CN113059159B - 预防定向凝固高温合金裂纹的增材制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种预防定向凝固高温合金裂纹的增材制造方法，包括冷却装置和加热装置，所述冷却装置和加热装置通过以下步骤应用在增材制造过程中：S1：增材制造：采用激光熔覆设备在基板上进行增材制造；S2：在线冷却和在线加热：冷却装置设置于热源前方并跟随热源对熔池前段实时冷却，所述加热装置设置于热源后侧并跟随热源对熔池后段实时加热。本发明加热装置跟在熔池的后方随着熔池同步移动，可以有效减缓熔池后段熔覆层的固态冷却速度，减少残余应力；冷却装置设置在熔池前段，并随着熔池同步移动，用于冷却熔池前段熔覆层的温度，使熔池固液界面的温度梯度足够大，促进定向晶的生成，提高凝固的定向性。

Description

预防定向凝固高温合金裂纹的增材制造方法
技术领域
本发明涉及增材制造技术领域，特别涉及一种预防定向凝固高温合金裂纹的增材制造方法。
背景技术
由于定向高温合金消除了叶片的横向晶界，纵向性能优异，耐高温性能更好，因此被广泛使用在进口温度更高的航空航天及燃气轮机涡轮叶片中。其相应的制备条件苛刻，必须同时满足热流垂直于晶体生长的固液界面单一方向和晶体生长的界面前的熔体中没有新的结晶核心并长大，保证正的温度梯度，进而制备成本跟高。
而增材制造手段作为一种新的制造方法，可以实现服役损伤叶片的修复，也可以作为一种定向叶片的制备手段。在实际的激光熔覆制备该定向高温合金中通常面临两个难题，其一为DZ125、MarM247、CM247LC等定向凝固高温合金在激光修复过程中由于存在较大的应力，极易开裂；其二为材料的定向性问题，特别是打印部件高度比较高的时候，热累积较大，导致外延生长性变差，无法保证定向性。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种预防定向凝固高温合金裂纹的增材制造方法，以解决增材制造的定向凝固金属零部件在修复或制造过程中的开裂和无法保证定向性问题。
本发明的预防定向凝固高温合金裂纹的增材制造方法，包括冷却装置和加热装置，所述冷却装置和加热装置通过以下步骤应用在增材制造过程中：
S1：增材制造：采用激光熔覆设备在基板上进行增材制造；
S2：在线冷却和在线加热：冷却装置设置于热源前方并跟随热源对熔池前段实时冷却，所述加热装置设置于热源后侧并跟随热源对熔池后段实时加热，以使得熔池的固液界面有足够的温度梯度。
进一步，所述冷却装置包括可通入液氮的铝箔，所述铝箔贴于热源前段的熔覆层上。
进一步，所述加热装置包括两个加热线圈，两个加热线圈位于熔池后段熔覆层的两侧。
进一步，步骤S1中，基板与增材制造原料材料相同。
进一步，还包括设置于激光熔覆设备上用于对热源后侧熔覆层进行温度检测的温度检测装置。
进一步，所述冷却装置、加热装置以及温度检测装置以可转动的方式安装于激光熔覆设备上。
进一步，步骤S1中，在增材制造前，用丙酮和酒精清洗基板。
进一步，所述冷却装置和加热装置还以高度可调的方式安装于送粉装置上。
本发明的有益效果：
本发明加热装置跟在熔池的后方随着熔池同步移动，可以有效减缓熔池后段熔覆层的固态冷却速度，减少残余应力；冷却装置设置在熔池前段，并随着熔池同步移动，用于冷却熔池前段熔覆层的温度，使熔池固液界面的温度梯度足够大，促进定向晶的生成，提高凝固的定向性，可解决随着打印高度变高热累积较大导致的定向晶粗大问题；而且该方式实现了跟随打印的实时冷却和加热，不影响打印效率，且简化工件后期热处理工艺。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述。
图1为本发明结构示意图；
具体实施方式
如图所示，本实施例中的预防定向凝固高温合金裂纹的增材制造方法，包括冷却装置1和加热装置2，所述冷却装置和加热装置通过以下步骤应用在增材制造过程中：
S1：增材制造：采用激光熔覆设备3在基板4上进行增材制造；在激光修复过程中，待修复的零部件作为基板；
S2：在线冷却和在线加热：冷却装置设置于热源前方并跟随热源对熔池前段实时冷却，所述加热装置设置于热源后侧并跟随热源对熔池后段实时加热，以使得熔池的固液界面有足够的温度梯度。
热源为增材制造设备烧结原料的位置也为熔池的位置；激光熔覆是通过在基材表面添加熔覆材料，并利用高能密度的激光束使之与基材表面薄层一起熔凝的方法，在基层表面形成冶金结合的添料熔覆层，激光熔覆设备用于增材制造时，通过喷涂粉末材料并实时烧结的方式，逐层实现烧结；激光熔覆设备为现有设备，具体不在赘述；冷却装置和加热装置可设置于激光熔覆设备的送粉器上，可以实现打印过程中的同步移动，具体不在赘述；加热装置的加热温度为1100℃，该装置跟在熔池的后方随着熔池同步移动，可以有效减缓熔池后段熔覆层的固态冷却速度，减少残余应力；冷却装置设置在熔池前段，并随着熔池同步移动，用于冷却熔池前段熔覆层的温度，使熔池固液界面的温度梯度足够大，促进定向晶的生成，提高凝固的定向性，可解决随着打印高度变高热累积较大导致的定向晶粗大问题；而且该方式实现了跟随打印的实时冷却和加热，不影响打印效率，且简化工件后期热处理工艺；
本实施例中，所述冷却装置包括可通入液氮的铝箔1a，所述铝箔贴于热源前段的熔覆层上。铝箔可折叠形成中空的腔室，或者铝箔可适当增加厚度并开设相应的腔室，结合图1所示，冷却装置还包括装有液氮的容器罐1b，其中容器罐的出口通过管道与铝箔内腔连通，容器罐的出口处设置有阀门调节液氮的流量，铝箔用卡扣安装在熔池前段的送粉器上，这样可以保证打印过程中冷却装置与熔池的同步移动性，保证冷却装置一直位于熔池的前段，该结构的冷却装置其冷却效果甚佳，利用该装置可以使熔池固液界面的温度梯度足够大，促进定向晶的生成。
本实施例中，所述加热装置包括两个加热线圈，两个加热线圈位于熔池后段熔覆层的两侧。加热装置安装在熔池后段的送粉器上，实现与熔池的同步移动，加热线圈为感应线圈，线圈呈椭圆形结构，紧跟在熔池后段的试样两侧，可防止加热线圈与未凝结的熔覆层接触，其中加热线圈采用电加热，可根据所需调节加热温度；
本实施例中，步骤S1中，基板与增材制造原料材料相同。增材制造过程中熔覆层冷却后与基板粘连为一体，使得成型的零部件固定在基板上，提高零部件成型过程中的稳定性，在烧结完成后，将成型零件从基板上切下。
本实施例中，还包括设置于激光熔覆设备上用于对热源后侧熔覆层进行温度检测的温度检测装置5。温度检测装置优选红外测温装置，其中温度检测装置包括红外测温装置5a以及温度显示仪5b，其中红外测温装置5a用于检测热源后侧熔覆层的温度，红外测温装置5a将检测的温度数据传递至温度显示仪5b，并通过温度显示仪5b的计算实时控制加热线圈的加热温度，温度显示仪5b上具有控制面板，用于手动控制加热线圈的温度，灵活设定加热温度，便于控制感应加热装置的加热温度；红外测温装置测试的是紧跟熔池后端的感应加热区域温度。
本实施例中，所述冷却装置、加热装置以及温度检测装置以可转动的方式安装于激光熔覆设备上。结合图1所示，激光熔覆设备具有两个送粉器3a，两个送粉器位于激光器3b的两侧，送粉器喷嘴喷射方向以及激光器的激光方向交于一点，其交点位于最上方熔覆层处；送粉装置可围绕激光器转动，冷却装置安装于其中一个送粉器上，加热装置和温度检测装置安装于另一个送粉器上，此时转动送粉器互换两个送粉器的位置即可调节冷却装置、加热装置和温度检测装置的位置，每烧结完一层后，调节两个送粉器的位置，如此往复直至打印结束；
本实施例中，步骤S1中，在增材制造前，用丙酮和酒精清洗基板。通过对基板的清洗利于烧结层与基板的粘接，提高整个成型零件的稳定性，防止零件在成型过程中错位，便于送粉器和激光器的空间定位。
本实施例中，所述冷却装置和加热装置还以高度可调的方式安装于送粉装置上。冷却装置和加热装置可通过电动伸缩杆调节高度，通过该结构可调节冷却装置以及加热装置的位置，便于调节温度阶梯。
在增材制造过程总，首先将成分与增材制造原料相同的定向平整基板用丙酮和酒精进行清洗，并校准加热装置和冷却装置高度和温度；然后采用激光熔覆设备进行增材制造，激光熔覆设备激光束斑尺寸尽可能地小，束斑尺寸1-2mm左右，激光功率在1000w-1800w左右；在打印的过程中加热装置一直随着熔覆头的移动而移动，以使得加热装置随熔池移动，并利用测温装置实时反馈和调节温度，对于高温合金温度设定在800-1050℃左右，并根据材料不同来调节温度；冷却装置随着打印的进行同步冷却熔池前段的温度，保证在打印过程中熔池前段保持一个较低的温度，特别是保证打印高度较高的部件时熔池前段的温度较低，一般在打印部件高度在20mm以下，液氮的流速较小，当打印部件高度超过50mm 后，适当的开大液氮的流速，当然实际的冷却速度根据打印结构件的大小及材料的导热都有关系，需依据实际情况来进行调节；依次重复上述打印步骤完成零部件的增材制造，制造完成后将成型的零部件从基板上切下进行检测、表面处理、热处理等工序。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (8)

1.一种预防定向凝固高温合金裂纹的增材制造方法，其特征在于：包括冷却装置和加热装置，所述冷却装置和加热装置通过以下步骤应用在增材制造过程中：
S1：增材制造：采用激光熔覆设备在基板上进行增材制造；
S2：在线冷却和在线加热：冷却装置设置于热源前方并跟随热源对熔池前段实时冷却，所述加热装置设置于热源后侧并跟随热源对熔池后段实时加热，以使得熔池的固液界面有足够的温度梯度。
2.根据权利要求1所述的预防定向凝固高温合金裂纹的增材制造方法，其特征在于：所述冷却装置包括可通入液氮的铝箔，所述铝箔贴于热源前段的熔覆层上。
3.根据权利要求2所述的预防定向凝固高温合金裂纹的增材制造方法，其特征在于：所述加热装置包括两个加热线圈，两个加热线圈位于熔池后段熔覆层的两侧。
4.根据权利要求1所述的预防定向凝固高温合金裂纹的增材制造方法，其特征在于：步骤S1中，基板与增材制造原料材料相同。
5.根据权利要求3所述的预防定向凝固高温合金裂纹的增材制造方法，其特征在于：还包括设置于激光熔覆设备上用于对热源后侧熔覆层进行温度检测的温度检测装置。
6.根据权利要求5所述的预防定向凝固高温合金裂纹的增材制造方法，其特征在于：所述冷却装置、加热装置以及温度检测装置以可转动的方式安装于激光熔覆设备上。
7.根据权利要求4所述的预防定向凝固高温合金裂纹的增材制造方法，其特征在于：步骤S1中，在增材制造前，用丙酮和酒精清洗基板。
8.根据权利要求6所述的预防定向凝固高温合金裂纹的增材制造方法，其特征在于：所述冷却装置和加热装置还以高度可调的方式安装于送粉装置上。
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Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113579249A (zh) * 2021-07-29 2021-11-02 浙江工业大学 激光增材制造镍基合金过程中抑制Laves相析出的方法
CN115041710A (zh) * 2022-07-20 2022-09-13 烟台哈尔滨工程大学研究院 一种多能束增材制造的三维温度场控制装置
CN116219434B (zh) * 2023-05-04 2023-07-07 成都裕鸢航空智能制造股份有限公司 一种航空发动机涡轮导向叶片修复装置及修复方法

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104959604A (zh) * 2015-07-23 2015-10-07 华中科技大学 一种成形区域温度梯度可控的高能束选区熔化方法与设备
CN105689710A (zh) * 2016-02-01 2016-06-22 西北工业大学 一种高能束金属增材制造的微观组织调控方法
CN106552939A (zh) * 2015-08-20 2017-04-05 通用电气公司 用于单晶超级合金和金属的直写的设备和方法

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20050028897A1 (en) * 2001-10-09 2005-02-10 Wilfried Kurz Process for avoiding cracking in welding
GB0420578D0 (en) * 2004-09-16 2004-10-20 Rolls Royce Plc Forming structures by laser deposition
CN102162096B (zh) * 2011-01-19 2012-07-25 西安交通大学 液氩喷射冷却定向凝固的激光金属直接成形方法
DE102016113246A1 (de) * 2016-07-19 2018-01-25 GEFERTEC GmbH Verfahren und Vorrichtung zur Erzeugung eines metallischen Werkstoffgemischs bei der additiven Fertigung
DE102018209037A1 (de) * 2018-06-07 2019-12-12 Siemens Aktiengesellschaft Verfahren und Vorrichtung zur additiven Herstellung eines Bauteils

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104959604A (zh) * 2015-07-23 2015-10-07 华中科技大学 一种成形区域温度梯度可控的高能束选区熔化方法与设备
CN106552939A (zh) * 2015-08-20 2017-04-05 通用电气公司 用于单晶超级合金和金属的直写的设备和方法
CN105689710A (zh) * 2016-02-01 2016-06-22 西北工业大学 一种高能束金属增材制造的微观组织调控方法

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