通大學(xué)