[发明专利]一种激光外延定向凝固技术

说明书

本发明是一种涉及冶金与材料科学领域中定向凝固的新方法。

定向凝固发展的历史就是提高温度梯度的历史。目前，已经发展的多种定向凝固技术中，第一代的功率降低法(PD法)只能达到2～3K/mm的温度梯度，第二代的高速凝固法(HRS法)把温度梯度提高到7～8K/mm，第三代的液态金属冷却法(LMC法)温度梯度可达到30K/mm。随着温度梯度的提高，定向凝固的凝固速率和冷却速率也相应提高。但即使是液态金属冷却法，其冷却速率仍不够高。低的冷却速率导致粗大枝晶组织的形成，并产生严重的枝晶间元素偏析，限制了材料性能的提高。区域熔化液态金属冷却法(ZMLMC法)是在LMC基础上发展起来的，由于该技术能集中对凝固界面前沿液相进行加热，从而有效地提高了固液界面前沿的温度梯度。但是受加热方式的限制，温度梯度不可能再有很大提高。

自七十年代大功率CO₂激光器问世以来，高能激光束作为一种理想、清洁、可控性强的热源在材料的切割、焊接以及各种激光强化技术中发挥了重要的作用。激光能量高度集中的特性，使它具备了作为定向凝固热源时可能获得比现有定向凝固方法高得多的温度梯度的可能性。在传统的定向凝固技术中，通常是通过控制热端和冷端的温差以形成具有一定的温度梯度的拟线性温度场，试样通过该温度场运动以实现定向凝固，而在现有的激光定向凝固技术中，只是将热端的加热热源换成了激光，以提高热端的温度，并且利用激光所具有的热集中性进一步控制缩短热端和冷端的距离，以提高温度梯度。但由于受激光熔池尺寸和材料导热能力的限制，试样的尺寸和形状也受到了限制，而且温度梯度与试样大小有关，在试样较大时，温度梯度也不够高。

激光定向凝固的另外一种类型是利用激光对合金进行表面快速熔凝得到薄带定向凝固组织，对于某些合金(结晶温度间隔较小)，在特定的工艺条件下，熔池的顶部容易实现与激光束扫描方向一致的定向生长，在试样的上表面加喷液氮进行强制冷却，可以在试样上得到一薄层水平方向的定向凝固组织，但这种薄带的定向凝固组织所得到的试件受尺度的限制，不能满足工程上对大体积定向凝固试样的需求。

为了解决现有激光定向凝固技术中存在的由于受材料导热能力的限制而引起的试样适用性差的不足，本发明提出了一种新的激光定向凝固方法。

本发明利用激光熔池中所达到的极高温度梯度，以及激光快速熔凝组织通常呈现外延生长的特点，以定向凝固或单晶材料为基材，进行激光多层涂覆，从而实现涂覆层组织的定向凝固。

本发明所得到的涂覆层组织细小，致密、定向性好。在基材为单晶时，还可以获得具有单晶组织的多层涂覆试样。当把激光定向凝固与快速原型技术结合起来时，可以在不用模具的条件下，快速制造具有定向凝固组织的形状复杂的金属零件，其快速、柔性和性能都优于其他传统定向凝固方法。由于涂覆时，激光直接作用在粉末或丝材上，熔化时基本不受材料本身的导热能力的限制，避免了现有的激光定向凝固技术的局限性，并且该技术对试样大小没有限制，能够为工程提供不同尺寸和形状，具有定向凝固组织的金属零件。

附图为外延激光定向凝固成形系统的示意图

以下结合实施例对本发明做一详细描述。

实施例一

对铜基合金进行外延激光定向凝固成形，利用通常激光熔池中所达到的极高温度梯度，以及激光快速熔凝时凝固组织所具有外延生长的特点，以铜基定向凝固材料为基材，在其择优晶面(001)上进行激光多层涂覆。

涂覆时，采用常规的激光多层涂覆方法：粉末选用铜锰合金粉，粒度为200目。在铜基合金定向凝固基材[8]的择优晶面(100)上进行涂覆，共涂覆10层，高度约为5mm。涂层内细小、致密的定向凝固组织是从基材[8]上外延生长的。涂层组织相比下部的基底组织要细小得多，枝晶一次间距为10～30μm。

所用装置主要由四部分组成：激光器[2]、送粉器[5]、数控工作台[9]和计算机[1]。制造过程采用同步送粉法，利用5kW连续CO₂激光器[2]，激光功率大约为3kW，工作台[9]为四轴三联动，带动基板[8]运动；激光经聚焦镜[3]后，在基板[8]上形成激光熔池，激光熔池上有保护气[6]；粉末经送粉器[5]传送，通过喷嘴[4]落入激光熔池中，经快速熔凝得到所需的定向凝固涂覆层[7]。

在涂覆过程中，为保证涂覆每层材料时有相同的光斑尺寸及粉末始终送入激光熔池中，在每涂完一层之后，喷嘴[4]和激光头沿Z轴上升一个距离ΔZ，再涂覆下一层材料。ΔZ的数值与每层涂层的厚度大致相当。

实施例二