[发明专利]一种抑制激光增材制造镍基高温合金热裂纹的方法

说明书

本发明公开了一种抑制激光增材制造镍基高温合金热裂纹的方法，包括：S1、将预合金化镍基高温合金粉末在真空环境下烘干；S2、开始进行激光增材制造块体试样并调控激光增材制造块体试样的工艺参数；S3、将块体试样从基板分离，测试激光增材制造镍基高温合金的裂纹率、残余应力、致密度及成形表面粗糙度。本发明通过调控在激光增材制造块体试样成形中的激光功率、扫描速度、扫描间距以及层间激光扫描转角等工艺参数，可以改善最终制备得到的激光增材制造镍基高温合金的显微组织结构，使得激光增材制造镍基高温合金的裂纹率下降高达93.4%，致密度超过99.8%，成形上表面粗糙度超过Ra0.45μm，残余应力超过60.66Mpa；建立了高致密度、无裂纹的激光增材制造镍基高温合金的加工窗口。

技术领域

本发明涉及高温合金3D打印的技术领域，特别涉及一种抑制激光增材制造镍基高温合金热裂纹的方法。

背景技术

高性能航空发动机是决定飞机使用性能和经济性能的关键因素，其中高温合金是制造航空发动机热端部件的关键材料。镍基高温合金具有优秀的抗氧化性和耐蚀性，主要用于制备航空发动机部件以及其他在高温环境中服役的零部件，是应用最广泛的高温合金之一。增材制造技术（3D打印技术）是计算机、材料、高能束等多学科交叉的新型快速成形技术，适合于具有复杂结构、内腔结构等特征新产品的快速研发。激光增材制造技术相比于传统的减材制造技术和其他增材制造技术具有更强的复杂形状零件直接成型能力和难加工合金材料成型能力，成型零件质量更高，制造过程所产生的废料也比传统工艺少很多。随着激光增材制造技术的快速发展及技术优势，航空发动机零部件的设计自由度增大，可以实现部件的一体化设计及增材制造成形，节省了大量的制造周期和成本，使激光增材制造技术被广泛地应用于航空航天领域。

然而，由于激光增材制造过程中的快热快冷，温度梯度大，热应力高，以及镍基高温合金自身的高裂纹敏感性，使其在激光增材制造过程中容易产生变形、开裂等缺陷。因此，有效控制合金开裂是获得高性能增材制造镍基高温合金构件的关键。目前国内外在激光增材制造镍基高温合金的裂纹形成机理和裂纹抑制方面进行了大量研究，其中的裂纹类型包括：在凝固后期由于晶界处的残余液相受到拉应力作用，导致晶界处的液膜分离而形成的凝固裂纹；凝固过程中由于晶界处元素偏析形成低熔点共晶体，在随后的热循环过程中形成晶间液膜，在拉伸应力作用下被拉开形成的液化裂纹；在高温低塑温度区间，由于晶间析出相或碳化物在柱状晶平直晶界处导致应力集中而产生的高温失塑裂纹；以及沉淀强化型镍基高温合金在时效过程中析出强化相时，相变收缩应力引起的应变超过合金塑性所形成的应变时效裂纹。通过在预合金化粉末中掺杂细化剂（如TiC、TiB₂等），使得激光增材制造镍基高温合金时晶粒细化，从而抑制裂纹的萌生与扩展的研究，在近年来受到了广泛关注。但是，大量外来元素或颗粒的添加会导致合金与标准成分出现较大偏差，而镍基高温合金的合金化程度越高，杂质的耐受性越低，细化剂的加入可能导致使用过程中存在潜在的安全问题。

发明内容

本发明的主要目的在于针对现有技术的上述缺点与不足，提出了一种抑制激光增材制造镍基高温合金热裂纹的方法。该方法通过调控成形工艺参数来改善材料的显微组织结构，使得激光增材制造镍基高温合金的裂纹率下降93.4%，致密度超过99.8%，成形上表面粗糙度超过Ra0.45；建立了高致密度、无裂纹的激光增材制造镍基高温合金的加工窗口。

本发明的第一方面，提出了一种抑制激光增材制造镍基高温合金热裂纹的方法，包括以下步骤：

S1、将预合金化镍基高温合金粉末在真空环境下烘干；

S2、将烘干后的预合金化镍基高温合金粉末放入送粉器中，激光增材制造成形仓内充入氩气作为惰性保护气体，待成形仓内氧含量降至80ppm后开始进行激光增材制造块体试样并调控激光增材制造块体试样的工艺参数；

S3、将块体试样从基板分离，测试得到激光增材制造镍基高温合金的裂纹率、残余应力、致密度以及成形表面粗糙度。

在本发明的一些实施方式中，步骤S1中，所述在真空环境下烘干为：在100～150℃的真空环境下烘干4～8h。