[發明專利]一種消除激光3D打印單晶高溫合金再結晶傾向的方法

有效

• 申請號: 201710493434.3
• 申請日: 2017-06-26
• 公開（公告）號: CN107119325B
• 公開（公告）日: 2019-03-12
• 發明（設計）人: 周亦胄;王國偉;梁靜靜;楊彥紅;金濤;孫曉峰
• 申請（專利權）人: 中國科學院金屬研究所
• 主分類號: C30B29/52
• 分類號: C30B29/52;C30B1/00;B33Y10/00
• 代理公司: 沈陽科苑專利商標代理有限公司 21002
• 代理人: 許宗富;周秀梅

1.一種消除激光3D打印單晶高溫合金再結晶傾向的方法，其特征在于：該方法是以激光3D打印作為加工工藝，在單晶高溫合金基材上實現枝晶的外延生長，同時通過控制打印過程中的溫度場，使得3D打印單晶高溫合金零件中的殘余應力處于較低水平，從而消除激光3D打印的單晶高溫合金在后續熱處理中發生再結晶；

所述打印過程中控制溫度場的方法有三種：第一種為使用基材溫度作為控制溫度場的參量，第二種為使用溫度梯度作為控制溫度場的參量，第三種為同時使用基材溫度和溫度梯度作為控制溫度場的參量；

所述打印過程中使用基材溫度作為控制溫度場的參量時，使成形零件的預熱溫度高于該高溫合金的再結晶溫度；在選擇預熱溫度時，采用對照組實驗篩選出較低的預熱溫度；或者選擇再結晶溫度的上限作為預熱溫度的下限；

所述打印過程中使用溫度梯度作為控制溫度場的參量時，當T(x,y,z)<Tz時，控制成形零件內的溫度梯度G(x,y,z)小于Gc；當T(x,y,z)≥Tz時，對成形零件內的溫度梯度沒有要求；其中：T(x,y,z)表示零件內部空間某一位置(x,y,z)處的溫度，Tz表示合金再結晶溫度的上限；G(x,y,z)為(x,y,z)位置的溫度梯度，Gc為自定義的變量；Gc＝1/R/α，R為常數，R＝5米，α是(x,y,z)位置在T(x,y,z)時的線膨脹系數；

所述打印過程中同時使用基材溫度和溫度梯度作為控制溫度場的參量時，如果基材預熱溫度恒定，且為再結晶溫度的一半，這時候允許大于Gc的溫度梯度存在，溫度梯度所允許的最大值可通過對照組實驗獲得；如果溫度梯度恒定，且為Gc的兩倍，這時候允許使用更小的預熱溫度，預熱溫度所允許的最小值可通過對照組實驗獲得。

2.根據權利要求1所述的消除激光3D打印單晶高溫合金再結晶傾向的方法，其特征在于：所述3D打印過程中，首先確定枝晶生長方向，然后通過控制3D打印中的工藝參數實現枝晶的外延生長；所選擇的工藝參數包括道次間距和打印層厚；所選擇的道次間距應該使相鄰道次的打印組織緊密相連，抑制焊合不良缺陷產生；所選擇的打印層厚應該使上一層可能存在的雜晶在下一層的打印過程中重熔，從而得到單晶組織。

3.根據權利要求2所述的消除激光3D打印單晶高溫合金再結晶傾向的方法，其特征在于：所述確定枝晶生長方向的方法如下：

(1)當單晶基材表面取向為[001]或接近[001]時，在該基材上讓枝晶的外延生長方向為[001]；

(2)當基材表面取向為[011]或接近[011]時，且激光掃描方向平行于[100]方向時，在該基材上讓枝晶的外延生長方向為[010]或[001]；

(3)當基材的表面取向為其它晶體學取向時，結合具體的激光掃描方向，使用數值模擬預測其枝晶生長方向。

4.根據權利要求3所述的消除激光3D打印單晶高溫合金再結晶傾向的方法，其特征在于：當單晶基材表面取向為[001]或接近[001]時，在制定3D打印中的工藝參數時，打印層厚應低于[001]方向枝晶的生長高度，道次間距應小于[001]方向枝晶的區域寬度。

5.根據權利要求3所述的消除激光3D打印單晶高溫合金再結晶傾向的方法，其特征在于：所述激光3D打印過程中，在打印過程中選擇位于熔池下半部的枝晶取向，在部分容易出現雜晶的工藝中，降低打印層厚從而降低雜晶出現的幾率。

6.根據權利要求1所述的消除激光3D打印單晶高溫合金再結晶傾向的方法，其特征在于：在實際的激光成形過程中，可以通過采集溫度數據來推算其溫度梯度，也可以使用計算模擬的手段來預測成形過程的溫度梯度。