[發(fā)明專(zhuān)利]利用激光熔覆技術(shù)制造鎳基單晶高溫合金零件的方法

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201410840290.0
• 申請(qǐng)日: 2014-12-24
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN104480465A
• 公開(kāi)（公告）日: 2015-04-01
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 劉朝陽(yáng);齊歡
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 上海交通大學(xué)
• 主分類(lèi)號(hào): C23C24/10
• 分類(lèi)號(hào): C23C24/10
• 代理公司: 上海思微知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 31237
• 代理人: 鄭瑋

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及激光制造領(lǐng)域，尤其涉及一種利用激光熔覆技術(shù)制造鎳基單晶高溫合金零件的方法。

背景技術(shù)

隨著激光制造業(yè)的發(fā)展，鎳基單晶高溫合金零件越來(lái)越廣泛應(yīng)用于各個(gè)行業(yè)，如鎳基單晶渦輪葉片已經(jīng)應(yīng)用于現(xiàn)代航空發(fā)動(dòng)機(jī)。目前鎳基單晶渦輪葉片主要通過(guò)精鑄的方法獲得，但其鑄造的方法具有一些缺點(diǎn)，例如：1、成功率低，鑄造過(guò)程中容易出現(xiàn)雜晶或者大角度偏斜晶體；2、設(shè)備復(fù)雜，成本高昂；3、鑄造周期長(zhǎng)，靈活性差，加之鎳基單晶高溫合金成本昂貴，這些因素造成了鎳基單晶渦輪葉片價(jià)格非常昂貴，增加了航空發(fā)動(dòng)機(jī)的維護(hù)成本。

為了延長(zhǎng)單晶渦輪葉片的使用壽命，降低發(fā)動(dòng)機(jī)維護(hù)費(fèi)用，當(dāng)前，國(guó)內(nèi)外已經(jīng)采用激光熔覆鎳基單晶粉材的方法修復(fù)氣蝕、磨損和出現(xiàn)裂紋的單晶渦輪葉片和接長(zhǎng)渦輪葉片的葉尖，并嘗試?yán)眉す庵苯尤鄹矄尉Х鄄牡姆椒ㄖ圃靻尉Я慵５窃诙鄬雍投嗟廊鄹策^(guò)程中，在熔覆層中難以獲得完全連續(xù)生長(zhǎng)的單晶組織，組織中出現(xiàn)的等軸晶區(qū)域容易產(chǎn)生晶界并擴(kuò)展為裂紋。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明提供一種利用激光熔覆技術(shù)制造鎳基單晶高溫合金零件的方法，以解決多道激光熔覆過(guò)程中鎳基單晶組織難以完全連續(xù)生長(zhǎng)的技術(shù)問(wèn)題。

為了解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提供一種利用激光熔覆技術(shù)制造鎳基單晶高溫合金零件的方法，采用鎳基單晶高溫合金平板作為基材和粉材，其具體方法包括：步驟一：采用砂紙打磨所述基材表面，并用丙酮清洗；步驟二：將所述基材固定于工作平臺(tái)上，并采用氬氣保護(hù)；步驟三：控制激光和所述粉材通過(guò)固定于機(jī)械臂上的同軸噴嘴對(duì)所述基材的表面進(jìn)行第一道熔覆，同時(shí)通過(guò)計(jì)算機(jī)控制所述機(jī)械臂使所述激光垂直于所述基材的表面，并按照預(yù)設(shè)好的熔覆路線移動(dòng)；步驟四：完成第一道熔覆后，從第二道熔覆開(kāi)始搭接熔覆，熔覆路線與第一道相同，并通過(guò)計(jì)算機(jī)控制所述機(jī)械臂使所述同軸噴嘴在熔覆層橫截面平面內(nèi)沿順序搭接方向或其反方向偏轉(zhuǎn)第一角度，在熔覆層縱截面平面內(nèi)沿激光移動(dòng)方向或其反方向偏轉(zhuǎn)第二角度，同一層的后續(xù)多道搭接熔覆的路線及控制方法與第二道搭接熔覆相同，直至完成第一層熔覆；步驟五：從第二層激光熔覆開(kāi)始，每層激光熔覆路線在水平面內(nèi)均與前一層熔覆路線正交垂直，熔覆控制方法均與第一層相同，持續(xù)熔覆過(guò)程，直至完成所述鎳基單晶高溫合金零件的制造。

進(jìn)一步的，所述第一角度為-30°～30°，所述同軸噴嘴偏向順序搭接方向?yàn)檎h(yuǎn)離順序搭接方向?yàn)樨?fù)，所述第二角度為-45°～45°，當(dāng)所述同軸噴嘴朝向熔覆方向偏轉(zhuǎn)時(shí)其偏轉(zhuǎn)角度為正，遠(yuǎn)離熔覆方向偏轉(zhuǎn)時(shí)其偏轉(zhuǎn)角度則為負(fù)。

優(yōu)選的，所述第一角度為0°～30°，所述第二角度為0°～45°。

更優(yōu)選的，所述第一角度為30°，所述第二角度為45°。

進(jìn)一步的，在進(jìn)行激光熔覆時(shí)，調(diào)節(jié)激光熔覆的搭接率使相鄰兩道微觀組織保持連續(xù)。

具體的，所述搭接率控制在5％～51％。

進(jìn)一步的，所述砂紙為200目砂紙。

進(jìn)一步的，在進(jìn)行激光熔覆時(shí)，調(diào)節(jié)激光熔覆的激光功率、掃描速度、送粉速率、光斑直徑、離焦量、第一角度和第二角度，采用與噴嘴隨動(dòng)的主動(dòng)冷卻方法，使得熔池凝固界面沿著豎直方向的溫度梯度保持在1×10⁷～1×10⁹攝氏度/米，且激光熔池的尺寸保持在D：W：H＝1～1.5:4～5:2～3，其中D為基材熔化深度，W為熔池寬度，H為熔池高度。

具體的，所述激光功率為50瓦～2000瓦，掃描速度為5毫米/秒～200毫米/秒，送粉速率為1克/分鐘～10克/分鐘，光斑直徑為0.5毫米～1毫米，離焦量為-5毫米～5毫米。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果：

本發(fā)明提供一種利用激光熔覆技術(shù)制造鎳基單晶高溫合金零件的方法，其主要是在進(jìn)行激光熔覆時(shí)，通過(guò)控制一定的工藝參數(shù)來(lái)精確控制激光熔池形狀及其溫度梯度，從而控制和優(yōu)化從熔池底部向上外延生長(zhǎng)的定向結(jié)晶的高度，使得多層多道熔覆的微觀組織能夠全部為與基材相同的細(xì)密連續(xù)的鎳基單晶組織，因此該單晶組織中不會(huì)出現(xiàn)等軸晶區(qū)域并擴(kuò)展為裂紋，使利用激光直接熔覆鎳基單晶粉材從而制造鎳基單晶高溫合金零件成為可能。

附圖說(shuō)明

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明：

圖1為本發(fā)明實(shí)施例提供的利用激光熔覆技術(shù)制造鎳基單晶高溫合金零件的方法中第二道熔覆開(kāi)始后的過(guò)程結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明實(shí)施例提供的熔池的結(jié)構(gòu)示意圖。

在圖1和圖2中，