[發(fā)明專利]一種電磁感應(yīng)加熱輔助SLM成形裝置及成形方法

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202110578401.5
• 申請(qǐng)日: 2021-05-26
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN113275568A
• 公開(kāi)（公告）日: 2021-08-20
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 魏青松;滕慶;孫閃閃;程坦;謝寅
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 華中科技大學(xué)
• 主分類號(hào): B22F3/105
• 分類號(hào): B22F3/105;B22F12/17;B22F10/28;B33Y30/00
• 代理公司: 華中科技大學(xué)專利中心 42201
• 代理人: 夏倩

本發(fā)明公開(kāi)了一種電磁感應(yīng)加熱輔助SLM成形裝置及成形方法，屬于增材制造相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域，包括成形室、電磁感應(yīng)線圈、升降驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、送粉機(jī)構(gòu)、成形機(jī)構(gòu)和激光成形單元；電磁感應(yīng)線圈位于成形機(jī)構(gòu)的基板上方，升降驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)電磁感應(yīng)線沿成形機(jī)構(gòu)的軸向移動(dòng)；送粉機(jī)構(gòu)設(shè)有鋪粉刮刀，用于將粉料均勻鋪設(shè)于成形機(jī)構(gòu)的基板上，升降驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)用于驅(qū)動(dòng)電磁感應(yīng)線圈下降至成形平面；電磁感應(yīng)線圈用于通電后產(chǎn)生熱量并對(duì)粉料進(jìn)行預(yù)熱，待預(yù)熱至預(yù)設(shè)溫度后，激光成形單元用于根據(jù)預(yù)設(shè)加工軌跡對(duì)粉料進(jìn)行加工。本發(fā)明通過(guò)對(duì)激光加工平面實(shí)施實(shí)時(shí)預(yù)熱，減小熔池與已凝固區(qū)域的溫度梯度，減小成形過(guò)程中內(nèi)應(yīng)力，減少裂紋敏感性高的鎳基高溫合金中微裂紋數(shù)量。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于增材制造相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域，更具體地，涉及一種電磁感應(yīng)加熱輔助SLM成形裝置及成形方法。

背景技術(shù)

隨著航空發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的發(fā)展，其熱端部件的工作溫度越來(lái)越高，因此，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)熱端關(guān)鍵零部件的材料的綜合性能提出了更加嚴(yán)苛的要求。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表面，在發(fā)動(dòng)機(jī)熱端部件材料中，有40-60％的材料屬于高溫合金。和鐵基和鈷基高溫合金相比，鎳基高溫合金由于具有良好的綜合力學(xué)性能和抗氧化、抗腐蝕性能，在高溫合金領(lǐng)域具有重要地位，現(xiàn)代先進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)中的渦輪葉片幾乎全部采用鎳基高溫合金。

航空發(fā)動(dòng)機(jī)熱端部件往往具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)，同時(shí)對(duì)材料性能要求較高，這對(duì)其成形制備提出了極大的考驗(yàn)。采用傳統(tǒng)加工技術(shù)存在工藝流程長(zhǎng)、難加工等問(wèn)題，這極大程度制約了先進(jìn)航空航天發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展。焊接技術(shù)是發(fā)動(dòng)機(jī)成形制備與修復(fù)的主要方法，然而，由于鎳基高溫很導(dǎo)熱系數(shù)低，液態(tài)合金的流動(dòng)性較差，在焊接加工過(guò)程中具有較大的裂紋敏感性。熔模精密鑄造技術(shù)也是航空航天領(lǐng)域管件零部件的主要成形技術(shù)之一，但是熔模精密鑄造過(guò)程容易產(chǎn)生氣孔、夾雜等缺陷，難以滿足高性能復(fù)雜構(gòu)件的使用需求。現(xiàn)代先進(jìn)航空航天飛行器朝著輕量化、高性能、低成本等方向發(fā)展，構(gòu)件的結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜，尋求高性能復(fù)雜零件制備方法成為了該領(lǐng)域的前沿。

激光選區(qū)熔化(Selective Laser Melting，SLM)技術(shù)是一種以快速原型制造技術(shù)為基本原理而發(fā)展起來(lái)的一種增材制造技術(shù)。SLM利用高能激光束逐層熔化金屬或者合金粉末而形成冶金結(jié)合的致密體，工藝環(huán)節(jié)少，無(wú)需模具便可直接成形，適合復(fù)雜結(jié)構(gòu)、整體結(jié)構(gòu)和內(nèi)部結(jié)構(gòu)的快速化、定制化和高性能制造。對(duì)于SLM技術(shù)而言，鎳基高溫合金屬于一種典型難成形材料，特別當(dāng)Al/Ti含量大于6％，為不可焊材料。這是由于在成形過(guò)程中高能束激光作用導(dǎo)致粉末溫度在微秒量級(jí)內(nèi)超過(guò)熔點(diǎn)甚至氣化，并在凝固層與非凝固層之間產(chǎn)生極大的溫度梯度，具有顯著的快速凝固特征。而鎳基高溫合金自身含有較多的合金元素，其在激光增材制造過(guò)程中普遍存在裂紋敏感性強(qiáng)、元素偏析等問(wèn)題。Al、Ti是沉淀強(qiáng)化型高溫合金強(qiáng)化相的主要形成元素，隨著合金中合金元素總含量的提高，強(qiáng)化相γ＇相體積分?jǐn)?shù)增加，合金強(qiáng)度提升，但合金的裂紋敏感性逐漸增加。通常，當(dāng)鎳基高溫合金中Al/Ti合金元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于6％時(shí)為不可焊接材料。在SLM成形過(guò)程中，Al/Ti合金元素容易在晶界處發(fā)生富集，通過(guò)發(fā)生共晶反應(yīng)而導(dǎo)致晶界液化從而產(chǎn)生液膜。同時(shí)，晶界上其他相(碳化物等)阻礙這些因素為高性能復(fù)雜鎳基高溫合金構(gòu)件的制備和性能調(diào)控帶來(lái)了極大的挑戰(zhàn)。因此，在激光快速凝固熱應(yīng)力下極易產(chǎn)生微裂紋。

微裂紋作為SLM成形過(guò)程中常見(jiàn)缺陷，對(duì)成形件性能有極大的影響，限制了鎳基高溫合金的應(yīng)用。同時(shí)，由于SLM是粉末逐層堆積的過(guò)程，激光掃描區(qū)域和凝固區(qū)域在復(fù)雜的熱交換過(guò)程。在熱影響區(qū)存在三種形式的應(yīng)力：快速凝固而產(chǎn)生的殘余應(yīng)力、強(qiáng)化相析出產(chǎn)生的時(shí)效應(yīng)力和熱膨脹不均勻引起的熱應(yīng)力。以上三種形式的應(yīng)力相互疊加，使得熱影響區(qū)域附近有產(chǎn)生沿晶界擴(kuò)展的裂紋的趨勢(shì)。這些因素為高性能復(fù)雜鎳基高溫合金構(gòu)件的制備和性能調(diào)控帶來(lái)了極大的挑戰(zhàn)。