[發(fā)明專利]一種電磁輔助直接激光沉積鎳基高溫合金-鈦合金功能梯度材料的方法

有效

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• 申請日: 2020-03-06
• 公開（公告）號: CN111299578B
• 公開（公告）日: 2021-11-05
• 發(fā)明（設計）人: 馬廣義;何愛迪;牛方勇;余超;吳東江
• 申請（專利權）人: 大連理工大學
• 主分類號: B22F3/105
• 分類號: B22F3/105;B33Y30/00;B33Y10/00
• 代理公司: 大連理工大學專利中心 21200
• 代理人: 李曉亮;潘迅

本發(fā)明提供一種電磁輔助直接激光沉積鎳基高溫合金?鈦合金功能梯度材料的方法，屬于增材制造技術領域。該方法在成形過程中通過調整送粉速率，以質量分數10％為步長，不斷改變兩種粉末的比例，從而實現從鈦合金到鎳基高溫合金的梯度過渡。將電磁攪拌裝置附加在激光加工頭上，使其可以隨激光頭的移動而移動，進而將磁場加載在熔池區(qū)域。使得熔池在磁場洛倫茲力的作用下，產生對流，一方面加快了冷卻速率，起到細化晶粒的作用，另一方面抑制了元素偏析過程，減少了脆性相的生成，并使其成彌散狀分布，提高材料性能。沉積不同成分比例的梯度層，在工件底部附加不同的溫度場，起到調控溫度梯度和冷卻速率的作用，減少殘余應力，抑制材料缺陷產生。

技術領域

本發(fā)明屬于激光增材制造技術領域，主要針對同軸送粉式激光增材制造功能梯度材料領域，具體涉及一種電磁輔助直接激光沉積鎳基高溫合金-鈦合金功能梯度材料的方法。

背景技術

功能梯度材料是指兩種或多種材料復合，成分和結構呈梯度變化的一種新型復合材料。其功能和性能隨機件內部位置的變化而變化，從而可以應對復雜的應用環(huán)境和需求。鈦合金作為輕質合金的一種，有著比強度高、抗疲勞性能好等優(yōu)點，但其難以應用于高溫環(huán)境中。而鎳基高溫合金雖然有著良好的高溫抗氧化性能，但其密度大，難以滿足輕量化的使役要求。制備鎳基高溫合金-鈦合金功能梯度材料，致力于使材料在擁有表層耐高溫性能的情況下，擁有輕質量、高強度等特點，從而面向航空航天、國防軍工等領域的應用需求。直接激光沉積作為一種新型制造技術，在制備功能梯度材料方面，有著高效率、低成本、易加工形狀復雜零件等優(yōu)點，可以更好的把控梯度材料在成分上的過渡，進而更好的貼合預定的設計方案和應用需求，已成為近年來研究的熱點。

制備鎳基高溫合金-鈦合金功能梯度材料的主要問題在于，在成形過程中易產生多種脆性金屬間化合物，導致材料整體的韌性下降，在殘余應力的作用下，產生裂紋缺陷。當鈦合金含量為10-30wt％時，由于鎳基合金中往往包含大量的鐵、鉻元素，易產生laves相、Ni₃Ti相等脆性相。當鈦含量為60-90wt％時，易產生的金屬間化合物為Ti₂Ni。因此制備鈦-鎳合金功能梯度材料，要根據產生的脆性相的特點，通過附加外場等手段，抑制脆性相的生成，減少金屬間化合物的含量；控制其分布特點，盡可能的使其均勻的分布于組織中；控制溫度場變化，減小殘余應力，從而避免裂紋的萌生和擴散。

電磁攪拌技術已在鑄造、焊接、熔覆等領域被證實，具有減少缺陷、細化晶粒、提高組織成分均勻性和減小試件殘余應力等作用。利用磁場對熔池的攪拌作用，可抑制熔池內部的元素偏析過程，減少脆性相析出的含量，改變其分布狀態(tài)，從而起到抑制裂紋、提高材料性能的作用。針對不同成分比例的梯度過渡層，在材料底部施加不同的溫度場，可進一步減少脆性相的生成，同時一定程度上減少殘余應力的大小，避免材料缺陷的產生。

中國學者欽蘭云：電磁攪拌輔助激光沉積成形鈦合金試驗研究，通過在機床上附加可旋轉的磁場這一方式，在加工過程中對成形樣件施加旋轉磁場，加劇了熔池的對流，細化了鈦合金沉積層內的α片層組織，提升了材料的力學性能。但其底部加載磁場的方式，限制了加工工件的大小，難以制備尺寸較大的工件。

專利CN109182935A報道了一種激光修復鎳基高溫合金中脆性相的消除方法，利用在液體金屬熔池施加電磁場的方式，抑制了鎳基高溫合金在成形過程中l(wèi)aves相的析出，從而提高了材料的機械性能。但其忽略了施加溫度場對工件缺陷的抑制作用，有一定局限性。

專利CN108356266A報道了一種超聲輔助激光近凈成形鈦-鎳合金梯度材料的方法，利用在底部施加超聲及預熱的方式，改變脆性相的分布狀況，減少殘余應力，從而抑制材料缺陷的產生。但超聲難以在空氣中傳播，在底部加載，隨沉積高度及工件尺寸的增加，其效應會逐漸衰減，不利于大尺寸工件的制備；且其底部施加的溫度場不隨沉積層的成分而變化，不利于抑制脆性相的產生。

發(fā)明內容