一种感应加热控制激光直接成形高温合金定向生长的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及金属增材制造领域，特别涉及一种感应加热控制激光直接成形高温合金定向生长的方法。
【背景技术】
[0002]激光直接成形技术是一种常见的主要用于金属材料成形的增材制造技术，自20世纪90年代初期出现以来，在世界范围内引起了广泛的关注和研究。激光直接成形技术将激光熔覆技术和快速原型技术结合在一起，涉及了计算机辅助设计、快速成形、激光加工、材料科学和控制技术等各领域学科，可以直接制造出致密度接近100%，力学性能与锻件相当且形状复杂的金属零件，在航空航天、生物医疗和军工装备等领域具有很好的应用前景。根据现有的关于激光直接成形定向晶组织生长的理论，在激光直接成形过程中，使熔池与基板之间形成了自上而下的超高温度梯度(可达到106K/m)，在超高的冷却速度下，熔池瞬间凝固(凝固速度可达到24mm/s)，使熔覆层微观组织呈现沿Z轴强制定向晶生长规律。所以温度梯度是影响定向晶生长的主要驱动力，要想获得良好的定向晶组织，必须对基体底部进行对流冷来提高温度梯度，但是不管对基体采用何种方法进行冷却来增大温度梯度，熔池两侧区域的温度梯度依然不会沿着Z轴方向，这是由于其与周围的保护气直接接触并进行热量传递，冷却速度也很快，导致R方向的温度梯度开始对定向晶的生长产生影响，并且随着成形过程中热量的不断积累，Z方向的温度梯度有所减小，R方向温度梯度的影响作用越来越明显，从而使定向晶生长方向发生偏转而不能沿Z轴方向外延生长，最终影响了整个成形件的微观组织和性能。
【发明内容】
[0003]本发明的目的在于克服上述高温合金成形过程中熔池两侧温度梯度发生偏转的问题，提供一种感应加热控制激光直接成形高温合金定向生长的方法，该方法保证整个熔池区域在凝固过程中保持沿Z方向正的温度梯度，使成形件具有更加完整的沿Z轴方向外延生长的定向晶组织。
[0004]本发明技术方案的实现包括以下步骤:
[0005]1)根据成形零件的轮廓外形或者需要修复零件的基体轮廓形状确定感应线圈的形状，形状为零件轮廓的等距外轮廓曲线；
[0006]2)将感应线圈安装到合适位置，使线圈中间平面位于基体成形表面以上0.5?5mm位置处，同时调整红外测温探头位置，使红外测温光斑位于基体成形表面以下0.2?3_处，并设定红外控温系统的温度至500?1000°C ；
[0007]3)先打开连接在工作台上的冷却水通道，后打开感应加热装置，对基体成形表面附近区域预热至设定温度，打开激光金属直接成形系统，激光功率相对于正常激光成形降低10?30%，进行第一层熔覆成形；
[0008]4) 一层完成后，上升一个成形层高度0.1?1mm，感应线圈和红外探头上升相同的高度，进行下一层熔覆成形；
[0009]5)重复(4)步骤，直到完成整个实体零件的激光直接成形，获得所需零件。
[0010]本发明的技术效果是:本发明使最终成形的零件和修复部分具有更加完整的沿Z轴方向外延生长的定向晶组织，改善其力学性能，为高温合金定向晶类零件(特别是定向晶叶片等航空航天领域关键零件)的激光直接成形和激光修复提供指导作用，在高温合金激光增材制造领域带来明显的经济效益。
【附图说明】
[0011]图1为本发明方法的感应加热控制定向晶生长的原理示意图。
[0012]图2(a)为无感应加热下成形的DZ125L实体局部区域的金相图。
[0013]图2(b)为有感应加热下成形的DZ125L实体局部区域的金相图。
[0014]图3(a)为无感应加热下成形的DZ125L实体边界区域的金相图。
[0015]图3(b)为有感应加热下成形的DZ125L实体边界区域的金相图。
【具体实施方式】
[0016]本发明首先找到最佳的感应线圈的形状、线圈铜管的直径、感应线圈的位置以及感应加热温度等参数，使感应线圈位于合适的位置，加热作用仅局限于熔池附近区域，不影响熔池区域到基板的Z向正温度梯度，但是同时又抑制了熔池凝固过程中R方向的温度梯度。最后，由于采用了感应加热对熔池附近区域进行加热，感应加热成为形成熔池的热源之一，所以可以适当地优化工艺参数(降低激光功率，提高扫描速度)，来和激光能量相互配合，共同完成成形过程。
[0017]在本发明成形过程中，线圈和红外测温探头在滑台带动下，跟随熔覆平面的上升而上升相同的距离，保证在进行每一层熔覆成形时，线圈和红外测温光斑都处于相对于熔覆平面固定的最佳的位置，使Z向温度梯度成为熔池两侧区域定向晶生长的主导驱动力，最终使成形的零件或修复的区域具有更加完整的沿Z轴方向外延生长的定向晶组织。
[0018]感应加热控制DZ125L圆柱实体零件定向晶生长实验
[0019](A)在没有进行感应加热控制下成形圆柱实体
[0020]基本工艺参数:粉末粒度30?60 μ m，激光功率200W，激光光斑直径0.5mm，扫描速度8mm/s，送粉量8.7?9.3g/min，Z轴提升量Λ Ζ = 0.10mm，搭接率34% 0
[0021]在直径Φ 10mm的40Cr圆柱基体上成形Φ7πιπι的DZ125L高温合金圆柱实体，成形高度5mmο
[0022](Β)在感应加热控制下成形圆柱实体
[0023]基本工艺参数:粉末粒度30?60 μ m，激光功率150W，激光光斑直径0.5mm，扫描速度8mm/s，送粉量8.7?9.3g/min，Z轴提升量Λ Ζ = 0.10mm，搭接率34%，感应线圈为单圈圆环形，圆环内径20mm，线圈铜管内径6mm，感应加热设定温度990°C，线圈中间平面位于基体成形表面以上0.8mm。
[0024]在直径Φ 10mm的40Cr圆柱基体上成形Φ 7mm的DZ125L高温合金圆柱实体，成形高度5mmο
[0025]1.首先将感应线圈4安装到合适位置，使线圈中间平面位于基体3成形表面以上0.8mm位置处，同时调整红外测温探头5位置，使红外测温光斑位于基体3成形表面以下0.2mm处，并设定红外控温系统的温度至990°C ;
[0026]I1.先打开冷却水通道1，后打开感应加热装置，使感应线圈4对基体成形表面附近区域进行预热至设定温度，打开激光金属直接成形系统，进行第一层熔覆成形；
[0027]II1.一层完成后，上升一个成形层高度0.1mm，感应线圈4和红外探头5上升相同的高度0.1mm，进行下一层恪覆成形；
[0028]IV.重复III步骤，直到完成整个圆柱实体的激光直接成形，获得高度为5mm的圆柱实体。
[0029]成形完成后，对试样进行线切割、镶嵌、粗磨、细磨、抛光、腐蚀，最后在KEYENCEVH-8000数字光学显微镜下观察定向晶组织生长状况。
[0030]图2为无感应加热控制和有感应加热控制条件下成形的DZ125L实体圆柱相同局部区域的金相组织图。在无感应加热的图2(a)中，每一个熔池凝固过程中两侧区域都会出现转向晶，从而导致最终的成形件微观组织中转向晶较多，在线切割过程中被拦腰切断，在金相图中呈现椭圆状类似于等轴晶的形状；相反，在图2(b)有感应加热条件下，消除了每一个熔池凝固过程中两侧区域的R向温度梯度，使两侧区域的定向晶与中间区域同样沿Z轴方向外延生长，从而保证整个成形件具有更加完整的沿Z轴方向的定向晶组织，在线切割过程中被沿着Z轴方向从上到下完整剖开，在金相图中呈现细长条状。在图3(a)无感应加热条件下，成形件纵剖面边缘处的转向晶区域宽度达到228.25 μm ;而在图3(b)有感应加热条件下，转向晶宽度只有63.09 μπι。由此可见，感应加热对于熔池边缘区域的温度梯度控制和定向晶生长控制作用明显，使成形件具有更加完整的定向晶组织。
【主权项】
1.一种感应加热控制激光直接成形高温合金定向生长的方法，其特征在于，使整个成形件具有更加完整的沿沉积方向外延生长的定向晶组织，包括以下步骤: 1)根据成形零件的轮廓外形或者需要修复零件的基体轮廓形状确定感应线圈的形状，形状为零件轮廓的等距外轮廓曲线； 2)将感应线圈(4)安装到合适位置，使线圈中间平面位于基体(3)成形表面以上0.5_?5_位置处，同时调整红外测温探头(5)位置，使红外测温光斑位于基体(3)成形表面以下0.2mm?3mm处，并设定红外控温系统的温度至500°C?1000°C ； 3)先打开连接在工作台(2)上的冷却水通道(1)，后打开感应加热装置，对基体成形表面附近区域预热至设定温度，打开激光金属直接成形系统，激光功率相对于正常激光成形降低10?30%，进行第一层熔覆成形； 4)一层完成后，上升一个成形层高度0.1mm?1mm，感应线圈(4)和红外探头(5)上升相同的高度，进行下一层熔覆成形； 5)重复(4)步骤，直到完成整个实体零件的激光直接成形，获得所需零件。2.根据权利要求1所述的感应加热控制激光直接成形高温合金定向生长的方法，其特征在于，步骤1)中感应线圈的截面形状和尺寸同样要根据成形或修复的零件形状确定，线圈根据铜管截面形状分为圆形和方形，圆形截面线圈的铜管外径为3mm?12mm，方形截面线圈的铜管长宽度都为4mm?20mm，线圈内表面距离基体侧面2mm?25mm，线圈圈数为1?8圈。
【专利摘要】本发明公开了一种感应加热控制激光直接成形高温合金定向生长的方法。在高温合金激光直接成形过程中，基体底部采用了对流冷却，熔池沿Z轴方向散热，形成了Z向正温度梯度，使柱状晶沿Z轴方向外延生长。熔池两侧区域由于与保护气直接接触，在凝固过程中主要向保护气散热，使温度梯度向R方向偏转，从而导致柱状晶生长方向发生偏转，最终影响成形件的微观组织和力学性能。针对上述问题，采取感应加热线圈对熔池附近进行预热，抑制熔池向R方向散热，防止温度梯度发生偏转，保证Z向温度梯度在整个熔池凝固过程中起主导作用，使熔池周围两侧区域的定向晶仍沿Z轴方向生长，以此保证成形件最终获得连续完整的定向晶凝固组织和优异的力学性能。
【IPC分类】C23C24/10
【公开号】CN105256311
【申请号】CN201510820837
【发明人】张安峰, 李涤尘, 梁少端, 王潭, 严深平
【申请人】西安交通大学
【公开日】2016年1月20日
【申请日】2015年11月23日