CN104785778A

CN104785778A - 一种高温合金零件的激光增材制造工艺

Info

Publication number: CN104785778A
Application number: CN201410024024.0A
Authority: CN
Inventors: 赵宇辉; 赵吉宾; 王福雨; 来佑彬; 王志国
Original assignee: Shenyang Institute of Automation of CAS
Current assignee: Shenyang Institute of Automation of CAS
Priority date: 2014-01-17
Filing date: 2014-01-17
Publication date: 2015-07-22

Abstract

本发明公开了一种高温合金零件的激光增材制造工艺，属于金属粉末激光增材制造技术领域。该工艺首先通过基础工艺实验，确定不同高温合金材料的工艺参数范围，然后在制造过程中采用特定的激光扫描路径及相关内部缺陷控制方法进行增材制造。本发明制造的零件具有成形效率高，成本低，零件内部质量好，自动化程度高，易操作等优势。采用本发明能够直接制造出具备工业应用水平的高温合金零件，提供了一种高温合金零件制造的新途径。

Description

一种高温合金零件的激光增材制造工艺

技术领域

本发明涉及高温合金粉末激光增材制造技术，具体为一种一种高温合金零件的激光增材制造工艺。

背景技术

增材制造技术是将设计产品通过CAD（计算机辅助设计）软件转化为3D数据，之后通过特定的成型设备（即增材制造机），用液化、粉末化、丝化的固体材料逐层“制造”出产品。增材制造技术也称“3D打印”或“快速成形”。根据工艺的不同增材制造技术的主要成型方法包括：光固化成形（SLA）、分层实体制造（LOM）、激光选域烧结（SLS）、熔融沉积成形（FDM）以及金属近净成形等。区别于传统的“去除型”制造，增材制造技术无需原胚和模具，就能直接根据计算机图形数据通过增加材料的方法生成任何形状的物体，因此可以简化产品的制造程序，缩短产品研制周期，提高效率并降低成本。

目前，高温合金零件广泛应用于航空领域的各个方面，但高温合金零件的加工制造一直是影响高温合金广泛应用的难题。高温合金又叫热强合金，它是航空制造发动机、飞机等高温及承力部分的关键材料。主要用于制造燃烧室，涡轮叶片，导向叶片，压气机，飞机结构件与涡轮盘，涡轮机匣等部位。使用温度较高，受力与环境条件随使用零件所在部分不同而异，对合金的力学，物理，化学性能有严格的要求，是各类航空装备的性能，可靠性与寿命的决定性因素。但由于高温合金的机械加工性能较差，传统的锻造加机械加工的制造大型高温合金零件方法，不仅需要大型重型锻造工业设备，而且制造工序繁多、工艺复杂，零件机械加工余量很大。材料利用率低、数控加工时间长、制造成本高，严重制约了高温合金零件在先进工业及国防装备中的广泛应用。

鉴于上述传统大型高温合金零件制造技术存在的缺点，激光增材制造技术作为一种先进制造技术为大型高温合金零件的制造提供了新途径。但激光增材制造技术从出现伊始，就面临着内部质量不高、工艺稳定性较差等难题。特别是缺乏一种针对于高温合金材料的激光增材制造工艺。因此，研究一种采用激光增材制造方法直接制造出高温合金零件的加工工艺，解决高温合金激光增材制造技术的制约性难题具有非常重要的意义。

发明内容

针对上述高温合金激光增材制造加工过程中，经常出现内部质量差、变形和开裂等问题。本发明目的在于提供一种内部质量好、材料利用率高、制造周期短及制造成本低的激光增材制造高温合金零件工艺方法。

为实现本发明的目的，本发明的技术方案为：

一种高温合金零件的激光增材制造工艺，该工艺是采用高功率激光束按照预先规划的扫描路径逐层熔化堆积高温合金粉末，制造出高温合金零件；所述高温合金为铁基高温合金或镍基高温合金，当高温合金为铁基高温合金时，激光增材制造工艺参数范围：激光功率为2000～2500W，扫描速度为5～15mm/s，送粉速率为0.4～3g/min，分层厚度为0.6～1.2mm，扫描间距为1～2mm；当高温合金为镍基高温合金时，激光增材制造工艺参数范围：激光功率为18000～2200W，扫描速度为5～15mm/s，送粉速率为0.8～2g/min，分层厚度为0.6～1.2mm，扫描间距为1～2mm。

所述预先规划的扫描路径是指填充式扫描方式，即奇数层时，先进行激光增材制造高温合金零件的外轮廓的扫描，再进行其内部填充；偶数层时，先进行激光增材制造高温合金零件的内部填充，再进行其外轮廓的扫描。

激光增材制造工艺过程中，采用应力控制方法，所述应力控制方法即在基材部分引入超声振动，超声振动的具体参数为：工作频率40000HZ，最大输出振幅50μm，处理速度20～40m/h，额定功率1000W。

上述所述高温合金零件整个制造过程由计算机控制，实现一次性近净成形。

本发明原理如下：

本发明高温合金零件的激光增材制造工艺主要针对铁基和镍基高温合金。首先，采用正交实验法，并通过大量基础工艺实验确定了两种高温合金基本工艺参数带，得到了包括激光功率、扫描速度、送粉速率、扫描间距、分层厚度等工艺参数对激光增材制造单层的形貌及尺寸的影响规律，进而确定铁基材料和镍基材料的工艺参数范围。

本发明采用特定的激光扫描路径，并通过优化扫描间距，变换激光打印零件不同层间加工工艺参数等，实现零件内部缺陷控制。

本发明提出新的应力控制方法，即在激光增材制造过程中引入超声波应力消除技术，防止出现激光增材制造零件的变形开裂等质量问题。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

1、本发明根据新的激光扫描路径，采用优化扫描间距，变换激光增材制造零件不同层间加工工艺参数，同时在激光增材制造过程中引入超声波应力消除技术，对高温合金零件进行激光增材制造加工，能控制激光增材制造零件内部缺陷，以保证其内部质量。

2、效率高，成本低

本发明方法主要确定2种牌号高温合金材料的基本工艺参数，提出新的激光扫描路径、应力控制方法及激光增材制造零件内部缺陷控制方法；采用本发明的激光增材制造工艺制造出的高温合金零件，可极大地提高高温合金零件的材料利用率、缩短制造周期及降低相关制造成本；解决传统锻造加工机械加工高温合金零件的加工成本高、制造工序繁多、工艺复杂，零件机械加工余量很大等问题。

3、零件内部质量好

本发明利用提出的激光增材制造零件内部缺陷控制方法，使制造出的高温合金零件的内部缺陷较少，基本解决了内部质量差、变形和开裂等问题，且经过拉伸等力学性能试验，发现其相关力学性能指标已经接近高温合金锻造件的水平。通过分析零件的内部金相组织发现，零件的内部组织呈现细小网篮状，且晶粒状态为力学性能较好的等轴晶体，使得本发明制造的高温合金零件具备了实际工业应用的水平。

4、自动化程度高，易操作

本发明采用的激光增材制造设备是以2000W光纤激光器为核心，辅以送粉装置、应力消除装置和机械手。激光增材制造设备整体自动化水平高，可全程实现计算机控制。且本发明提出的工艺方法，操作步骤简单，易于实现。

附图说明

图1为传统激光扫描路径示意图；图中（a）、（b）和（c）为三种不同扫描路径。

图2为传统加工的高温合金激光增材制造零件存在缺陷的实物照片。

图3为本发明的激光扫描路径示意图。

图4为本发明激光增材制造零件的内部质量改善的实物照片。

图5为本发明实施例1激光增材制造高温合金零件实物照片；图中（a）和（b）为不同角度的拍摄照片。

图6为本发明的激光增材制造工艺设备。

图7为本发明实施例2激光增材制造高温合金零件实物照片。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步详细描述：

实施例1：

本实施例1是采用激光增材制造工艺制造汽轮机的整体叶轮试验件，该试验件属于典型的薄壁回转件，工艺过程如下：

（1）确定高温合金基本工艺参数：采用的激光增材制造材料是：牌号43-X的铁基材料，规格为-100～+200目。优化铁基材料（牌号43-X）的基本工艺参数的工艺实验，采用正交实验法，得到了包括激光功率、扫描速度、送粉速率、扫描间距、分层厚度的各工艺参数对激光增材制造成形层形貌及尺寸的影响规律，进而确定铁基材料（牌号43-X）的具体的工艺参数范围，如表1所示。

表1

实验参数	范围
		激光功率	2400W
扫描速度	15mm/s
		送粉速率	3g/min
分层厚度	0.8mm
		扫描间距	2mm

（2）提出新的激光扫描路径，同时提出激光增材制造零件内部缺陷控制方法，该方法为采用优化扫描间距，变换不同层间加工工艺参数。

如图1所示，为传统的三种激光扫描路径示意图。激光增材制造技术有很多种激光扫描路径，其中最为常用的为：长边扫描、短边扫描、交错扫描。但通过相关工艺实验验证，发现图1中的这三种传统扫描方式都存在着这样或那样的工艺缺陷，其中最常见的工艺缺陷是激光增材制造零件边缘塌陷的现象，这严重影响了激光增材制造加工质量。

如图3所示，为本发明的激光扫描路径示意图。本发明针对高温合金零件边缘塌陷的现象，提出了一种新的激光扫描路径，这种扫描方式采用填充式的扫描方式，即奇数层时，先进行激光增材制造高温合金零件的外轮廓的扫描，再进行其内部填充；偶数层时，先进行其内部填充，再进行激光增材制造高温合金零件的外轮廓的扫描。应用该种扫描方式可以很好地解决激光增材制造零件边缘塌陷现象的问题，得到较好的内部质量。

（3）根据新的激光扫描路径，利用激光增材制造内部缺陷控制方法，对高温合金零件进行加工，能控制零件内部缺陷，以保证其质量。

如图2所示，为传统加工的高温合金激光增材制造零件存在缺陷的实物照片。高温合金激光增材制造加工过程中，零件常出现气孔、裂纹及融合不良等内部缺陷，针对这些缺陷，本发明首先分析这些缺陷产生的原因，发现制造加工过程中的温度分布不均匀及已成形层上残留粉末是影响激光增材制造零件质量的主要原因。

如图4所示，为本实施例激光增材制造高温合金零件的内部质量改善的实物照片。本发明采用优化扫描间距、利用提出新的激光扫描路径，变换不同层间的加工工艺参数等措施使激光增材制造零件的内部质量得到了很大的改善。

如图5所示，采用本实施例的制造工艺制造的汽轮机的整体叶轮实物图。采用本发明的相关技术改进措施，零件的加工质量、内部组织及相关力学性能都可达到工业应用水平。相关性能指标如表2所示。

表2性能指标表

序号	项目	指标
			1	抗拉强度（MPa）	1100
2	屈服强度（MPa）	800
			3	延伸率（%）	15%

实施例2：

本实施例是采用激光增材制造工艺制造发动机叶片的实验件，与实施例1采用相同的激光增材制造工艺设备（图6），不同之处在于：

高温合金粉末为镍基材料（牌号In625），确定的工艺参数范围如表3所示。

表3工艺参数范围

实验参数	范围
		激光功率	2200W
扫描速度	8mm/s
		送粉速率	1g/min
分层厚度	0.9mm
		扫描间距	1mm

如图7所示，采用本实施例的制造工艺制造的发动机叶片的实验件实物图。采用本实施例的相关技术改进措施，零件的加工质量、内部组织及相关力学性能都可达到工业应用水平。相关性能指标如表4所示。

表4性能指标表

序号	项目	指标
			1	抗拉强度（MPa）	1200
2	屈服强度（MPa）	1050
			3	延伸率（%）	12%

Claims

1.一种高温合金零件的激光增材制造工艺，其特征在于：该工艺是采用高功率激光束按照预先规划的扫描路径逐层熔化堆积高温合金粉末，制造出高温合金零件；所述高温合金为铁基高温合金或镍基高温合金，当高温合金为铁基高温合金时，激光增材制造工艺参数范围：激光功率为2000～2500W，扫描速度为5～15mm/s，送粉速率为0.4～3g/min，分层厚度为0.6～1.2mm，扫描间距为1～2mm；当高温合金为镍基高温合金时，激光增材制造工艺参数范围：激光功率为18000～2200W，扫描速度为5～15mm/s，送粉速率为0.8～2g/min，分层厚度为0.6～1.2mm，扫描间距为1～2mm。

2.根据权利要求1所述的高温合金零件的激光增材制造工艺，其特征在于：激光束的扫描路径采用填充式扫描方式，即奇数层时，先进行激光增材制造高温合金零件的外轮廓的扫描，再进行其内部填充；偶数层时，先进行激光增材制造高温合金零件的内部填充，再进行其外轮廓的扫描。

3.根据权利要求1所述的高温合金零件的激光增材制造工艺，其特征在于：激光增材制造工艺过程中，采用应力控制方法，即在基材部分引入超声振动，超声振动的具体参数为：工作频率40000HZ，最大输出振幅50μm，处理速度20～40m/h，额定功率1000W。

4.根据权利要求1或2所述的高温合金零件的激光增材制造工艺，其特征在于：所述高温合金零件整个制造过程由计算机控制，实现一次性近净成形。