一种镍基合金增材制造的方法
技术领域
本发明涉及一种镍基合金增材制造的方法，特指一种适用于激光熔覆和激光冲击复合处理制造镍基合金构件以提高合金性能的工艺方法，属于材料制备
技术领域
。背景技术
镍基合金由于具有优异的力学性能、高温性能等特性，近年来得到了广泛的应用，尤其是在航天、航空领域，主要用于制造发动机、涡轮机等高温构件。这些构件应用的工况条件极其复杂、恶劣，对构件的综合性能要求极高。随着科学技术的进步和人类生活需求的提高，传统铸造和机加工的制作方法俨然不能满足对构件日益增长的高品质要求，而增材制造技术在制造复杂零部件上具有显著优势。
增材制造(Additive Manufacturing，AM)俗称3D打印，通过计算机建模设计与控制系统，将材料按照挤压、烧结、熔融、光固化、喷射等方式逐层堆积以制造各种物品的技术方法，特别适合制造形状复杂的构件。随着激光应用的快速发展和激光系统成本的降低，激光技术在汽车、航空、航天、军事、国防及其他领域广泛应用。其中，激光熔覆因其制备的金属涂层无限制，可以实现构件的修复和增材制造等材料加工的多样化潜力而受到重视。
目前，激光熔覆增材制造镍基合金仍存在许多问题，这是因为激光熔覆本身是一个快速熔化与快速凝固的过程，由于能量输入高、温度梯度大、冷却速度快以及材料属性存在差异，熔池在冷却凝固过程中会产生较高的内应力，直接导致熔覆层会产生较大的残余应力而使零件变形、开裂。此外，反复的激光搭接熔覆和激光多层增材熔覆也容易产生粗大的枝晶组织、甚至偏析现象，严重影响了零件的结构刚度、静载强度和疲劳强度等。改善上述问题的方法主要有：基材预热、优化工艺参数、热处理、在熔覆层中加入塑性材料等。然而，这些方法都需要增加额外的生产工序，同时增大了生产成本。为此，本发明开发出一种镍基合金增材制造的方法。
发明内容
本发明开发出一种镍基合金增材制造的方法，本发明首先对构件表面进行激光熔覆处理，再对其进行激光冲击处理，二者协调强化后极大地提高了构件的热疲劳性能，延长构件的使用寿命，拓展其应用领域。其具体步骤为：
(1)熔覆粉末的制备。镍基粉末的化学成分按质量百分比计算，Ti为39～41％、Cr为1.7～1.9％、Cu为1.5～1.7％、Si为1.0～1.2％、复合稀土为0.6～1.0％、C为0.2～0.4％、B为0.2～0.4％、V为0.08～0.12％、Sr为0.01～0.03％、余量为Ni，粉末粒度100～240目且粉末形状为球形或近球形。其中，复合稀土的化学成分为：La为30～36％、Eu为30～36％、Nd为5～7％、Pm为5～7％、Pr为1～3％、Gd为1～3％、余为Ce。激光熔覆工艺前，需要将上述粉末在真空球磨机中进行混合，时间为3～5min，确保粉末混合均匀；然后在温度为50～60℃的真空保温箱内保温6～8min，以去除水分影响。
其中，上述提及的镍基粉末的优选成分为：化学成分按质量百分比计算，Ti为40％、Cr为1.8％、Cu为1.6％、Si为1.1％、复合稀土为0.8％、C为0.3％、B为0.3％、V为0.1％、Sr为0.02％、余量为Ni。
其中，上述提及的复合稀土的优选成分为：La为33％、Eu为33％、Nd为6％、Pm为6％、Pr为2％、Gd为2％、余为Ce。
(2)激光熔覆工艺。利用光纤激光器，在氩气保护氛围下，采取同轴送粉的方式进行激光熔覆增材制造。激光熔覆工艺参数为：光斑直径3mm；搭接率：40％。为保证后续激光冲击处理效果，确保熔覆层厚度(Y，单位：um)小于1000um，激光功率(x1，单位：W)、扫描速度(x2，单位：mm/min)和送粉速度(x3，单位：g/min)的选择应根据如下模型计算：
(3)激光冲击工艺。采用高能灯泵固体激光系统，约束层为K9玻璃，吸收层为0.3mm厚的铝箔。激光冲击工艺参数为：光斑直径：3.0mm；搭接率：50％；脉宽：20ns；波长：1064nm。为降低激光熔覆后熔覆层表面的残余拉应力以消除熔覆层内微裂纹等缺陷的产生，使得激光冲击熔覆层后残余拉应力(Z，单位：MPa)小于80MPa且激光冲击后表面粗糙度(a2，单位：um)Ra<0.6um，激光冲击的能量(a1，单位：J)的选择应根据如下模型计算：
Z＝-120.129cos(-0.218a1 2)-121.135cos(47.067a2 2)-298.704
(4)重复上面(2)至(3)步骤即可，直至镍基合金构件修复或制造完成。
本发明的有益效果：
本发明所用的激光熔覆粉末为形状记忆合金粉末，形状记忆合金具有应力“自适应特性”，即合金受到外界应力作用时，可通过应力诱发ε马氏体正逆相变，其相变变形可以用来松弛熔覆层中的残余应力，从而降低了熔覆层的开裂敏感性及工件变形问题。另外，对熔覆层进行激光冲击处理，既可以通过激光冲击波产生的强大冲击力以消耗熔覆时产生的残余拉应力，甚至预制残余压应力；又可以细化熔覆层组织晶粒，避免反复熔覆过程中产生粗大的柱状晶，从而有效改善增材制造镍基合金构件的性能。
具体实施方式
磨损实验在MMU-5GA微机控制高温摩擦磨损试验机上进行。试样尺寸：Φ4.8mm×12.7mm的销试样，对磨材料为GCr15钢加工成Φ54mm×8mm的盘试样。每个试样在进行磨损试验前后都要在超声波清洗机中进行清洗，清洗液是浓度为20％的丙酮溶液，清洗时间为6min。然后在50℃保温炉中进行烘干20min，最大程度的降低试样的表面污染程度。最后待试样冷却至室温后进行称重。称重采用MA110型电子天平，其精度为0.1mg。耐磨性用磨损失重来表达。采用干滑动摩擦磨损，实验温度采取25℃和400℃，载荷选取150N，转动速度为50r/min，磨损时间为30min。
实施例1
镍基合金选择市售的Inconel 718合金。按照下述步骤进行增材制造：
步骤(1)：熔覆粉末的制备。镍基粉末的化学成分按质量百分比计算，Ti为39％、Cr为1.7％、Cu为1.5％、Si为1.0％、复合稀土为0.6％、C为0.2％、B为0.2％、V为0.08％、Sr为0.01％、余量为Ni，粉末粒度100～240目。其中，复合稀土的化学成分为：La为30％、Eu为30％、Nd为5％、Pm为5％、Pr为1％、Gd为1％、余为Ce。激光熔覆工艺前，需要将上述粉末在真空球磨机中进行研磨和混合，时间为3～5min，确保粉末混合均匀且粉末形状为球形或近球形；然后在温度为50～60℃的真空保温箱内保温6～8min，以去除水分影响。
步骤(2)：激光熔覆工艺。利用光纤激光器，在氩气保护氛围下，采取同轴送粉的方式进行激光熔覆增材制造。激光熔覆工艺参数为：光斑直径3mm；搭接率：40％。为保证后续激光冲击处理效果，确保熔覆层厚度小于1000um，根据模型得激光功率：1500W；扫描速度：400mm/min；送粉速度：14g/min。
步骤(3)激光冲击工艺。采用高能灯泵固体激光系统，约束层为K9玻璃，吸收层为0.3mm厚的铝箔。激光冲击工艺参数为：光斑直径：3.0mm；搭接率：50％；脉宽：20ns；波长：1064nm。为降低激光熔覆后熔覆层表面的残余拉应力以消除熔覆层内微裂纹等缺陷的产生，使得激光冲击熔覆层后残余拉应力小于80MPa且激光冲击后表面粗糙度Ra<0.6um，根据模型得激光冲击的能量：5J。以上步骤重复进行8次，然后对经过上述激光熔覆+激光冲击处理的镍基合金进行具体实施方式的磨损实验，其结果如表1所示。
实施例2
镍基合金选择市售的Inconel 718合金。按照下述步骤进行增材制造：
步骤(1)：熔覆粉末的制备。镍基粉末的化学成分按质量百分比计算，Ti为41％、Cr为1.9％、Cu为1.7％、Si为1.2％、复合稀土为1.0％、C为0.4％、B为0.4％、V为0.12％、Sr为0.03％、余量为Ni，粉末粒度100～240目。其中，复合稀土的化学成分为：La为36％、Eu为36％、Nd为7％、Pm为7％、Pr为3％、Gd为3％、余为Ce。激光熔覆工艺前，需要将上述粉末在真空球磨机中进行研磨和混合，时间为3～5min，确保粉末混合均匀且粉末形状为球形或近球形；然后在温度为50～60℃的真空保温箱内保温6～8min，以去除水分影响。
步骤(2)：激光熔覆工艺。利用光纤激光器，在氩气保护氛围下，采取同轴送粉的方式进行激光熔覆增材制造。激光熔覆工艺参数为：光斑直径3mm；搭接率：40％。为保证后续激光冲击处理效果，确保熔覆层厚度小于1000um，根据模型得激光功率：1500W；扫描速度：400mm/min；送粉速度：14g/min。
步骤(3)激光冲击工艺。采用高能灯泵固体激光系统，约束层为K9玻璃，吸收层为0.3mm厚的铝箔。激光冲击工艺参数为：光斑直径：3.0mm；搭接率：50％；脉宽：20ns；波长：1064nm。为降低激光熔覆后熔覆层表面的残余拉应力以消除熔覆层内微裂纹等缺陷的产生，使得激光冲击熔覆层后残余拉应力小于80MPa且激光冲击后表面粗糙度Ra<0.6um，根据模型得激光冲击的能量：5J。以上步骤重复进行8次，然后对经过上述激光熔覆+激光冲击处理的镍基合金进行具体实施方式的磨损实验，其结果如表1所示。
实施例3
镍基合金选择市售的Inconel 718合金。按照下述步骤进行增材制造：
步骤(1)：熔覆粉末的制备。镍基粉末的化学成分按质量百分比计算，Ti为40％、Cr为1.8％、Cu为1.6％、Si为1.1％、复合稀土为0.8％、C为0.3％、B为0.3％、V为0.1％、Sr为0.02％、余量为Ni，粉末粒度100～240目。其中，复合稀土的化学成分为：La为33％、Eu为33％、Nd为6％、Pm为6％、Pr为2％、Gd为2％、余为Ce。激光熔覆工艺前，需要将上述粉末在真空球磨机中进行研磨和混合，时间为3～5min，确保粉末混合均匀且粉末形状为球形或近球形；然后在温度为50～60℃的真空保温箱内保温6～8min，以去除水分影响。
步骤(2)：激光熔覆工艺。利用光纤激光器，在氩气保护氛围下，采取同轴送粉的方式进行激光熔覆增材制造。激光熔覆工艺参数为：光斑直径3mm；搭接率：40％。为保证后续激光冲击处理效果，确保熔覆层厚度小于1000um，根据模型得激光功率：1500W；扫描速度：400mm/min；送粉速度：14g/min。
步骤(3)激光冲击工艺。采用高能灯泵固体激光系统，约束层为K9玻璃，吸收层为0.3mm厚的铝箔。激光冲击工艺参数为：光斑直径：3.0mm；搭接率：50％；脉宽：20ns；波长：1064nm。为降低激光熔覆后熔覆层表面的残余拉应力以消除熔覆层内微裂纹等缺陷的产生，使得激光冲击熔覆层后残余拉应力小于80MPa且激光冲击后表面粗糙度Ra<0.6um，根据模型得激光冲击的能量：5J。以上步骤重复进行8次，然后对经过上述激光熔覆+激光冲击处理的镍基合金进行具体实施方式的磨损实验，其结果如表1所示。
对比例1
镍基合金选择市售的Inconel 718合金，对其进行具体实施方式的磨损实验，其结果如表1所示。
对比例2
镍基合金选择市售的Inconel 718合金，对其进行激光熔覆处理。
步骤(1)：熔覆粉末的制备。镍基粉末的化学成分按质量百分比计算，Ti为40％、Cr为1.8％、Cu为1.6％、Si为1.1％、复合稀土为0.8％、C为0.3％、B为0.3％、V为0.1％、Sr为0.02％、余量为Ni，粉末粒度100～240目。其中，复合稀土的化学成分为：La为33％、Eu为33％、Nd为6％、Pm为6％、Pr为2％、Gd为2％、余为Ce。激光熔覆工艺前，需要将上述粉末在真空球磨机中进行研磨和混合，时间为3～5min，确保粉末混合均匀且粉末形状为球形或近球形；然后在温度为50～60℃的真空保温箱内保温6～8min，以去除水分影响。
步骤(2)：激光熔覆工艺。利用光纤激光器，在氩气保护氛围下，采取同轴送粉的方式进行激光熔覆增材制造。激光熔覆工艺参数为：光斑直径3mm；搭接率：40％。为保证后续激光冲击处理效果，确保熔覆层厚度小于1000um，根据模型得激光功率：1500W；扫描速度：400mm/min；送粉速度：14g/min。以上步骤重复进行8次，然后对经过上述激光熔覆处理的镍基合金进行具体实施方式的磨损实验，其结果如表1所示。
对比例3
镍基合金选择市售的Inconel 718合金，对其进行激光冲击处理。采用高能灯泵固体激光系统，约束层为K9玻璃，吸收层为0.3mm厚的铝箔。激光冲击工艺参数为：光斑直径：3.0mm；搭接率：50％；脉宽：20ns；波长：1064nm。为降低激光熔覆后熔覆层表面的残余拉应力以消除熔覆层内微裂纹等缺陷的产生，使得激光冲击熔覆层后残余拉应力小于80MPa且激光冲击后表面粗糙度Ra<0.6um，根据模型得激光冲击的能量：5J。以上步骤重复进行8次，然后对经过上述激光冲击处理的镍基合金进行具体实施方式的磨损实验，其结果如表1所示。
表1不同工艺制备镍基合金的摩擦磨损性能
通过表1可以看出：实施例是当前应用较为广泛的Inconel 718合金。经本发明专利工艺强化后，镍基合金的摩擦磨损性能大幅度的提升，尤其是在400℃下摩擦磨损性能的提升效果明显。对比例1没有经过处理的Inconel 718合金，其耐磨性较差。对比例2是经过激光熔覆处理的Inconel 718合金，对比例3是经过激光冲击处理的Inconel 718合金。从表1实验结果可以发现：虽然激光熔覆和激光冲击的方法均能一定程度上改善镍基合金材料的耐磨性，但是效果并不显著。对于激光熔覆处理方法而言，熔覆层中容易产生微裂纹且受激光熔覆过程中热量传输和应力应变影响，熔覆层以及与基材结合的熔合区+热影响区极易形成柱状晶、偏析、形成脆性较大的金属间化合物和较大的残余应力，削弱了激光熔覆的强化作用。对于激光冲击处理方法而言，仅在合金表面起到细化晶粒和预制残余压应力的作用，作用范围有限。相比较而言，采取本发明专利的复合强化工艺方法，能够有效改善熔覆层以及熔覆层与基体之间结合区存在微裂纹和晶粒粗大的问题，从而有利于提高镍基合金材料的性能。
总之，本发明专利提出的激光熔覆+激光冲击的复合强化处理是一种有效提高镍基合金性能的增材制造方法。
