[发明专利]一种激光增材制造镍基高温合金脆性相的控制方法及装置

说明书

本发明公开一种激光增材制造镍基高温合金脆性相的控制方法及装置，包括：将镍基高温合金的样品装夹在数控工作台上；确定所述样品的加工位置；对所述加工位置施加激光，形成液体金属熔池；对所述液体金属熔池施加电磁场；将粉末金属送入所述液体金属熔池；所述金属粉末在所述激光作用下熔化并在所述电磁场的作用下发生凝固，得到成形的样品，完成镍基高温合金的加工。采用上述方法或装置解决了传统镍基高温合金增材制造过程中无法减少枝晶间LAVES脆性相的析出的问题。

技术领域

本发明涉及金属材料激光增材制造领域，特别是涉及一种激光增材制造镍基高温合金LAVES脆性相控制的加工方法及装置。

背景技术

激光增材制造技术是一种基于“增材”制造理念的先进材料制备技术，该技术充分发挥了激光熔覆技术中熔体金属非平衡凝固和快速原型技术逐点逐层成形三维实体零件的优点，可以实现复杂结构金属零件的快速高性能成形和修复。由于熔池金属的凝固过程具有近快速凝固特点，激光增材制造金属材料多具有组织细密、合金元素的过饱和程度大等特点，且由于是同成分合金粉末的逐点成形，激光立体成形制备的材料不存在合金元素的宏观偏析，而在枝晶间仍存在合金元素的微观偏析，并造成了枝晶间LAVES脆性相的产生，对合金性能造成不利影响。特别的，对于局部激光增材修复零件来说，考虑到零件受热变形以及锻件组织晶粒长大、沉淀强化相溶解等潜在风险，镍基高温合金激光修复件不允许采用高温的均质化和固溶处理，此时修复区仍为沉积态铸态组织，其中存在的LAVES相占用了大量Nb等合金元素，造成基体γ相中γ”强化相贫化，加之LAVES脆性相的存在，材料性能较差。

有关LAVES相消除机制的研究主要集中在铸造合金热处理及镍基高温合金焊缝中的LAVES溶解机制。宁秀珍等提出了均匀化处理的新观点，指出少量液体的存在可从温度、浓度梯度和接触面积三个方面促进GH169合金均匀化过程，从而可使LAVES相消除的时间大大缩短。从无液体的1120℃，到有少量液体的1180℃，少量液体的存在方面加速均匀化过程。李爱兰等采用金相显微镜对热处理前后的K4169合金微观组织进行研究。结果表明，K4169经1095℃均匀化+955℃固溶+720℃时效后Laves相体积分数减少，周围生成针状δ相。王凯等对K4169合金进行1165℃、4h、140MPa热等静压处理，发现Laves相基本消失，无微观疏松，是一种效果很好的热处理工艺。Janaki Ram等研究了电流脉冲对Inconel 718合金GTA焊接焊缝金属中Laves相析出的影响，研究发现脉冲电流在细化焊缝熔合区晶粒组织的同时有效地减小了Laves相的数量。Sivaprasad等比较了冷却速度对718合金焊缝显微组织的影响，发现高的冷却速度可以得到细小且离散的LAVES相，而较低冷却速度同时会增加LAVES相中的Nb元素的含量。Manikandan等考察了冷却速率对718合金GTA焊缝金属枝晶间LAVES相和合金元素微观偏析，采用液氮冷却的方法获得了较快的冷却速率，使得合金元素微观偏析和LAVES相体积分数得到减小，同时LAVES相形貌也变得细小分散。Xiao等研究了激光模式在激光増材制造718合金Nb元素偏析和LAVES相形成的影响，发现准连续激光由于能量输入小更容易获得等轴晶组织、更小的元素微观偏析和更细小分散的LAVES相。Long等研究了凝固条件对激光熔覆Inconel718合金中的Nb元素偏析行为的影响，发现冷却速率对Nb的偏析有明显作用，高的冷却速率有利于抑制Nb的偏析，并减少Laves相的形成。

总结以上文献报导，研究者多以增加熔池冷却速率来改变熔池凝固行为，获得更细密的枝晶组织，从而实现枝晶间LAVES相析出的控制。然而，依靠外界冷却而增加熔池冷却速率的方式对小尺寸零件的增材制造或许有用，而对于尺寸较大，特别是高度较大且形状复杂的零件的成形，基板的冷却效果有限，仅依靠通过基板冷却来实现LAVES脆性相的消除也就无法实现。另外，对于金属零件的激光增材修复，此时则根本无法通过基板的冷却来增加熔池的冷却速率。

发明内容

本发明的目的是提供一种激光增材制造镍基高温合金的加工方法及装置，解决了增材制造过程中无法减少枝晶间LAVES脆性相的析出的问题。