[發(fā)明專利]一種改善激光熔絲增材制造合金鋼沉積層組織和性能的方法

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• 申請日: 2022-03-02
• 公開（公告）號: CN114603158A
• 公開（公告）日: 2022-06-10
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 果春煥;郭東生;姜風(fēng)春;西祥偉;袁丁
• 申請（專利權(quán)）人: 哈爾濱工程大學(xué)
• 主分類號: B22F10/64
• 分類號: B22F10/64;B22F10/20;B33Y40/20
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本發(fā)明提供了一種改善激光熔絲增材制造合金鋼沉積層組織和性能的方法，該方法是對激光熔絲增材制造的合金鋼沉積層進行脈沖電流處理，激光熔絲增材制造合金鋼沉積層之后，用電火花線切割機切割成相同體積的長方體小塊試樣進行脈沖電流處理，由于脈沖電流短時間內(nèi)的高能量輸入，使材料的熱膨脹遠遠滯后于溫升，從而產(chǎn)生了瞬時熱壓應(yīng)力，在熱壓應(yīng)力和焦耳熱效應(yīng)的共同作用下會產(chǎn)生裂紋愈合效應(yīng)，并且脈沖電流還可以提高形核率，在短時間內(nèi)出現(xiàn)大量晶核，抑制晶粒的生長，實現(xiàn)了晶粒的細化，脈沖電流也可以降低金屬材料的加工應(yīng)力和脆性，提高其拉伸強度和延伸率，從而實現(xiàn)了脈沖電流處理改善激光熔絲增材制造合金鋼的組織，提高其力學(xué)性能的目的。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于金屬激光熔絲增材制造的后處理領(lǐng)域，具體涉及改善激光熔絲增材制造合金鋼沉積層組織和性能的方法。

背景技術(shù)

增材制造(AM)是基于“離散-堆積”原理的制造技術(shù)，通過計算機輔助設(shè)計模型采用材料逐層堆積的方法來制造3D金屬構(gòu)件，在航空航天、能源動力和國防軍工等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。由于其可以快速制造復(fù)雜的幾何形狀和結(jié)構(gòu)的零件，節(jié)約生產(chǎn)時間，高效的材料利用率，基本不需要昂貴的加工工具和夾具，生產(chǎn)成本低等特點，AM在近幾年得到了快速的發(fā)展。在高價值零件的小批量生產(chǎn)中，AM正逐漸成為一種經(jīng)濟、高效的生產(chǎn)方法。

激光熔絲增材制造技術(shù)(LMD)是以激光為能量源，金屬絲材為原料，通過數(shù)字化自動控制來實現(xiàn)由點到線再到面的堆積，逐漸形成三維實體的過程。金屬絲材的使用成本低，使用效率高，并且清潔無污染。在激光熔絲增材制造過程中，金屬絲材受熱熔化在基板上形成熔池，基板以及沉積層不斷被加熱，且前一沉積層的散熱作用隨成形高度的升高而越來越弱，所以工件每層的熱條件也不盡相同且經(jīng)歷了多次熱循環(huán)。在這個過程中，絲材熔化、凝固和冷卻都在很短的時間內(nèi)進行，這導(dǎo)致熔池與基體之間存在較大的溫度梯度，產(chǎn)生了熱應(yīng)力和殘余應(yīng)力，進而容易在金屬沉積層中形成裂紋、氣孔和層間結(jié)合不良等缺陷，這最終導(dǎo)致了工件機械性能的下降。所以，如何減少或者消除激光熔絲增材制造過程中的缺陷，改善激光熔絲增材制造合金鋼構(gòu)件的組織形貌，提高其力學(xué)性能是目前激光熔絲增材制造領(lǐng)域的研究熱點。

為了改善激光熔絲增材制造過程中沉積層組織形貌，提高其力學(xué)性能，人們提出了多種處理方式，比如傳統(tǒng)的熱處理方式，即通過回火處理的方式，來改善激光熔絲增材制造結(jié)構(gòu)件中的殘余應(yīng)力等。然而，傳統(tǒng)的熱處理方式因其加熱速度慢，且處理過程中易受熱處理裝置大小的限制，無法加工大尺寸結(jié)構(gòu)件。基于此，人們發(fā)展了一種能夠快速實現(xiàn)熱處理的方式——脈沖電流處理。對激光熔絲增材制造合金鋼進行脈沖電流處理，可以獲得良好的效果。脈沖電流處理是一種利用高密度電子電荷使金屬材料的組織和力學(xué)性能發(fā)生劇烈變化的新方法，常用于實現(xiàn)合金的超塑性、材料內(nèi)部缺陷的愈合以及改善結(jié)構(gòu)件表面性能等。脈沖電流處理已經(jīng)在許多材料上獲得了應(yīng)用。比如對拉伸過程中的鈦合金施加脈沖電流的作用，大幅提高了鈦合金的變形能力，實現(xiàn)了其超塑性。高能脈沖電流技術(shù)因其具有加熱速度快、保溫時間短、節(jié)能等特點,在組織改善、再結(jié)晶、相轉(zhuǎn)變、材料損傷愈合和改善金屬材料的疲勞性能等方面均具有較好的效果，因為脈沖電流處理特殊的電脈沖加熱方式是傳統(tǒng)熱處理方法無法比擬的。因此，針對激光熔絲增材制造過程中易產(chǎn)生的粗大柱狀晶的問題，把脈沖電流引入到激光熔絲增材制造領(lǐng)域，來細化激光熔絲增材制造中沉積層的晶粒尺寸，改善其力學(xué)性能。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是提供一種激光熔絲增材制造合金鋼沉積層組織和性能優(yōu)化的方法，該方法是對激光熔絲增材制造的合金鋼沉積層進行脈沖電流處理。由于脈沖電流短時間內(nèi)的高能量輸入，使材料的熱膨脹遠遠滯后于溫升，從而產(chǎn)生瞬時熱壓應(yīng)力。在熱壓應(yīng)力和焦耳熱效應(yīng)的共同作用下會產(chǎn)生裂紋愈合效應(yīng)。并且脈沖電流還可以提高形核率，在短時間內(nèi)出現(xiàn)大量晶核，抑制晶粒的生長，從而實現(xiàn)了晶粒的細化。所以可以用脈沖電流處理的方法來改善激光熔絲增材制造合金鋼沉積層中的組織不均勻性和力學(xué)性能差的問題。

為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案如下：

一種改善激光熔絲增材制造合金鋼沉積層組織和性能的方法，將脈沖電流處理應(yīng)用到激光熔絲增材制造合金鋼薄壁件領(lǐng)域；具體步驟為：