一种镍基单晶高温合金激光外延生长方法

本发明属于镍基单晶材料结构修复，涉及一种镍基单晶高温合金的激光外延生长方法。

背景技术：

1、镍基单晶高温合金涡轮叶片由于没有晶界，材料的抗蠕变和热疲劳性能大大提高，最高工作温度可达1100℃，已被广泛应用于航空发动机等领域。

2、尽管如此，由于工作环境恶劣，单晶叶片在工作一段时间后，还是会产生裂纹等表面缺陷，导致发动机失效。目前的一般情况是一旦发现裂纹等缺陷就要更换，但是镍基单晶高温合金叶片造价昂贵，更换成本很高。因此，对镍基单晶高温合金叶片进行修复成为了目前各国的研究热点。

3、理想的镍基单晶高温合金叶片修复技术，应该是使修复后材料的结晶结构等同于晶体的单晶结构，从而保证修复叶片的服役周期与可靠性。

4、激光熔覆具有精确的能量输入，更高的温度梯度和更好的可控性，适合于实现结构复杂的涡轮叶片的晶粒外延生长。

5、近些年，研究者们研究了激光熔覆技术在镍基单晶高温合金修复领域的应用，通过控制激光工艺，实现了镍基单晶合金的激光修复，但是通过激光进行精确修复单晶合金还是具有许多问题。

6、本发明提出一种通过理论模型精确控制枝晶外延生长，利用matlab和仿真软件进行计算和仿真，以达到精确修复单晶高温合金的方法，可以弥补激光熔覆技术修复单晶合金的理论空白。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种利用激光熔覆技术实现的镍基单晶高温合金激光外延生长方法，通过使用matlab和仿真软件进行计算和仿真，以筛选得到适合的激光工艺参数控制激光定向熔覆镍基单晶沿着合适的方向进行外延生长，解决镍基单晶高温合金激光精密修复中的技术问题。

2、为实现上述发明目的，本发明提供的镍基单晶高温合金激光外延生长方法包括：

3、1)、建立激光熔覆模型，加载高斯移动热源模型，计算得到激光熔覆熔池的大小及温度梯度分布，具体包括：

4、a)、将所需修复镍基单晶高温合金的材料成分输入在jmatpro材料性能模拟软件中，计算得到镍基单晶高温合金的材料特性参数特性熔化温度t、导热系数k、比热容cp、密度ρ和融化潜热l，并将所述材料特性参数导出，定义在ansys仿真软件中；

5、b)、按照高斯移动热源模型计算公式输入激光工艺参数建立高斯移动热源，通过编写ansys apdl命令流，将所述高斯移动热源加载在ansys仿真软件中，利用高斯移动热源实现激光加工的仿真模拟，

6、其中：

7、r为反射率，％；

8、p为激光输出功率，w；

9、ω为入射激光光斑半径，mm；

10、r为横向柱坐标；

11、c)、利用design modeler软件建立激光熔覆模型，设定激光沿x轴进行扫过，z轴正方向为镍基单晶高温合金的[001]方向；

12、d)、将jmatpro软件导出的镍基单晶高温合金的材料特性参数分别赋予所建立的激光熔覆模型中的基板材料和熔覆层材料；

13、e)、设定激光熔覆熔池仿真的边界条件，包括初始温度t0、对流换热条件以及表面热辐射条件；

14、f)、进行模型求解，得到激光熔覆熔池的大小，导出温度梯度分布及其在x、y、z轴方向上的分量gx、gy、gz。

15、其中，所述步骤b)中具体是将高斯移动热源加载到ansys仿真软件中激光熔覆模型基板的上表面。

16、进而，由于所述高斯移动热源是沿x轴进行激光扫描的，因此：

17、r＝[(x-v·t)2+y2]0.5

18、其中：

19、v是激光扫描速度，mm/s；

20、t为扫描时间，s。

21、2)、通过hunt模型和矢量化计算模型，进行枝晶生长方向的计算，求解得出枝晶生长方向，以及激光熔覆熔池内任意一点的温度梯度矢量，具体包括：

22、a)、hunt模型中，凝固界面前沿生长速度与激光热源移动速度之间满足关系：

23、

24、而枝晶生长速度与凝固界面前沿生长速度之间满足关系：

25、

26、将上述两式联立，则可以得到枝晶生长速度与激光热源移动速度之间的关系：

27、

28、其中：

29、θ为法线与激光移动方向的夹角；

30、为法线与晶体学方向[hkl]的夹角；

31、b)、通过ansys模型求解得到的熔池内部在x、y、z轴方向上的分量gx、gy、gz通过与之平行的温度梯度的方向来确定凝固界面前沿的推进方向，即法线方向，进而得到凝固界面推进方向与枝晶生长方向之间的夹角

32、c)、建立矢量化计算模型，设定激光沿[h1k1l1]晶向在(h3k3l3)的基材表面扫过，因此，晶体学取向中x、y、z轴则分别对应于[h1k1l1]，[h2k2l2]，[h3k3l3]，其中[h2k2l2]可以通过[h1k1l1]与[h3k3l3]的叉乘获得：

33、[h2k2l2]＝[h1k1l1]×[h3k3l3]

34、任意一点在x、y、z三个方向上的温度梯度矢量为：

35、

36、

37、

38、利用matlab软件将所述矢量化计算，求解得到熔池内任意一点在x、y、z三个方向上的温度梯度矢量

39、3)、判断熔池内任意一点在x、y、z三个方向上的温度梯度与枝晶生长速度是否可发生cet转变，并判断是否可实现基板的枝晶外延生长，通过其枝晶生长的范围确定最优激光工艺参数

40、cet转变即柱状晶—等轴晶转变。当发生cet转变，即gn/v＜kcet时，柱状晶就会转变成等轴晶，形成没有方向性的组织；因此，并不希望发生cet转变，而是希望上述计算得到的gn/vhkl＞kcet。

41、上述判断公式中：

42、g是凝固前沿的温度梯度；

43、vhkl是柱状枝晶沿[hkl]晶向的生长速度；

44、kcet是cet转变临界值，为与材料相关的常数，本发明镍基单晶高温合金的kcet取值为2.7×1028；

45、n是材料参数，本发明镍基单晶高温合金的材料参数取值为3.4。

46、通过上述公式的计算可以判断枝晶是否外延生长成为单晶。

47、只要当某一分量的gn/vhkl比值满足大于临界值kcet时，就可以实现单晶生长，即实现枝晶外延生长；对于多个分量的gn/vhkl比值都满足大于临界值kcet时，柱状枝晶则优先沿温度梯度最大的方向进行生长。

48、进一步地，继续判断所述生长方向是否为基板取向，并将所有可以实现基板取向的枝晶外延生长的激光工艺参数筛选出来。

49、更进一步的，本发明对于可以实现枝晶外延生长的激光工艺参数，通过判断其枝晶外延生长的范围，将其中最大范围对应的工艺参数设定为最优激光工艺参数。

50、4)、运用筛选出的激光工艺参数，在镍基单晶高温合金基板表面激光熔覆熔覆层，在基板表面实现枝晶外延定向生长。

51、具体地，是根据matlab预测结果，设定最优的激光工艺参数，确定打印方案；根据打印方案调节激光熔覆所采用的激光输出功率、激光扫描速度、送粉速率、入射激光光斑直径，采用同轴送粉的方式，并利用氩气保护基板表面，进行激光熔覆。

52、更具体地，在激光熔覆的加工过程中，激光每扫描一次，都会对基板加热一次，所以在熔覆过程中应适当调整激光输出功率，以保证在激光熔覆过程中保持稳定的温度梯度，确保枝晶外延生长的条件。

53、本发明提供的镍基单晶高温合金激光外延生长方法可以在激光熔覆之前，通过理论模型准确预测得到枝晶外延生长的方向和范围，从而通过控制和优化激光工艺参数，实现对晶粒外延定向生长的影响，达到精确控制枝晶外延生长，使得熔覆层的微观组织能够形成连续外延生长的镍基单晶组织，为镍基单晶高温合金叶片的修复提供理论指导。