一种定量评价激光沉积工艺下高熵合金热裂敏感性测试装置及测试方法

本发明属于激光增材制造，具体涉及一种定量评价激光沉积工艺下高熵合金热裂敏感性测试装置及测试方法。

背景技术：

1、激光增材制造技术(如：激光沉积、选区激光熔化等)是近年来出现的一种颠覆性的金属加工技术，与传统的减材制造技术相比，其在复杂整体部件制造、轻量化工程和材料利用方面具有巨大的优势。然而，目前只有少量商业合金(如：in718、ti6al4v和alsi10mg等)可运用激光增材制造技术成形，大多数焊接性能差的合金(如：7系铝合金、大部分镍基高温合金以及高熵合金等)由于无法适配激光增材制造工艺下的“急热快冷”，极易产生热裂现象，这将显著降低构件疲劳强度，甚至导致构件断裂失效。

2、在激光沉积过程中，由于高冷速、大温度梯度的影响，导致合金凝固组织倾向于形成连续外延生长的粗大柱状晶，并排生长的柱状晶之间容易产生狭长的空隙，而凝固后期(固相率＞0.9)金属液体流动性较差，难以回填补缩，树枝晶间的液膜在热应力作用下张开，导致微热裂纹形成。由此可见，热裂纹的形成过程复杂，涉及到热应力、凝固收缩和液体回填之间的相互作用，受到众多因素的影响。这些影响因素一般可分为热力学因素和合金本征特性因素两个方面。其中，合金凝固时的温度梯度和固/液界面移动速度是热裂纹产生的主要热力学因素，而热膨胀系数、固液相线宽度和金属间化合物等是合金产生热裂的本质因素。因此，有效评价各影响因素作用下激光沉积合金的热裂敏感性是解决热裂问题的关键。

3、目前，评价激光沉积等增材制造工艺条件下合金热裂敏感性的方法主要包括金相显微组织观察、工业用计算机断层成像技术(工业ct)等无损检测手段等。金相显微组织观察通过统计观察视场中的裂纹数量并计算裂纹密度，从而判定合金热裂敏感性，该方法统计结果存在一定的随机性，只能对合金热裂敏感性进行定性或半定量评价；而工业ct等无损检测手段无法检测试样尺寸有限，且检测结果中难以区分裂纹的形成原因(热裂还是冷裂等)。

技术实现思路

1、针对现有技术存在的不足，本发明的第一目的是提供一种定量评价激光沉积工艺下高熵合金热裂敏感性测试装置，该装置可以测定合金产生热裂纹的临界应变及凝固温度区间等热裂倾向性指标；进一步，基于激光沉积工艺下高熵合金热裂敏感性测试装置，本发明的第二个目的是提供一种定量评价激光沉积工艺下高熵合金热裂敏感性测试方法，通过此装置和方法可以准确的评价合金热裂敏感性的大小，进而指导多种类金属的研发及应用。

2、本发明的技术方案是：

3、一种定量评价激光沉积工艺下高熵合金热裂敏感性测试装置，该装置包括固定支架、动力加载装置、伺服驱动器、u型压头、激光沉积用基板、不同曲率半径凸模、凸模限位块、非接触测温装置，具体结构如下：

4、固定支架为上下相对平行设置的上底板和下底板之间通过连杆连接而成，凸模限位块位于下底板顶部，凸模安装于两个凸模限位块之间；动力加载装置设有伺服电机、伺服电缸，伺服电机、伺服电缸安装于固定支架的上底板底部，伺服电缸的输出端安装水平的u型压头，u型压头放置在激光沉积用基板上，u型压头的两个侧杆底部与激光沉积用基板上表面两侧相对应，激光沉积用基板放置于凸模限位块的上方，且激光沉积用基板的底部中间与凸模相对应；在通过u型压头对激光沉积用基板施加外部拘束时，非接触测温装置与激光光源移动路径上施加外部拘束的位置点相对应。

5、所述的定量评价激光沉积工艺下高熵合金热裂敏感性测试装置，外部拘束施加过程是：通过程序控制伺服电缸上下移动，带动以螺纹连接悬置于凸模限位块上方的u型压头向激光沉积用基板施加外部拘束；外部拘束的大小由放置于凸模限位块之间的凸模曲率半径决定，两者之间的关系为ε＝(t/2h)×100％，其中：ε为增强应变，％；t为激光沉积用基板厚度，mm；h为凸模曲率半径，mm；当u型压头以恒定速度向下运动一定距离使激光沉积用基板下表面与凸模上表面贴合时，即认为向激光沉积用基板施加了相应的外加拘束。

6、所述的定量评价激光沉积工艺下高熵合金热裂敏感性测试装置，非接触测温装置为热成像仪或红外测温仪，将非接触测温装置瞄准激光光源移动路径上施加外部拘束的位置点，则获得该位置点处合金凝固过程的冷却曲线。

7、所述的定量评价激光沉积工艺下高熵合金热裂敏感性测试装置，通过对伺服电机的伺服驱动器编程，进而控制伺服电缸上下移动，从而控制u型压头运动方向、运动距离、运动速度及延迟加载时间。

8、所述的定量评价激光沉积工艺下高熵合金热裂敏感性测试装置，固定支架为动力加载装置提供支撑并固定凸模位置。

9、一种定量评价激光沉积工艺下高熵合金热裂敏感性测试方法，包括如下步骤：

10、步骤1测试激光沉积用基板的制备，利用激光沉积工艺将预先配置的合金粉末沉积于激光沉积用基板的梯形槽中；

11、步骤2可调拘束试验准备工作，将沉积后的激光沉积用基板置于u型压头及凸模之间，调整u型压头、激光沉积用基板和测温装置的位置，测温点位于加载点；

12、步骤3设置可调拘束试验参数，设置延迟加载时间、u型压头下降距离及下降速度；

13、步骤4同步启动激光器和外部载荷加载装置，使待评价合金在高能激光束作用下发生重熔，合金激光重熔过程中在指定位置施加外部拘束；

14、步骤5待重熔结束，取下测试激光沉积用基板，更换不同曲率半径的凸模，重复步骤1～4，激光重熔的功率及扫描速度保持恒定；

15、步骤6在试验结束后，测量不同外加拘束下加载点处热裂纹的最大裂纹长度lmcl，获取热裂敏感性评价关键指标—合金凝固裂纹温度范围sctr，产生裂纹所需的时间等同于饱和应变之上的最大裂纹长度除以冷却速度r，激光重熔速度用v表示，则用以下公式计算出sctr：

16、

17、其中：sctr为合金凝固裂纹温度范围，℃；lmcl为最大裂纹长度，μm；r为冷却速度，℃/s；v为激光重熔速度，mm/s。

18、所述的定量评价激光沉积工艺下高熵合金热裂敏感性测试方法，步骤1中，激光沉积用基板厚度在2～5mm。

19、所述的定量评价激光沉积工艺下高熵合金热裂敏感性测试方法，步骤3中，延迟加载时间对应激光光源开始移动到加载点位置的时间，u型压头下降速度为150～300mm/s。

20、所述的定量评价激光沉积工艺下高熵合金热裂敏感性测试方法，步骤4中，合金激光重熔过程中的指定位置为激光沉积用基板几何中心。

21、所述的定量评价激光沉积工艺下高熵合金热裂敏感性测试方法，步骤5中，激光重熔重熔功率：500～1000w，扫描速度：5～10mm/s，加载应变：0.5～5％。

22、本发明的设计思想是：

23、可调拘束试验是焊接领域中定量评价热裂敏感性能的有效方法，其一般采用大型液压机械来施加外部拘束，设备成本较高且便携性较差。与焊接领域中可调拘束试验使用的大型液压机械设备相比，本发明中采用伺服电控装置进行加载，不仅成本较低而且更加轻便易携，尤其适用于激光沉积等构件现场局部定向修复、再制造工艺下合金热裂敏感的评价。此外，将可调拘束试验用于评价激光沉积合金热裂敏感性的相关研究尚未见报道。相比于目前评价激光沉积等增材制造工艺下合金热裂敏感性的方法，本发明提出了一种定量评价方法，将可调拘束试验引入到激光沉积工艺下合金热裂敏感性的评价中，为适用于激光增材制造工艺的合金成分开发提供有力支撑。

24、本发明装置及技术方法借鉴焊接领域可调拘束实验，相比于现有技术的优点在于：

25、1、熔池尾部糊状区域受到由外加载荷施加的拉应力而产生凝固热裂纹(可在试样加载点处清晰观测)，从而避免了热裂现象的随机性，与显微组织观察法相比，本方法可清晰、准确的分析热裂现象。

26、2、本发明通过测量最大热裂纹长度，结合合金凝固过程中温度变化情况，可实现热裂敏感性的定量评价。

27、3、焊接过程存在较为显著的母材稀释现象，其本质上评价的是焊接材料与母材之间的匹配性，而本方法更贴近激光增材制造的实际工况，沉积时熔化区域及热影响区远远小于焊接，可大幅降低母材对合金成分的影响。

28、4、本发明通过调整激光沉积合金粉末的元素种类及配比，使得待评价合金的成分连续可调，从而实现合金元素含量等对热裂敏感性影响的定量评价，并确定激光沉积下抗热裂性能最优的合金成分。