本發(fā)明涉及高溫合金結(jié)構(gòu)件激光增材制造
技術(shù)領(lǐng)域：
，具體涉及一種k465鎳基高溫合金結(jié)構(gòu)件的激光增材制造工藝。
背景技術(shù)：
：高溫合金在航空航天、燃?xì)廨啓C(jī)等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，k465合金是一種析出相強(qiáng)化、固溶強(qiáng)化的鑄造鎳基高溫合金，該合金具有較高的熱強(qiáng)性、耐高溫氧化性，適用于制造航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片。由于合金中合金元素種類多、含量高，導(dǎo)致合金的成形性能較差，目前該類合金構(gòu)件主要通過鑄造工藝實(shí)現(xiàn)成形。而對(duì)于結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜的結(jié)構(gòu)件，鑄造由于無(wú)法脫模而無(wú)法實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)整體一次性成形，存在較大的制備難題。激光增材制造技術(shù)作為一種新型的高柔性技術(shù)，在制備復(fù)雜結(jié)構(gòu)方面有著其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，目前增材制造技術(shù)，在鈦合金、不銹鋼、高溫合金等材料領(lǐng)域已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了較大程度的應(yīng)用，但相比于傳統(tǒng)工藝，目前成形工藝應(yīng)用合金種類少仍然是增材制造技術(shù)實(shí)現(xiàn)工業(yè)化應(yīng)用的制約之處。而將增材制造技術(shù)引入常規(guī)難成形結(jié)構(gòu)、難成形材料制備領(lǐng)域?qū)τ谔嵘娇战Y(jié)構(gòu)件制備技術(shù)具有重要的意義。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：為了克服現(xiàn)有技術(shù)中k465鎳基高溫合金大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)件難以制備的問題，本發(fā)明的目的在于提供一種k465鎳基高溫合金結(jié)構(gòu)件的激光增材制造工藝，該工藝實(shí)現(xiàn)了k465合金結(jié)構(gòu)件的無(wú)裂紋成形制造。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案如下：一種k465鎳基高溫合金結(jié)構(gòu)件的激光增材制造工藝，該工藝是以k465鎳基高溫合金為原材料，采用激光增材制造技術(shù)成形k465鎳基高溫合金結(jié)構(gòu)件。所述k465鎳基高溫合金化學(xué)成分為(wt.％)：c0.13-0.2％，cr8.0-9.5％，co9-10.5％，w9.5-11％，mo1.2-2.4％，al5.1-6％，ti2-2.9％，nb0.8-1.2％，b≤0.035 ％，fe≤0.1％，ni余量。本發(fā)明成形k465鎳基高溫合金結(jié)構(gòu)件的具體過程及機(jī)理如下：(一)最優(yōu)成形工藝參數(shù)設(shè)計(jì)：對(duì)k465合金進(jìn)行裂紋開裂機(jī)理分析：首先進(jìn)行合金組織組成相分析，k465鎳基高溫合金組織由基體相γ相、強(qiáng)化相γ’相、γ+γ’共晶相和mc碳化物相構(gòu)成。由于該合金中的碳化物相和共晶相存在，導(dǎo)致其在成形過程中容易萌生熱裂紋；另外合金的塑性差，容易導(dǎo)致裂紋擴(kuò)展。增材制造過程中，隨著熔池的不斷移動(dòng)，成形過程溫度場(chǎng)劇烈變化。在熔池移動(dòng)過程中，不斷經(jīng)歷著熔化和凝固過程。合金組織中的共晶相熔點(diǎn)低于合金熔點(diǎn)，在熱影響區(qū)，溫度達(dá)到共晶相熔點(diǎn)，就會(huì)造成該位置處共晶相熔化，而在應(yīng)力作用下出現(xiàn)熱裂紋(液化裂紋)。在隨后的循環(huán)加熱與冷卻過程中，由于應(yīng)力場(chǎng)的存在，引起裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展，如此往復(fù)進(jìn)行，最終導(dǎo)致成形零件分布著大量裂紋，如圖1所示。在同類鎳基高溫合金工藝庫(kù)參數(shù)范圍內(nèi)，設(shè)計(jì)合理的工藝參數(shù)組合進(jìn)行增材制造工藝實(shí)驗(yàn)，通過成形樣件的裂紋率和成形效率，來確定最優(yōu)化的工藝參數(shù)組合。其中裂紋率的判定依據(jù)薄壁腔試樣的貫穿裂紋數(shù)量以及塊狀試樣成形截面單位面積裂紋總長(zhǎng)度來確定裂紋形成率，而成形效率依據(jù)單層熔覆寬度和熔覆高度來衡量。最終確定出k465鎳基高溫合金最優(yōu)成形參數(shù)范圍：激光功率1300w～1600w，掃描速度3～6mm/s，送粉速率1-2g/min，掃描方式為直線掃描或交錯(cuò)掃描，搭接率40％～50％(成形效率高、裂紋傾斜性小)。(二)疊層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：本發(fā)明成形過程中，采用疊層結(jié)構(gòu)來控制裂紋形成和擴(kuò)展，所述疊層結(jié)構(gòu)是指一層k465高溫合金與兩層stellite6高溫合金交替排布形成結(jié)構(gòu)件，即：先成形一層k465高溫合金，再成形兩層stellite6高溫合金，再成形一層k465高溫合金，如此往復(fù)交替進(jìn)行，最終形成具有復(fù)合合金組織的結(jié)構(gòu)件。本發(fā)明依據(jù)合金特征以及增材制造成形過程中溫度場(chǎng)的變化特征，確定的優(yōu)化參數(shù)組合無(wú)法徹底解決該類合金增材制造過程開裂問題。因此，在之前獲得的最優(yōu)化參數(shù)基礎(chǔ)上，采用基板預(yù)熱措施，同時(shí)在激光增材制造過程通過控制單熔覆層材料的組分(即疊層結(jié)構(gòu))來實(shí)現(xiàn)裂紋的控制，通過控制k465合金和stellite6合金成形層數(shù)比，實(shí)現(xiàn)宏觀無(wú)裂紋的試樣制備。采用該疊層結(jié)構(gòu)來控制裂紋思路是，采 用一種低裂紋敏感性與成形本體合金具有較好的冶金結(jié)合性、相關(guān)物理特性差異性小的合金作為中間夾層，來控制裂紋的形成和擴(kuò)展，使得裂紋控制在單熔覆層內(nèi)，甚至消除裂紋。在試樣制備完成后，采用x射線探傷分析薄壁結(jié)構(gòu)裂紋，滲透探傷分析表面裂紋，采用線切割將零件切分成幾個(gè)部分，通過滲透探傷分析截面裂紋來表征內(nèi)部裂紋情況。對(duì)試樣進(jìn)行研磨拋光，分析合金組織形貌及微觀裂紋存在情況。(三)基板預(yù)熱處理和超聲去應(yīng)力處理：本發(fā)明成形過程中，基板進(jìn)行預(yù)熱處理，預(yù)熱溫度為400～500℃，預(yù)熱時(shí)間為1-2h；成形過程中，采用毫克能設(shè)備對(duì)構(gòu)件進(jìn)行超聲去應(yīng)力處理。采用基板預(yù)熱處理，在保證成形件表面不被氧化條件、預(yù)熱效率高條件下，在合金發(fā)生組織變化溫度以下，設(shè)置合理的預(yù)熱溫度進(jìn)行基板預(yù)熱處理，均勻k465增材制造過程溫度場(chǎng)。并采用超聲去應(yīng)力設(shè)備，在成形過程中，對(duì)結(jié)構(gòu)容易開裂位置處，進(jìn)行超聲去應(yīng)力處理，避免這些結(jié)構(gòu)位置處，由于應(yīng)力場(chǎng)過大而形成裂紋。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)及有益效果如下：1、本發(fā)明采用激光增材制造技術(shù)實(shí)現(xiàn)k465鎳基高溫合金復(fù)雜結(jié)構(gòu)件一次性整體成形，由于k465鎳基高溫合金中的碳化物相和共晶相存在，導(dǎo)致合金在成形過程中容易形成熱裂紋；另外材料的塑形差，易導(dǎo)致裂紋擴(kuò)展。本發(fā)明提出了相應(yīng)的裂紋控制措施，保證成形過程穩(wěn)定進(jìn)行。2、本發(fā)明成形過程中，采用疊層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來控制裂紋形成和擴(kuò)展，這種工藝方法可以在滿足k465鎳基高溫合金結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的同時(shí)，提高成形結(jié)構(gòu)的整體韌性，實(shí)現(xiàn)宏觀無(wú)裂紋的試樣制備。合金凝固組織受成形特征影響，以強(qiáng)制生長(zhǎng)的樹枝晶方式近視平行于生長(zhǎng)方向的枝晶構(gòu)成，兩種合金在形成了較為良好的冶金結(jié)合。在工藝控制合理的情況下，抑制構(gòu)件組織中微觀裂紋的出現(xiàn)。附圖說明圖1為零件表面裂紋分布情況。圖2為疊層結(jié)構(gòu)增材制造原理圖；圖中：1-k465合金，2-stellite6合金。圖3為無(wú)裂紋試樣。圖4為k465/stellite6夾層結(jié)構(gòu)組織照片。具體實(shí)施方式下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的描述，但本發(fā)明的實(shí)施方式不限于此。本發(fā)明為k465鎳基高溫合金結(jié)構(gòu)件的激光增材制造工藝，該工藝是以k465鎳基高溫合金為原材料，采用激光增材制造技術(shù)成形k465鎳基高溫合金結(jié)構(gòu)件。k465鎳基高溫合金是一種典型的高硬脆材料，由于材料的工藝特性使其在激光增材制造過程中易導(dǎo)致裂紋萌生和擴(kuò)展。本發(fā)明針對(duì)k465鎳基高溫合金的激光增材制造工藝難題，通過采用工藝參數(shù)組合優(yōu)化、夾層梯度結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及溫度場(chǎng)優(yōu)化三種工藝措施，實(shí)現(xiàn)了大型結(jié)構(gòu)件無(wú)裂紋激光增材制造。(1)工藝參數(shù)確定結(jié)合單道試樣貫穿裂紋數(shù)量如下表所示，以及塊狀樣品裂紋分布情況，確定出合金最優(yōu)化的參數(shù)范圍，激光功率范圍1300w～1600w，掃描速度范圍3-6mm/s、搭接率40％～50％，成形試樣綜合指標(biāo)較好(成形效率高、裂紋傾斜性小)，下表1為薄壁結(jié)構(gòu)裂紋分布情況隨工藝參數(shù)變化表。表1裂紋分布情況隨工藝參數(shù)變化統(tǒng)計(jì)表(2)疊層結(jié)構(gòu)在1600w、掃描速度6mm/s、搭接率40％～50％參數(shù)組合下，采用1層k465合金+2層stellite6合金一次交替堆積成形了疊層結(jié)構(gòu)。(3)以下各實(shí)施例及對(duì)比例構(gòu)件成形過程中，基板進(jìn)行預(yù)熱處理，預(yù)熱溫度 為400～500℃，預(yù)熱時(shí)間為1-2h；成形過程中，通過毫克能超聲波去應(yīng)力裝置進(jìn)行應(yīng)力場(chǎng)控制。實(shí)施例1-3(1)工藝參數(shù)：各實(shí)施例工藝參數(shù)如表2所示：表2工藝參數(shù)表工藝參數(shù)實(shí)施例1實(shí)施例2實(shí)施例3對(duì)比例1激光功率1600w1600w1800w1000w掃描速度6mm/s6mm/s6mm/s6mm/s送粉速率1.0g/min1.5g/min2g/min1.5g/min掃描方式直線掃描直線掃描交錯(cuò)掃描直線掃描搭接率40％45％50％45％(2)疊層結(jié)構(gòu)：采用1層k465合金與2層stellite6合金交替堆積，如圖2所示，先成形一層k465高溫合金，再成形兩層stellite6高溫合金，再成形一層k465高溫合金，如此往復(fù)交替進(jìn)行，最終一次成形具有復(fù)合合金組織的的零件。如圖3所示，試樣截面無(wú)裂紋分布，經(jīng)過x射線及表面探傷分析，未發(fā)現(xiàn)裂紋。對(duì)合金微觀組織分析表明，合金凝固組織受成形特征影響，以強(qiáng)制生長(zhǎng)的樹枝晶方式近視平行于生長(zhǎng)方向的枝晶構(gòu)成，如圖4所示。兩種合金形成了較為良好的冶金結(jié)合。在工藝控制合理的情況下，組織分析并未出現(xiàn)微觀裂紋。(3)成形過程中，基板預(yù)熱溫度450℃，預(yù)熱時(shí)間為1h。對(duì)比例1(1)工藝參數(shù)：對(duì)比例1工藝參數(shù)如表2所示。(2)疊層結(jié)構(gòu)：采用1層k465合金與2層stellite6合金交替堆積，一次成形了疊層結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)件。試樣截面有微裂紋分布。(3)基板預(yù)熱溫度450℃，預(yù)熱時(shí)間為1h。對(duì)比例2(1)工藝參數(shù)：對(duì)比例2工藝參數(shù)與實(shí)施例1相同。(2)單層k465增材結(jié)構(gòu)堆積成形。(3)基板預(yù)熱溫度450℃，預(yù)熱時(shí)間為1h。通過對(duì)比上述實(shí)施例與對(duì)比例可以看出，本發(fā)明增材制造工藝在優(yōu)化的工藝參數(shù)基礎(chǔ)上，相比于單k465增材結(jié)構(gòu)成形采用疊層結(jié)構(gòu)可以顯著的降低裂紋形成， 但是由于實(shí)際零件成形的復(fù)雜性，以及k465合金的弱變形性，對(duì)于大型零件，由于應(yīng)力場(chǎng)大，局部強(qiáng)度超過抗拉強(qiáng)度而出現(xiàn)裂紋。其中一部分裂紋可以通過采用機(jī)械去除+重新增材制造來實(shí)現(xiàn)裂紋控制。本發(fā)明提出的合金成形工藝，適合于小尺寸、合金結(jié)構(gòu)變化小、成形過程應(yīng)力場(chǎng)變化小的k465合金零件無(wú)裂紋制造。當(dāng)前第1頁(yè)12