本发明涉及金属材料激光增材制造领域，特别是涉及一种激光增材制造镍基高温合金laves脆性相控制的加工方法及装置。
背景技术：
激光增材制造技术是一种基于“增材”制造理念的先进材料制备技术，该技术充分发挥了激光熔覆技术中熔体金属非平衡凝固和快速原型技术逐点逐层成形三维实体零件的优点，可以实现复杂结构金属零件的快速高性能成形和修复。由于熔池金属的凝固过程具有近快速凝固特点，激光增材制造金属材料多具有组织细密、合金元素的过饱和程度大等特点，且由于是同成分合金粉末的逐点成形，激光立体成形制备的材料不存在合金元素的宏观偏析，而在枝晶间仍存在合金元素的微观偏析，并造成了枝晶间laves脆性相的产生，对合金性能造成不利影响。特别的，对于局部激光增材修复零件来说，考虑到零件受热变形以及锻件组织晶粒长大、沉淀强化相溶解等潜在风险，镍基高温合金激光修复件不允许采用高温的均质化和固溶处理，此时修复区仍为沉积态铸态组织，其中存在的laves相占用了大量nb等合金元素，造成基体γ相中γ”强化相贫化，加之laves脆性相的存在，材料性能较差。
有关laves相消除机制的研究主要集中在铸造合金热处理及镍基高温合金焊缝中的laves溶解机制。宁秀珍等提出了均匀化处理的新观点，指出少量液体的存在可从温度、浓度梯度和接触面积三个方面促进gh169合金均匀化过程，从而可使laves相消除的时间大大缩短。从无液体的1120℃，到有少量液体的1180℃，少量液体的存在方面加速均匀化过程。李爱兰等采用金相显微镜对热处理前后的k4169合金微观组织进行研究。结果表明，k4169经1095℃均匀化+955℃固溶+720℃时效后laves相体积分数减少，周围生成针状δ相。王凯等对k4169合金进行1165℃、4h、140mpa热等静压处理，发现laves相基本消失，无微观疏松，是一种效果很好的热处理工艺。janakiram等研究了电流脉冲对inconel718合金gta焊接焊缝金属中laves相析出的影响，研究发现脉冲电流在细化焊缝熔合区晶粒组织的同时有效地减小了laves相的数量。sivaprasad等比较了冷却速度对718合金焊缝显微组织的影响，发现高的冷却速度可以得到细小且离散的laves相，而较低冷却速度同时会增加laves相中的nb元素的含量。manikandan等考察了冷却速率对718合金gta焊缝金属枝晶间laves相和合金元素微观偏析，采用液氮冷却的方法获得了较快的冷却速率，使得合金元素微观偏析和laves相体积分数得到减小，同时laves相形貌也变得细小分散。xiao等研究了激光模式在激光増材制造718合金nb元素偏析和laves相形成的影响，发现准连续激光由于能量输入小更容易获得等轴晶组织、更小的元素微观偏析和更细小分散的laves相。long等研究了凝固条件对激光熔覆inconel718合金中的nb元素偏析行为的影响，发现冷却速率对nb的偏析有明显作用，高的冷却速率有利于抑制nb的偏析，并减少laves相的形成。
总结以上文献报导，研究者多以增加熔池冷却速率来改变熔池凝固行为，获得更细密的枝晶组织，从而实现枝晶间laves相析出的控制。然而，依靠外界冷却而增加熔池冷却速率的方式对小尺寸零件的增材制造或许有用，而对于尺寸较大，特别是高度较大且形状复杂的零件的成形，基板的冷却效果有限，仅依靠通过基板冷却来实现laves脆性相的消除也就无法实现。另外，对于金属零件的激光增材修复，此时则根本无法通过基板的冷却来增加熔池的冷却速率。
技术实现要素：
本发明的目的是提供一种激光增材制造镍基高温合金的加工方法及装置，解决了增材制造过程中无法减少枝晶间laves脆性相的析出的问题。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种激光增材制造镍基高温合金的加工方法，包括：
将镍基高温合金的样品装夹在数控工作台上；
确定所述样品的加工位置；
对所述加工位置施加激光，形成液体金属熔池；
对所述液体金属熔池施加电磁场；
将粉末金属送入所述液体金属熔池；所述金属粉末在所述激光作用下熔化并在所述电磁场的作用下发生凝固，得到成形的样品，完成镍基高温合金的加工。
可选的，所述将粉末金属送入所述液体金属熔池具体包括：同轴送粉法和侧向送粉法。
可选的，所述的激光具体为：所述激光由激光加工头发射，所述激光为工业用二氧化碳激光，或固体激光，或光纤激光。
可选的，所述电磁具体为：旋转磁场，磁场强度，50～500mt，磁场频率30～200hz。
可选的，还包括：安装电磁产生装置，将电磁搅拌装置固定在数控工作台的周围，使得所述电磁场作用范围可以覆盖所述样品的整个需要加工的区域。
可选的，所述将镍基高温合金的样品装夹在数控工作台上之前还包括：将所述样品的表面打磨后用丙酮清洗，以去除氧化物和油污。
可选的，所述对所述液体金属熔池施加电磁场具体包括：采用4+2n(n为大于等于1的整数)个电磁线圈，配合磁头和励磁电源产生；所述励磁电源可实现变压、整流和滤波和放大功能，最终输出交流脉冲信号给各个励磁线圈。
一种激光增材制造镍基高温合金的加工装置，包括：
数控工作台、激光加工头、电磁产生装置、送粉头；
所述数控工作台用于盛放镍基高温合金的样品；
所述激光加工头用于对所述样品施加激光照射；
所述电磁产生装置用于对所述液体金属熔池施加电磁场；
所述送粉头用于将粉末金属送入所述液体金属熔池。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明在镍基高温合金的激光增材制造加工(成形或修复)过程中，对熔池液态金属施加辅助电磁场，借助电磁场对激光熔池液态金属的电磁搅拌作用，一方面可以实现熔池温度场的重新分布，增加固液界面前沿温度梯度；另一方面可以借助电磁场的剧烈搅拌作用加速固液界面前沿富集的溶质原子向熔池内部的扩散分散过程。以上两方面作用可有效避免熔池液态金属凝固过程中枝晶间laves+γ共晶反应的进行，从而减少枝晶间laves脆性相的尺寸和体积分数，减少nb、al和ti等合金元素的微观偏析，并促进nb等合金元素在枝晶干γ相中的含量，促进后续热处理过程中枝晶干γ”强化相的有效析出，提高增材制造成形或修复件的力学性能。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例镍基高温合金的加工方法流程图；
图2为本发明实施例采用传统同轴送粉激光增材制造方法获得的镍基高温合金显微组织图；
图3为本发明实施例采用本发明同轴送粉激光增材制造方法获得的镍基高温合金显微组织图；
图4为本发明实施例采用传统同轴送粉激光增材制造方法获得的镍基高温合金合金中laves相形貌；
图5为本发明实施例采用本发明同轴送粉激光增材制造方法获得的镍基高温合金合金中laves相形貌。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种激光增材制造镍基高温合金的加工方法及装置，解决了增材制造过程中无法减少枝晶间laves脆性相的析出的问题。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1为本发明实施例镍基高温合金的加工方法流程图。参加图1，一种激光增材制造镍基高温合金的加工方法，包括：
步骤101：将镍基高温合金的样品装夹在数控工作台上；
步骤102：确定所述样品的加工位置；
步骤103：对所述加工位置施加激光，形成液体金属熔池；
步骤104：对所述液体金属熔池施加电磁场；
步骤105：将粉末金属送入所述液体金属熔池；所述金属粉末在所述激光作用下熔化并在所述电磁场的作用下发生凝固，得到成形的样品，完成镍基高温合金的加工。
采用上述方法借助电磁场对液态熔池的强烈搅拌作用，实现熔池内温度场和溶质场的重新分配，增加固液界面温度梯度，削弱固液界面前沿溶质富集，减少枝晶间共晶反应发生几率，减少枝晶间laves脆性相的析出。
其中激光增材制造方法是：基于同步送粉的激光增材制造方法，送粉方式包括同轴送粉法和侧向送粉法
步骤103所采用的激光束类型是：工业用二氧化碳激光，或固体激光，或光纤激光。
其中，所采用的送粉气体是：纯度为大于99.9％的纯氩气。
步骤104所采用的电磁场是：旋转磁场，磁场强度，50～500mt，磁场频率30～200hz。
所采用的电磁场的产生是：采用4+2n(n为大于等于1的整数)个电磁线圈，配合磁头和励磁电源产生。其中励磁电源可实现变压、整流和滤波和放大等功能，最终输出交流脉冲信号给各个励磁线圈。
所采用的电磁场施加方式是：采用电磁产生装置随送粉头随动，或电磁产生装置放置于工作台，同时成形试样或零件放置于装置中心并紧固。
所采用的电磁场磁场强度使用高斯计测量，测量时高斯计放置于激光熔池位置正上方1～2mm处。
一种激光增材制造镍基高温合金的加工装置，包括：
数控工作台、激光加工头、电磁产生装置、送粉头；
所述数控工作台用于盛放镍基高温合金的样品；
所述激光加工头用于对所述样品施加激光照射；
所述电磁产生装置用于对所述液体金属熔池施加电磁场；
所述送粉头用于将粉末金属送入所述液体金属熔池。
以下结合说明书附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。
实施例1
图2为本发明实施例采用传统同轴送粉激光增材制造方法获得的镍基高温合金显微组织图；图3为本发明实施例采用本发明同轴送粉激光增材制造方法获得的镍基高温合金显微组织图；参见图2和图3。
s1、工艺试验获得镍基高温合金激光增材制造成形性良好的工艺参数，参数包括：激光功率2000w，扫描速率480mm/min，送粉速率5g/min，送粉气体流量6l/min，激光光斑尺寸2mm，道间搭接率40％，层间高度0.3mm。所用基材为1cr18ni9ti不锈钢，所用粉末为等离子旋转电极法制备的gh4169合金粉末，颗粒尺寸100目。
s2、在镍基高温合金的激光增材制造成形全过程中，对熔池液态金属施加辅助电磁场，其参数为：磁场强度50mt，磁场频率50hz，直至成形结束。成形时电磁产生装置放置于工作台，同时成形试样或零件放置于装置中心并紧固。
图3为本发明实施例采用本发明同轴送粉激光增材制造方法获得的镍基高温合金金相组织图，与图2为本发明实施例采用传统同轴送粉激光增材制造方法获得的镍基高温合金金相组织图相比，可见本发明所成形试样显微组织中laves脆性相的体积分数明显减校。图5为本发明实施例采用本发明同轴送粉激光增材制造方法获得的镍基高温合金合金显微组织扫描电子显微观察组织图，与图4为本发明实施例采用传统同轴送粉激光增材制造方法获得的镍基高温合金金相组织相比，可见本发明所成形试样显微组织中laves脆性相的形貌发生明显变化，由原来枝晶间的连续分布变为枝晶间颗粒状或短棒状间断分布。表1为本发明与传统方法激光增材制造gh4169合金枝晶干合金元素定量分析结果比较，可见本发明在减少枝晶间laves脆性相体积分数和改变其形貌的同时，有效的增加了枝晶干区域的合金元素特别是nb元素的含量，减少了合金元素的微观偏析。
表1
实施例2
s1、工艺试验获得镍基高温合金激光增材修复良好的工艺参数，参数包括：激光功率1400w，扫描速率360mm/min，送粉速率5g/min，送粉气体流量6l/min，激光光斑尺寸3mm，道间搭接率25％，层间高度0.3mm。修复试样材料为gh4169镍基高温合金块体，带有v型槽型缺陷，所用粉末为等离子旋转电极法制备的gh4169合金粉末，颗粒尺寸100目。
s2、在镍基高温合金的激光增材修复全过程中，对熔池液态金属施加辅助电磁场，其参数为：磁场强度80mt，磁场频率50hz，直至成形结束。激光增材修复时电磁产生装置放置于工作台，同时成形试样或零件放置于装置中心并紧固。
实施例3
s1、工艺试验获得镍基高温合金激光增材制造成形性良好的工艺参数，参数包括：激光功率2500w，扫描速率400mm/min，送粉速率10g/min，送粉气体流量8l/min，激光光斑尺寸2.5mm，道间搭接率50％，层间高度0.2mm。所用基材为1cr18ni9ti不锈钢，所用粉末为等离子旋转电极法制备的gh4169合金粉末，颗粒尺寸100目。
s2、在镍基高温合金的激光增材制造成形全过程中，对熔池液态金属施加辅助电磁场，其参数为：磁场强度80mt，磁场频率100hz，直至成形结束。成形时电磁产生装置与送粉头随动。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。+
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。