[發(fā)明專利]一種實現(xiàn)鎳基合金柱狀晶近凈成型的增材制造方法

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• 申請?zhí)枺?/td>: 202310468901.2
• 申請日: 2023-04-27
• 公開（公告）號: CN116511526A
• 公開（公告）日: 2023-08-01
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 晏井利;李一林;丁輝
• 申請（專利權(quán)）人: 東南大學
• 主分類號: B22F10/28
• 分類號: B22F10/28;B33Y70/00;B33Y10/00;C22C19/03;B22F10/366;B22F10/36
• 代理公司: 南京蘇高專利商標事務(wù)所(普通合伙) 32204
• 代理人: 曹坤

本發(fā)明公開了一種實現(xiàn)鎳基合金柱狀晶近凈成型的增材制造方法。屬于金屬增材制造領(lǐng)域，具體操作步驟：根據(jù)合金成分的不同，利用熱力學計算優(yōu)化取得的工藝窗口；計算合金的溫度梯度G和柱狀晶?等軸晶轉(zhuǎn)變臨界K值；選擇合適的間歇沉積時間t；以間歇沉積的策略為主，對激光掃描速度和激光能量進行進一步尋優(yōu)，保證熔池內(nèi)未重熔區(qū)內(nèi)均為柱狀枝晶，所形成的等軸晶區(qū)域被全部重熔；按照優(yōu)化后的間歇沉積工藝進行激光增材成型，獲得近凈柱狀晶鎳基合金零件。本發(fā)明通過調(diào)整沉積時層間的冷卻時間，在成型方向?qū)崿F(xiàn)對溫度梯度的精確控制，獲得穩(wěn)定的柱狀晶成形區(qū)，并調(diào)整激光功率和掃描速度，保證柱狀晶的接續(xù)生長，形成柱狀鎳基合金的定向近凈成型。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于金屬增材制造領(lǐng)域，涉及了一種實現(xiàn)鎳基合金柱狀晶近凈成型的增材制造方法。

背景技術(shù)

鎳基高溫合金因其成分特點具有較小的熱膨脹系數(shù)、高熔點與高熱穩(wěn)定性和優(yōu)異的抗氧化、抗腐蝕性能，同時其內(nèi)部可以固溶多種合金化元素并保持其基底的穩(wěn)定性，因此鎳基高溫合金被廣泛地應(yīng)用于飛機、火箭發(fā)動機、核電和工廠等諸多環(huán)境中。鎳基高溫合金通常占飛機發(fā)動機總重量的40％至50％，在發(fā)動機的燃燒器和渦輪部分使用最為廣泛。然而，鎳基高溫合金的制造工藝相對較為復(fù)雜，傳統(tǒng)的制造方法往往存在成本高、周期長等問題。增材制造技術(shù)的出現(xiàn)為鎳基高溫合金的制造帶來了新的思路和方法。

增材制造技術(shù)是一種將數(shù)字化設(shè)計模型直接轉(zhuǎn)化為實體的制造技術(shù)，具有制造自由度高、加工周期短、可實現(xiàn)多層次和多材料組合等優(yōu)點。其最大的特點在于可以實現(xiàn)任意形狀與高精度的零件直接制造，可以有效地提高制造效率、節(jié)省成本。對于鎳基高溫合金來說，渦輪機葉片等鎳基高溫合金零件均具有極高的加工精度與成形性要求，在高復(fù)雜度、零件幾何優(yōu)化等方面，增材制造相比傳統(tǒng)工藝具有得天獨厚的優(yōu)勢。

鎳基合金的性能與其組織密切相關(guān)，合金的晶粒尺寸、晶粒取向、晶界特征是影響材料性能的重要因素。在增材制造過程中，通過合適的工藝參數(shù)和處理方法，可以控制晶粒尺寸和晶粒取向，從而調(diào)節(jié)合金的晶體形貌，實現(xiàn)優(yōu)化材料性能的目的。

發(fā)明內(nèi)容

發(fā)明目的：本發(fā)明的目的是提供了一種實施簡單、有效的、實現(xiàn)鎳基合金柱狀晶近凈成型的增材制造方法，該方法能夠在鎳基合金中沿成型方向控制柱狀-等軸轉(zhuǎn)變，實現(xiàn)增材制造鎳基合金的柱狀晶近凈成型。

技術(shù)方案：本發(fā)明所述的一種實現(xiàn)鎳基合金柱狀晶近凈成型的增材制造方法，本發(fā)明通過調(diào)整間歇時間和工藝參數(shù)，在成型過程中引入溫度梯度控制，進而實現(xiàn)等軸區(qū)的有效重熔與柱狀晶的接續(xù)生長，實現(xiàn)了一種鎳基合金的柱狀晶近凈成型；

進一步的，其具體制備步驟如下：

(1)、根據(jù)成型鎳基合金成分，利用熱力學計算對合金增材制造窗口進行初步優(yōu)化；

擇優(yōu)獲取工藝窗口，包括：激光能量密度、激光掃描速度、鋪粉層厚、激光掃描間距；

(2)、根據(jù)步驟(1)得到的工藝窗口進行熱力學計算，在快速凝固的條件下算得鎳基合金的的溫度梯度G以及柱狀晶-等軸晶轉(zhuǎn)變臨界K值；

(3)、選擇間歇沉積所需時間t，保證溫度梯度G、冷卻速度V的關(guān)系滿足

(4)、對激光掃描速度和激光能量進行進一步尋優(yōu)，保證熔池內(nèi)未重熔區(qū)內(nèi)均為柱狀枝晶，所形成的等軸晶區(qū)域被全部重熔；

(5)、按照優(yōu)化后的間歇沉積工藝進行激光增材成型，獲得近凈的柱狀鎳基合金零件。

進一步的，在步驟(1)中，所述采用的增材制造方法為粉末床激光金屬增材方法。

進一步的，在步驟(1)中，所述的擇優(yōu)工藝窗口為激光掃描間距0.05-0.07mm、激光能量115-175W，掃描速度600-1000mm/s，體積能量密度100-200J/mm³。