CN115142060B

CN115142060B - 一种适用于凝固动力学研究的合金样品高通量制备方法

Info

Publication number: CN115142060B
Application number: CN202210625691.9A
Authority: CN
Inventors: 梁耀健; 朱逸超; 王本鹏; 薛云飞
Original assignee: Beijing Institute of Technology BIT
Current assignee: Beijing Institute of Technology BIT
Priority date: 2022-06-02
Filing date: 2022-06-02
Publication date: 2023-08-25
Anticipated expiration: 2042-06-02
Also published as: CN115142060A

Abstract

本发明涉及一种适用于凝固动力学研究的合金样品高通量制备方法，属于合金材料高通量制备技术领域。利用同轴送粉技术输送两种及以上金属粉，并在3D打印过程中沿沉积方向改变输送比例，在基底上形成合金成分沿沉积方向改变的宽成分块状合金样品；沿成分变化方向将块状合金样品切割成多个片状合金样品，使激光束在片状合金样品表面沿成分变化方向移动进行激光重熔，每一个片状合金样品上完成两道次及以上重熔，且不同道次重熔使用不同的激光重熔工艺参数，从而引入不同的凝固条件；垂直于成分变化方向，将完成多道次重熔的片状合金切割成多个长条状样品，即实现用于凝固动力学研究的合金样品的高通量制备。

Description

一种适用于凝固动力学研究的合金样品高通量制备方法

技术领域

本发明涉及一种适用于凝固动力学研究的合金样品高通量制备方法，属于合金材料高通量制备技术领域。

背景技术

在金属材料中，合金凝固组织会对合金性能起到很大的影响，尤其是在大型样品中，由于后处理的难度不断增加，凝固组织往往会影响最终处理后的组织，因此在合金制备中控制凝固组织是十分有必要的。

影响合金凝固组织形成的因素有很多，其中以成分和凝固条件最为关键，成分和凝固条件的改变都会显著的影响合金的凝固组织。例如，对于共晶合金材料，其成分的变化会使合金从亚共晶到完全共晶再到过共晶转变，而在相同成分下，凝固条件的改变会使合金发生亚共晶到完全共晶的转变，因此共晶合金体系是一种高成分敏感、高凝固条件敏感的材料。

传统方法中，为了实现不同成分、不同凝固条件共晶系合金的凝固组织样品制备，需要一次制备大量不同成分的合金样品，并在每种成分下引入不同的凝固条件，这种制备方法需要大量的人力时间和制备成本。因此，为了实现一类合金体系凝固动力学的研究，亟需一种方法能快速制备多成分/多凝固条件的样品，从而完成该体系成分-凝固条件-组织关系的构建。

发明内容

针对目前合金凝固动力学研究中对多成分/多凝固条件样品快速制备的需求，本发明提供一种适用于凝固动力学研究的合金样品高通量制备方法，利用激光增材制造技术(3D打印技术)逐层成形以及宽成形的特点，结合同轴送粉中多种粉体输入比例实时可控的特点，在获得合金成分沿沉积方向发生改变的大尺寸宽成分块状合金样品的基础上，再通过在合金样品不同位置处沿成分变化方向上引入不同工艺条件的激光重熔，来实现不同凝固条件的输入，从而能够快速制备具有多成分、多凝固条件的合金样品，为一系列合金研究其凝固组织形成条件提供基础。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的。

一种适用于凝固动力学研究的合金样品高通量制备方法，具体包括以下步骤：

(1)以两种及以上金属粉作为制备合金样品的原料，利用同轴送粉技术输送多种金属粉，并在3D打印过程中按照合金样品中成分变化的需求沿沉积方向改变多种金属粉的输送比例，在基底上形成合金成分沿沉积方向改变的宽成分块状合金样品；

(2)从基底上取下块状合金样品，并沿成分变化方向将块状合金样品切割成多个片状合金样品；

(3)使激光束在片状合金样品表面沿成分变化方向移动，实现对同一个片状合金样品不同成分位置的激光重熔，其中，激光束由片状合金样品一端移动至另一端完成对片状合金样品中所有不同成分的激光重熔即完成一道次重熔，且每完成一道次重熔后，改变激光重熔的工艺参数，在同一个片状合金样品的不同位置沿成分变化方向进行下一道次重熔或者在另一个片状合金样品上沿成分变化方向进行下一道次重熔，利用激光熔池高度方向上的凝固速度和温度梯度的不同，从而在一个激光熔池的同一成分处沿熔池高度方向引入不同的凝固条件，进而通过多个片状合金样品上多个道次重熔的激光重熔工艺改变实现了多凝固条件的引入；

(4)垂直于成分变化方向，将完成多道次重熔的片状合金样品切割成多个长条状样品，不同的长条状样品具有不同的成分，且同一个长条状样品的不同位置由于激光重熔工艺参数的不同而具有不同的凝固组织，即实现用于凝固动力学研究的合金样品的高通量制备。

步骤(1)中，多种金属粉可以是多种单质粉，也可以是多种合金粉，也可以是单质粉和合金粉组成的多种金属粉。优选地，金属粉选用粒径为0.04～0.20mm的球形粉体。

步骤(1)的3D打印过程中，激光光斑直径优选2～6mm，激光功率优选1200～1800W，激光扫描速度优选10～30mm/min，每层沉积厚度优选0.4～0.8mm，层间固定间距优选1.5～3.0mm(或者层间搭接率为50％～80％)。

进一步地，每沉积3～8层，改变一次多种金属粉的输送比例。

步骤(3)的重熔过程中，激光束的激光功率优选400～2000W，激光束的移动速度优选1～50mm/s。相应地，片状合金样品的厚度更优选为激光重熔过程中激光光斑直径的1.5～2.5倍，同一个片状合金样品中相邻两道次重熔的熔池中心间距更优选为激光重熔过程中激光光斑直径的2～3倍。

步骤(4)中，沿着片状合金样品中不同成分之间的沉积界面将其切割成多个长条状样品，则长条状样品的数量与片状合金样品中成分梯度变化的数量相同，且每个长条状样品的厚度与对应成分的沉积厚度相同。

对于Al_0.8+xCo₁Cr₁Fe₁Ni_1.8+x体系材料(0≤x≤0.5)，优选选用Al_0.8Co₁Cr₁Fe₁Ni_1.8合金粉和Al_1.3Co₁Cr₁Fe₁Ni_2.3合金粉作为原料。更优选地，每沉积3～5层改变一次两种合金粉的输送比例，且按照Al元素原子百分含量0.3～0.7at％以及Ni元素原子百分含量0.15～0.35at％递增或递减的比例改变两种合金粉的输送比例，同时实现Al的原子百分含量在14.29at％～19.70at.％范围内的梯度变化以及Ni元素原子百分含量在32.14at％～34.85at.％范围内的梯度变化。

有益效果：

(1)本发明所述高通量制备方法利用3D打印技术逐层成形以及宽成形的特点，结合同轴送粉中多种粉体输入比例实时可控的特点，可以在不同的沉积层使用不同比例的粉体，实现样品合金成分沿沉积方向发生改变，则在成功制备具有宽成分空间的大尺寸合金样品的基础上，再通过在合金样品不同位置处沿成分变化方向上引入不同工艺条件的激光重熔，来实现不同凝固条件的输入，从而能够快速制备具有多成分、多凝固条件的合金样品，完成合金成分-凝固条件-凝固组织的快速建立，加速合金成分及工艺条件的优化，减少合金研发的人力物力成本。

(2)合金样品外形成形良好是分层成分可控和进行后续激光重熔处理的前提，所以通过对3D打印工艺参数进行优化，以获得合金样品良好外形成形的工艺窗口。

(3)本发明所述高通量制备方法中，可以根据样品制备需求要求，优化各个成分沉积层的厚度，满足引入不同凝固动力学条件的要求，操作简单，适用性强。

(4)本发明所述高通量制备方法中，选择对合金凝固组织影响较大的激光重熔工艺参数作为变量进行研究，完成合金材料基于宽成分空间下不同激光重熔工艺条件下的凝固动力学研究。另外，在激光重熔过程中，激光扫描速度决定了熔池中凝固速度的上限范围，而改变激光功率是保证能不同激光扫描速度下能熔化样品的前提，因此需要一个大范围且可控的激光重熔工艺是能获得具有多凝固条件样品的前提。

(5)从3D技术制备的大尺寸块状合金样品上切割的片状合金样品，若厚度过小会导致激光熔穿片状合金样品从而无法获得正常的激光熔池，若厚度过大会导致材料浪费，所以设置片状合金样品的厚度为1.5～2.5倍激光光斑直径。另外，同一个片状合金样品上相邻两道次重熔间距过小会导致两个熔池重合在一起从而无法获得正常熔池，间距过大会导致材料浪费，所以设置相邻两个熔池中心间距为2～3倍激光光斑直径。

(6)对于Al_0.8+xCo₁Cr₁Fe₁Ni_1.8+x材料体系，由于Al和Ni含量以及激光重熔工艺参数引起的凝固条件变化对于凝固组织影响较大，通过优化3D打印工艺参数以及后续激光重熔工艺的参数，快速建立合金成分-凝固条件-凝固组织，实现对该合金材料基于宽成分空间下不同激光重熔工艺参数的凝固动力学研究。

附图说明

图1为实施例1步骤(1)中获得的宽成分块状合金样品的实物照片图及NiAl含量在块状合金样品中的梯度变化曲线图。

图2为单道激光重熔的过程示意图。

图3为实施例1步骤(3)在不同片状合金样品上完成三道次重熔后的宏观形貌图。

图4为实施例1制备的不同凝固条件/不同成分片状合金样品的取样示意图。

图5为实施例1制备的Al_0.8+xCo₁Cr₁Fe₁Ni_1.8+x体系材料在不同凝固条件/不同成分下的典型组织形貌图。

图6为实施例1获得的Al_0.8+xCo₁Cr₁Fe₁Ni_1.8+x体系材料的凝固组织形成图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明作进一步阐述，其中，所述方法如无特别说明均为常规方法，所述原材料如无特别说明均能从公开商业途径获得。

实施例1

以Al_0.8+xCo₁Cr₁Fe₁Ni_1.8+x体系材料(0≤x≤0.5)为例，用于凝固动力学研究的合金样品高通量制备方法的具体步骤如下：

(1)采用两种高球形度且粒径范围均为0.04～0.20mm的Al_0.8Co₁Cr₁Fe₁Ni_1.8合金粉和Al_1.3Co₁Cr₁Fe₁Ni_2.3合金粉作为制备合金样品的原料，利用同轴送粉技术输送两种合金粉，并在3D打印过程中沿沉积方向按照10:0、9:1、8:2、7:3、6:4、5:5、4:6、3:7、2:8:、1:9、0:10的顺序改变两种合金粉的输送比例，在基底上形成合金成分沿沉积方向由Al_0.8Co₁Cr₁Fe₁Ni_1.8到Al_1.3Co₁Cr₁Fe₁Ni_2.3改变的宽成分块状合金样品，如图1所示；

其中，3D打印的工艺参数如下：激光光斑直径为3mm，激光功率为1200W，激光扫描速度为720mm/min，每层沉积厚度为0.5mm，固定间距为3mm，每沉积4层改变一次两种合金粉的输送比例；

(2)采用电火花切割技术从基底上取下块状合金样品，并通过电火花线切割将合金样品表面的3D打印的痕迹切除，然后沿成分变化方向将块状合金样品切割成四个长×宽×厚＝30×25×6mm的片状合金样品，再使用240#号砂纸去除片状合金样品表面的线切割痕迹并磨光，之后放入装满酒精的烧杯中并用超声波清洗30min，再吹干，得到预处理的片状合金样品；

(3)使激光束在预处理的片状合金样品表面沿成分变化方向移动，激光束由片状合金样品一端移动至另一端完成对片状合金样品中所有不同成分的激光重熔，即完成一道次重熔，如图2所示；其中，每完成一道次重熔后，改变激光重熔的工艺参数，在同一个片状合金样品的不同位置沿成分变化方向进行下一道次重熔，或者在另一个片状合金样品上沿成分变化方向进行下一道次重熔，相应地，在每一个片状合金样品中实现三道次重熔，相邻两道次重熔的熔池中心间距为8mm，从而通过多个片状合金样品上多道次重熔的不同激光重熔工艺参数，实现了不同凝固条件的引入，如图3所示；

四个片状合金样品上十二道次重熔的具体工艺参数如下：第一道次重熔的激光功率为400W以及移动速度为2mm/s，第二道次重熔的激光功率为400W以及移动速度为5mm/s，第三道次重熔的激光功率为600W以及移动速度为5mm/s，第四道次重熔的激光功率为600W以及移动速度为10mm/s，第五道次重熔的激光功率为800W以及移动速度为10mm/s，第六道次重熔的激光功率为800W以及移动速度为20mm/s，第七道次重熔的激光功率为1000W以及移动速度为20mm/s，第八道次重熔的激光功率为1000W以及移动速度为40mm/s，第九道次重熔的激光功率为2000W以及移动速度为10mm/s，第十道次重熔的激光功率为2000W以及移动速度为20mm/s，第十一道次重熔的激光功率为2000W以及移动速度为40mm/s，第十二道次重熔的激光功率为2000W以及移动速度为50mm/s，其中同一个片状合金样品中相邻两道次重熔的间隔距离为5mm；

(4)如图4所示，垂直于成分变化方向，将完成多道次重熔的片状合金样品按照2mm(即每种成分沉积的厚度)的间距切割成多个长条状样品，不同的长条状样品具有不同的成分，且同一个长条状样品的不同位置由于激光重熔工艺参数的不同而具有不同的凝固组织，即实现用于凝固动力学研究的合金样品的高通量制备。

对所制备的合金样品进行组织形貌表征时，将合金样品通过砂纸打磨和金刚石抛光液抛光制成金相样品，通过光学显微镜(OM)和扫描电子显微镜(SEM)观察组织形貌，通过SEM设备配备的X射线能谱分析仪(XDS)分析重熔样品的熔池中各个组织的成实际分，完成含不同凝固动力学条件的宽成分空间样品的成分-凝固条件-凝固组织组织一体化表征。

步骤(1)所制备的宽成分块状合金样品，沿其高度方向每间隔1mm位置进行合金成分测试发现，该块状合金样品中确实存在NiAl相含量梯度变化，其NiAl相含量的原子百分比从28％逐渐增加到40％左右，即证明所制备的块状合金成分从Al_0.8Co₁Cr₁Fe₁Ni_1.8变化成Al_1.3Co₁Cr₁Fe₁Ni_2.3。

对步骤(4)所获得的每一个样品进行组织形貌观察和成分测试，从而快速获得不同成分/不同凝固条件下的合金凝固组织，选取了样品中典型的凝固组织举例，如图5所示。在激光重熔样品中，自熔池底部到顶部温度梯度(G)逐渐减小，凝固速度V逐渐增大，因此在每一个熔池中存在不同的凝固条件。如图5所示，NiAl含量为28.9％(at.)时，熔池底部为γ平面晶，中间为共晶，顶部为γ枝晶；NiAl含量为29.6％(at.)时，熔池底部为γ平面晶，中间为共晶，顶部为γ枝晶+共晶；NiAl含量为31.5％(at.)时，熔池底部为γ平面晶，中间为平面共晶，顶部为胞状共晶；NiAl含量为32％(at.)时，熔池底部为β枝晶，中间为平面共晶，顶部为胞状共晶；NiAl含量为34.7％(at.)时，熔池底部为β枝晶，中间为共晶，顶部为β枝晶+共晶；NiAl含量为37.6％(at.)时，熔池底部为β枝晶，中间为共晶，顶部为β枝晶。通过对各个凝固组织存在区域的凝固条件进行计算，得到各个特征组织的温度梯度和凝固速度，获得这一系列合金体系的凝固组织形成图，如图6所示。因此，基于本发明所述高通量制备方法，完成了Al_0.8+xCo₁Cr₁Fe₁Ni_1.8+x合金体系中合金成分-凝固条件-凝固组织的快速建立，对该合金材料基于宽成分空间下不同激光重熔工艺参数的凝固动力学研究提供了基础。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种适用于凝固动力学研究的合金样品高通量制备方法，其特征在于：具体包括以下步骤：

（1）利用同轴送粉技术输送两种及以上用于制备合金样品的金属粉，并在3D打印过程中沿沉积方向每沉积3~8层，递增或递减改变一次多种金属粉的输送比例，在基底上形成合金成分沿沉积方向改变的宽成分块状合金样品；

（2）从基底上取下块状合金样品，并沿成分变化方向将块状合金样品切割成多个片状合金样品；

（3）使激光束在片状合金样品表面沿成分变化方向移动，激光束由片状合金样品一端移动至另一端完成对片状合金样品中所有不同成分的激光重熔即完成一道次重熔，且每完成一道次重熔后，改变激光重熔的工艺参数，在同一个片状合金样品的不同位置沿成分变化方向进行下一道次重熔或者在另一个片状合金样品上沿成分变化方向进行下一道次重熔；

步骤（3）的重熔过程中，激光束的激光功率为400~2000 W，激光束的移动速度为1~50mm/s；

片状合金样品的厚度为激光重熔过程中激光光斑直径的1.5~2.5倍，同一个片状合金样品中相邻两道次重熔的熔池中心间距为激光重熔过程中激光光斑直径的2~3倍；

（4）垂直于成分变化方向，将完成多道次重熔的片状合金样品切割成多个长条状样品，即实现用于凝固动力学研究的合金样品的高通量制备。

2. 根据权利要求1所述的一种适用于凝固动力学研究的合金样品高通量制备方法，其特征在于：步骤（1）中，金属粉选用粒径为0.04~0.20 mm的球形粉体。

3. 根据权利要求1所述的一种适用于凝固动力学研究的合金样品高通量制备方法，其特征在于：步骤（1）的3D打印过程中，激光光斑直径为2~6 mm，激光功率为1200~1800 W，激光扫描速度为10~30 mm/min，每层沉积厚度为0.4~0.8 mm，层间固定间距为1.5~3.0 mm。

4.根据权利要求1至3任一项所述的一种适用于凝固动力学研究的合金样品高通量制备方法，其特征在于：步骤（4）中，沿着片状合金样品中不同成分之间的沉积界面将其切割成多个长条状样品。

5.根据权利要求1至3任一项所述的一种适用于凝固动力学研究的合金样品高通量制备方法，其特征在于：对于Al_0.8+xCo₁Cr₁Fe₁Ni_1.8+x体系材料，0≤x≤0.5，选用Al_0.8Co₁Cr₁Fe₁Ni_1.8合金粉和Al_1.3Co₁Cr₁Fe₁Ni_2.3合金粉作为原料。

6. 根据权利要求5所述的一种适用于凝固动力学研究的合金样品高通量制备方法，其特征在于：每沉积3~5层改变一次两种合金粉的输送比例，且按照Al元素原子百分含量0.3~0.7 at%以及Ni元素原子百分含量0.15~0.35 at%递增或递减的比例改变两种合金粉的输送比例。