一种高温合金零件的激光增材制造工艺的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及高温合金粉末激光增材制造技术，具体为一种一种高温合金零件的激 光增材制造工艺。
【背景技术】
[0002] 增材制造技术是将设计产品通过CAD (计算机辅助设计）软件转化为3D数据，之 后通过特定的成型设备（即增材制造机)，用液化、粉末化、丝化的固体材料逐层"制造"出产 品。增材制造技术也称"3D打印"或"快速成形"。根据工艺的不同增材制造技术的主要成 型方法包括：光固化成形（SLA)、分层实体制造（L0M)、激光选域烧结（SLS)、熔融沉积成形 (FDM)以及金属近净成形等。区别于传统的"去除型"制造，增材制造技术无需原胚和模具， 就能直接根据计算机图形数据通过增加材料的方法生成任何形状的物体，因此可以简化产 品的制造程序，缩短产品研制周期，提高效率并降低成本。
[0003] 目前，高温合金零件广泛应用于航空领域的各个方面，但高温合金零件的加工制 造一直是影响高温合金广泛应用的难题。高温合金又叫热强合金，它是航空制造发动机、飞 机等高温及承力部分的关键材料。主要用于制造燃烧室，涡轮叶片，导向叶片，压气机，飞机 结构件与涡轮盘，涡轮机匣等部位。使用温度较高，受力与环境条件随使用零件所在部分不 同而异，对合金的力学，物理，化学性能有严格的要求，是各类航空装备的性能，可靠性与寿 命的决定性因素。但由于高温合金的机械加工性能较差，传统的锻造加机械加工的制造大 型高温合金零件方法，不仅需要大型重型锻造工业设备，而且制造工序繁多、工艺复杂，零 件机械加工余量很大。材料利用率低、数控加工时间长、制造成本高，严重制约了高温合金 零件在先进工业及国防装备中的广泛应用。
[0004] 鉴于上述传统大型高温合金零件制造技术存在的缺点，激光增材制造技术作为一 种先进制造技术为大型高温合金零件的制造提供了新途径。但激光增材制造技术从出现伊 始，就面临着内部质量不高、工艺稳定性较差等难题。特别是缺乏一种针对于高温合金材料 的激光增材制造工艺。因此，研究一种采用激光增材制造方法直接制造出高温合金零件的 加工工艺，解决高温合金激光增材制造技术的制约性难题具有非常重要的意义。
【发明内容】
[0005] 针对上述高温合金激光增材制造加工过程中，经常出现内部质量差、变形和开裂 等问题。本发明目的在于提供一种内部质量好、材料利用率高、制造周期短及制造成本低的 激光增材制造高温合金零件工艺方法。
[0006] 为实现本发明的目的，本发明的技术方案为：
[0007] -种高温合金零件的激光增材制造工艺，该工艺是采用高功率激光束按照预先规 划的扫描路径逐层熔化堆积高温合金粉末，制造出高温合金零件；所述高温合金为铁基高 温合金或镍基高温合金，当高温合金为铁基高温合金时，激光增材制造工艺参数范围：激 光功率为2000~2500W，扫描速度为5~15mm/s，送粉速率为0. 4~3g/min，分层厚度为 0. 6~I. 2mm，扫描间距为1~2mm ;当高温合金为镍基高温合金时，激光增材制造工艺参数 范围：激光功率为18000~2200W，扫描速度为5~15mm/s，送粉速率为0. 8~2g/min，分 层厚度为〇. 6~I. 2mm，扫描间距为1~2_。
[0008] 所述预先规划的扫描路径是指填充式扫描方式，即奇数层时，先进行激光增材制 造高温合金零件的外轮廓的扫描，再进行其内部填充；偶数层时，先进行激光增材制造高温 合金零件的内部填充，再进行其外轮廓的扫描。
[0009] 激光增材制造工艺过程中，采用应力控制方法，所述应力控制方法即在基材部分 引入超声振动，超声振动的具体参数为：工作频率40000HZ，最大输出振幅50 μ m，处理速度 20~40m/h，额定功率1000W。
[0010] 上述所述高温合金零件整个制造过程由计算机控制，实现一次性近净成形。
[0011] 本发明原理如下：
[0012] 本发明高温合金零件的激光增材制造工艺主要针对铁基和镍基高温合金。首先， 采用正交实验法，并通过大量基础工艺实验确定了两种高温合金基本工艺参数带，得到了 包括激光功率、扫描速度、送粉速率、扫描间距、分层厚度等工艺参数对激光增材制造单层 的形貌及尺寸的影响规律，进而确定铁基材料和镇基材料的工艺参数范围。
[0013] 本发明采用特定的激光扫描路径，并通过优化扫描间距，变换激光打印零件不同 层间加工工艺参数等，实现零件内部缺陷控制。
[0014] 本发明提出新的应力控制方法，即在激光增材制造过程中引入超声波应力消除技 术，防止出现激光增材制造零件的变形开裂等质量问题。
[0015] 本发明与现有技术相比具有如下优点：
[0016] 1、本发明根据新的激光扫描路径，采用优化扫描间距，变换激光增材制造零件不 同层间加工工艺参数，同时在激光增材制造过程中引入超声波应力消除技术，对高温合金 零件进行激光增材制造加工，能控制激光增材制造零件内部缺陷，以保证其内部质量。
[0017] 2、效率高，成本低
[0018] 本发明方法主要确定2种牌号高温合金材料的基本工艺参数，提出新的激光扫描 路径、应力控制方法及激光增材制造零件内部缺陷控制方法；采用本发明的激光增材制造 工艺制造出的高温合金零件，可极大地提高高温合金零件的材料利用率、缩短制造周期及 降低相关制造成本；解决传统锻造加工机械加工高温合金零件的加工成本高、制造工序繁 多、工艺复杂，零件机械加工余量很大等问题。
[0019] 3、零件内部质量好
[0020] 本发明利用提出的激光增材制造零件内部缺陷控制方法，使制造出的高温合金零 件的内部缺陷较少，基本解决了内部质量差、变形和开裂等问题，且经过拉伸等力学性能试 验，发现其相关力学性能指标已经接近高温合金锻造件的水平。通过分析零件的内部金相 组织发现，零件的内部组织呈现细小网篮状，且晶粒状态为力学性能较好的等轴晶体，使得 本发明制造的高温合金零件具备了实际工业应用的水平。
[0021] 4、自动化程度高，易操作
[0022] 本发明采用的激光增材制造设备是以2000W光纤激光器为核心，辅以送粉装置、 应力消除装置和机械手。激光增材制造设备整体自动化水平高，可全程实现计算机控制。且 本发明提出的工艺方法，操作步骤简单，易于实现。
【附图说明】
[0023] 图1为传统激光扫描路径示意图；图中（a)、（b)和（c)为三种不同扫描路径。
[0024] 图2为传统加工的高温合金激光增材制造零件存在缺陷的实物照片。
[0025] 图3为本发明的激光扫描路径示意图。
[0026] 图4为本发明激光增材制造零件的内部质量改善的实物照片。
[0027] 图5为本发明实施例1激光增材制造高温合金零件实物照片；图中（a)和（b)为 不同角度的拍摄照片。
[0028] 图6为本发明的激光增材制造工艺设备。
[0029] 图7为本发明实施例2激光增材制造高温合金零件实物照片。
【具体实施方式】
[0030] 下面结合附图和实施例对本发明进一步详细描述：
[0031] 实施例1 :
[0032] 本实施例1是采用激光增材制造工艺制造汽轮机的整体叶轮试验件，该试验件属 于典型的薄壁回转件，工艺过程如下：
[0033] (1)确定高温合金基本工艺参数：采用的激光增材制造材料是：牌号43-X的铁基 材料，规格为-100~+200目。优化铁基材料(牌号43-X)的基本工艺参数的工艺实验，采 用正交实验法，得到了包括激光功率、扫描速度、送粉速率、扫描间距、分层厚度的各工艺参 数对激光增材制造成形层形貌及尺寸的影响规律，进而确定铁基材料(牌号43-X)的具体的 工艺参数范围，如表1所示。
[0034] 表 1
[0035]
【主权项】
1. 一种高温合金零件的激光增材制造工艺，其特征在于：该工艺是采用高功率激光束 按照预先规划的扫描路径逐层熔化堆积高温合金粉末，制造出高温合金零件；所述高温合 金为铁基高温合金或镍基高温合金，当高温合金为铁基高温合金时，激光增材制造工艺参 数范围：激光功率为2000~2500W，扫描速度为5~15mm/s，送粉速率为0. 4~3g/min，分 层厚度为〇. 6~I. 2_，扫描间距为1~2mm;当高温合金为镍基高温合金时，激光增材制造 工艺参数范围：激光功率为18000~2200W，扫描速度为5~15mm/s，送粉速率为0. 8~2g/ min,分层厚度为0. 6~I. 2mm，扫描间距为1~2mm。
2. 根据权利要求1所述的高温合金零件的激光增材制造工艺，其特征在于：激光束的 扫描路径采用填充式扫描方式，即奇数层时，先进行激光增材制造高温合金零件的外轮廓 的扫描，再进行其内部填充；偶数层时，先进行激光增材制造高温合金零件的内部填充，再 进行其外轮廓的扫描。
3. 根据权利要求1所述的高温合金零件的激光增材制造工艺，其特征在于：激光增材 制造工艺过程中，采用应力控制方法，即在基材部分引入超声振动，超声振动的具体参数 为：工作频率40000HZ，最大输出振幅50iim，处理速度20~40m/h，额定功率1000W。
4. 根据权利要求1或2所述的高温合金零件的激光增材制造工艺，其特征在于：所述 高温合金零件整个制造过程由计算机控制，实现一次性近净成形。
【专利摘要】本发明公开了一种高温合金零件的激光增材制造工艺，属于金属粉末激光增材制造技术领域。该工艺首先通过基础工艺实验，确定不同高温合金材料的工艺参数范围，然后在制造过程中采用特定的激光扫描路径及相关内部缺陷控制方法进行增材制造。本发明制造的零件具有成形效率高，成本低，零件内部质量好，自动化程度高，易操作等优势。采用本发明能够直接制造出具备工业应用水平的高温合金零件，提供了一种高温合金零件制造的新途径。
【IPC分类】B22F3-105
【公开号】CN104785778
【申请号】CN201410024024
【发明人】赵宇辉, 赵吉宾, 王福雨, 来佑彬, 王志国
【申请人】中国科学院沈阳自动化研究所
【公开日】2015年7月22日
【申请日】2014年1月17日