CN115673338A - 一种镍基合金的利用双激光实现组织性能定制的粉床熔融成形方法及镍基合金件 - Google Patents
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Abstract
为克服现有镍基合金的激光增材制造方法难以实现材料性能订制的问题，本发明提供了一种粉床熔融成形方法，包括以下操作步骤：打印第一镍基合金层：得到第一镍基合金粉末床层，采用第一激光对第一镍基合金粉末床层进行扫描；打印第二镍基合金层：得到第二镍基合金粉末床层，采用第二激光对第二镍基合金粉末床层进行扫描，所述第二激光的光斑直径大于所述第一激光的光斑直径；循环交替“打印第一镍基合金层”操作和“打印第二镍基合金层”操作。本发明还公开了上述粉床熔融成形方法制备得到的镍基合金件。本发明采用不同直径的激光器打印交替堆叠打印具有交替组织的样品，达到了订制高温合金激光粉床熔融组织和性能的目的。
Description
技术领域
本发明属于激光增材制造技术领域，具体涉及一种镍基合金的利用双激光实现组织性能定制的粉床熔融成形方法及镍基合金件。
背景技术
增材制造(AM)技术，也称为“3D打印”，已经吸引了越来越多的工业界和研究界的关注，其中生产对象是以逐层方式生成的。在将3D模型连续切片为具有特定厚度的二维(2D)剖面层序列之前，先由计算机辅助设计(CAD) 软件或三维(3D)扫描准备3D模型。每一层代表零件的一个横截面，然后将这些二维层作为源文件发送到3D打印机，来控制整个制造过程。机器执行一个特定的过程来成形每一层，然后从底部到顶部堆叠，直到完成整个零件的生成。选区激光熔化(Selective Laser Melting,SLM)技术是粉末熔化技术的一种，是增材制造中应用最广泛的一种技术之一，是金属材料增材制造中的一种主要技术途径。该技术选用激光作为能量源，按照三维CAD切片模型中规划好的路径在金属粉末床层进行逐层扫描，扫描过的金属粉末通过熔化、凝固从而达到冶金结合的效果，最终获得模型所设计的金属零件。
航空航天领域对机械性能优良、具有良好的抗氧化和耐腐蚀性能以及在高温下具有较好的稳定性的材料有着长期的需求。当需要在静态、疲劳和蠕变条件下加载性能时，镍基高温合金已成为高温应用的首选材料。镍基高温合金的工作温度通常超过800℃，如涡轮盘和叶片。
现有通过激光增材制造的方式得到的镍基合金是组织均一的材料，不同加工方式得到的镍基合金之间的材料性能差异较大，难以实现镍基合金材料特定性能的订制。
发明内容
针对现有镍基合金的激光增材制造方法难以实现材料性能订制的问题，本发明提供了一种镍基合金的利用双激光实现组织性能定制的粉床熔融成形方法及镍基合金件。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案如下：
一方面，本发明提供了一种镍基合金的利用双激光实现组织性能定制的粉床熔融成形方法，包括以下操作步骤：
将三维模型导入3D打印机中进行处理；
打印第一镍基合金层：进行镍基合金粉末的第一道铺设，得到第一镍基合金粉末床层，采用第一激光对第一镍基合金粉末床层进行扫描，得到第一镍基合金层，重复操作n次，得到n层第一镍基合金层；
打印第二镍基合金层：进行镍基合金粉末的第二道铺设，得到第二镍基合金粉末床层，采用第二激光对第二镍基合金粉末床层进行扫描，得到第二镍基合金层，所述第二激光的光斑直径大于所述第一激光的光斑直径，重复操作m 次，得到m层第二镍基合金层；
循环交替“打印第一镍基合金层”操作和“打印第二镍基合金层”操作，得到沿激光打印方向n层第一镍基合金层和m层第二镍基合金层交替的镍基合金件。
可选的，所述第一激光的光斑直径为30～100μm，所述第二激光的光斑直径为300～700μm。
可选的，每一层所述第一镍基合金层的厚度为10～100μm，每一层所述第二镍基合金层的厚度为10～100μm。
可选的，n选自1～500的整数，m选自1～500的整数。
可选的，所述镍基合金粉末的平均粒径为10～105μm。
可选的，所述镍基合金粉末包括以下重量百分比组分：
Cr的含量为15～22％，Co的含量为0～2％，Mo的含量为2.5～3.5％，Fe的含量为15～25％，Al的含量为0.2～0.8％，Ti的含量为0.6～1.2％，Nb的含量为 4.5～6％，Mg的含量为0～0.05％，B的含量为0～0.01％，Si的含量为0～0.4％， Mn的含量为0～0.4％，P的含量为0～0.02％，S的含量为0～0.02％，C的含量为 0.01～0.08％，Cu的含量为0～0.5％，O的含量为0～0.05％，N的含量为0～0.05％，余量为Ni。
可选的，所述第一激光的激光功率为100～700W，扫描速度100～10000mm/s；所述第二激光的激光功率为500～1000W，扫描速度为100～10000mm/s。
可选的，“打印第一镍基合金层”操作和“打印第二镍基合金层”操作在保护性气氛下进行。
另一方面，本发明提供了一种镍基合金件，采用如上所述的粉床熔融成形方法制备得到。
可选的，所述镍基合金件的屈服强度为400～1100MPa，抗拉强度为 500～1300MPa。
在镍基合金件成形过程中，激光的光斑直径对成形制件的组织及其力学性能有较大的影响，较小直径的激光器生成较细的晶粒组织，对制件的强度有提升，但是对制件的韧性影响不大；较小直径的激光器能生成晶粒较为粗大的组织结构，能改善制件的韧性。本发明提供的粉床熔融成形方法采用不同直径的激光器打印交替堆叠打印具有交替组织的样品，相比于单独利用大直径激光或单独采用小直径激光的打印制件，交替打印的制件的力学性能包括抗拉强度和屈服强度均介于二者之间，从而达到了订制高温合金激光粉床熔融组织和性能的目的，在一些应用条件下，可以兼顾对于材料的抗拉强度和屈服强度的要求，满足特定应用条件。
附图说明
图1是本发明实施例1、对比例1和对比例2提供的打印件的光镜组织图；
图2是本发明实施例2、对比例1和对比例2提供的打印件的电子背散射组织图；
图3是本发明采用的镍基合金粉末的扫描电子显微镜形貌图。
具体实施方式
为了使本发明所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
在本发明中，增材制造工艺包括沉积镍基合金粉末的连续层，然后通过激光选择性地熔化和/或烧结镍基合金粉末以逐层形成镍基合金产品。
本发明一实施例提供了一种镍基合金的利用双激光实现组织性能定制的粉床熔融成形方法，包括以下操作步骤：
将三维模型导入3D打印机中进行处理；
打印第一镍基合金层：进行镍基合金粉末的第一道铺设，得到第一镍基合金粉末床层，采用第一激光对第一镍基合金粉末床层进行扫描，得到第一镍基合金层，重复操作n次，得到n层第一镍基合金层；
打印第二镍基合金层：进行镍基合金粉末的第二道铺设，得到第二镍基合金粉末床层，采用第二激光对第二镍基合金粉末床层进行扫描，得到第二镍基合金层，所述第二激光的光斑直径大于所述第一激光的光斑直径，重复操作m 次，得到m层第二镍基合金层；
循环交替“打印第一镍基合金层”操作和“打印第二镍基合金层”操作，得到沿激光打印方向n层第一镍基合金层和m层第二镍基合金层交替的镍基合金件。
在镍基合金件成形过程中，激光的光斑直径对成形制件的组织及其力学性能有较大的影响，较小直径的激光器生成较细的晶粒组织，对制件的强度有提升；较大直径的激光器能生成晶粒较为粗大的组织结构，对制件的强度有降低作用。本发明提供的双激光粉床熔融成形方法采用不同直径的激光器打印交替堆叠打印具有交替组织的样品，相比于单独利用大直径激光或单独采用小直径激光的打印制件，交替打印的制件的力学性能包括抗拉强度和屈服强度率均介于二者之间，从而达到了订制高温合金激光粉床熔融组织和性能的目的。
例如，在一些特定条件下，单独利用大直径激光和小直径激光分别进行激光增材制造得到制件的力学性能不能满足应用环境的性能要求，表现为：单独采用小直径激光制备得到的制件的屈服强度和抗拉强度过大；单独采用大直径激光制备得到的制件的屈服强度和抗拉强度不足；此时可采用本发明提供的双激光粉床熔融成形方法进行交替打印，得到能兼顾屈服强度和抗拉强度要求的增材制造材料。
在一些实施例中，所述第一激光的光斑直径为50～90μm，所述第二激光的光斑直径为400～600μm。
在优选的实施例中，所述第一激光的光斑直径为65～75μm，所述第二激光的光斑直径为450～550μm。
在一些实施例中，所述第一镍基合金层的厚度为20～50μm，所述第二镍基合金层的厚度为50～80μm。
在一些实施例中，n选自1～450的整数，m选自1～450的整数。
在优选的实施例中，所述n为1，所述m为1，此时得到的镍基合金件为单层第一镍基合金层和单层第二镍基合金层交替层叠。
在一些实施例中，所述镍基合金粉末的平均粒径为15～53μm。
所述镍基合金粉末的制备方法包括气体雾化法、水雾化法、离心雾化法、超声波雾化法、电解沉积法、化学还原法和机械研磨法。
在一些实施例中，所述镍基合金粉末包括以下重量百分比组分：
Cr的含量为17～21％，Co的含量为0～1％，Mo的含量为2.8～3.3％，Fe的含量为16～22％，Al的含量为0.3～0.7％，Ti的含量为0.75～1.15％，Nb的含量为 4.75～5.5％，Mg的含量为0～0.01％，B的含量为0～0.006％，Si的含量为0～0.35％， Mn的含量为0～0.35％，P的含量为0～0.015％，S的含量为0～0.015％，C的含量为0.02～0.06％，Cu的含量为0～0.3％，O的含量为0～0.03％，N的含量为0～0.02％，余量为Ni。
需要说明的是，以上仅是本发明优选的镍基合金粉末成分，在其他实施例，本领域技术人员还可选择其他类型的镍基合金粉末。
在一些实施例中，所述第一激光的激光功率为200～600W，扫描速度为 100～1000mm/s；所述第二激光的激光功率为600～900W，扫描速度为 100～500mm/s。
在一些实施例中，“打印第一镍基合金层”操作和“打印第二镍基合金层”操作在保护性气氛下进行。
保护性气氛可选自氮气、稀有气体等，以避免镍基合金在激光熔融时氧化，影响材料性能。
本发明的另一实施例提供了一种镍基合金件，采用如上所述的粉床熔融成形方法制备得到。
所述镍基合金件由于采用如上所述的粉床熔融成形方法制备得到，具有较好的力学性能可定制性，有效兼顾镍基合金的不同力学性能优势。
在一些实施例中，所述镍基合金件的屈服强度为500～1000MPa，抗拉强度为600～1200MPa。
以下通过实施例对本发明进行进一步的说明。
实施例1
本实施例用于说明本发明公开的镍基合金件及其制备方法，包括以下操作步骤：
选择Inconel 718粉末作为镍基合金粉末，镍基高温合金Inconel 718是含铌、钼的沉淀硬化型镍铁基高温合金，其微观结构为奥氏体组织，本实施例所使用的Inconel 718合金是由江苏辛德华瑞公司经过真空气雾化技术生产的。根据江苏辛德华瑞材料检测中心提供的化学成分定量分析检测报告，实验所用的718 合金粉末的化学成分组成满足国家标准，见表1。图3a和3b两图展示的是利用扫描电子显微镜拍摄得到的Inconel 718合金粉末形貌图。
表1 Inconel718合金粉末的化学成分(wt％)。
利用SLM Solutions 280HL设备的一号激光器(光斑直径为70μm)和二号激光器(光斑直径为500μm)交替进行打印，交替堆叠的层厚为0.3mm，一号激光器的单层层厚为0.03mm，10层为一个堆叠周期(0.03×10＝0.3mm)，二号激光器的单层层厚为0.06mm，5层为一个堆叠周期(0.06×5＝0.3mm)，一共为 90个堆叠层，镍基合金样品的尺寸为10mm×10mm×27mm(0.3×90＝27mm)。两个激光器的打印参数如表2所示。
表2两个激光器的打印参数。
| 激光器 | 激光功率(W) | 扫描速率(mm/s) | 道间距(μm) |
| 一号 | 280 | 800 | 90 |
| 二号 | 700 | 300 | 200 |
实施例2
本对比例用于说明本发明公开的镍基合金件及其制备方法，包括实施例1 中大部分操作步骤，其不同之处在于：
利用SLM Solutions 280HL设备的一号激光器(光斑直径为70μm)和二号激光器(光斑直径为500μm)交替进行打印，交替堆叠的层厚为0.6mm，一号激光器的单层层厚为0.03mm，20层为一个堆叠周期(0.03×20＝0.6mm)，二号激光器的单层层厚为0.06mm，10层为一个堆叠周期(0.06×10＝0.6mm)，一共为45个堆叠层，镍基合金样品的尺寸为10mm×10mm×27mm(0.6×45＝27mm)。
实施例3
本对比例用于说明本发明公开的镍基合金件及其制备方法，包括实施例1 中大部分操作步骤，其不同之处在于：
利用SLM Solutions 280HL设备的一号激光器(光斑直径为70μm)和二号激光器(光斑直径为500μm)交替进行打印，交替堆叠的层厚为13.5mm，一号激光器的单层层厚为0.03mm，450层为一个堆叠周期(0.03×450＝13.5mm)，二号激光器的单层层厚为0.06mm，225层为一个堆叠周期(0.06×225＝13.5mm)，一共为2个堆叠层，镍基合金样品的尺寸为10mm×10mm×27mm (13.5×2＝27mm)。
对比例1
本对比例用于说明本发明公开的镍基合金件及其制备方法，包括实施例1 中大部分操作步骤，其不同之处在于：
单独采用一号激光器进行镍基合金样品的打印。
对比例2
本对比例用于说明本发明公开的镍基合金件及其制备方法，包括实施例1 中大部分操作步骤，其不同之处在于：
单独采用二号激光器进行镍基合金样品的打印。
性能测试
对上述制备得到的镍基合金样品进行如下性能测试：
一、组织分析
采用光镜和电子背散射衍射对镍基合金样品进行组织分析，得到结果如图1 和图2所示。
图1a和1f、图1b和1g、图1c和1h、图1d和1i、图1e和1j分别为对比例1、对比例2、实施例1、实施例2、实施例3提供的镍基合金样品的组织图。
由图1可以看出实施例1、实施例2、实施例3、对比例1和对比例2得到的镍基合金样品内部均没有明显的缺陷(孔隙、裂缝)，同时，实施例1、实施例2、实施例3得到的镍基合金样品中可以看出明显的组织交错堆叠。
图2中，图2a为对比例1提供的镍基合金样品的电子背散射组织图，图2b 为对比例2提供的镍基合金样品的电子背散射组织图，图2c为实施例2提供的镍基合金样品的电子背散射组织图。
由图2可以看出，对比例1提供的镍基合金样品的晶粒较细，对比例2提供的镍基合金样品的晶粒较粗，而实施例2提供的镍基合金样品呈现出粗细堆叠交错的组织。相对来讲，细的组织的强度较高，而粗的组织强度较低。
二、对制备得到的镍基合金样品进行屈服强度和抗拉强度的测试，得到的测试结果填入表3。
表3制备得到的镍基合金样品的屈服强度和抗拉强度。
从表3的测试结果可以看出，对比例1提供的镍基合金样品的屈服强度和抗拉强度均较高；对比例2提供的镍基合金样品的屈服强度和抗拉强度不足；而实施例1～3提供的镍基合金样品的各项力学性能介于对比例1和对比例2之间，可知，通过不同光斑直径激光的堆叠层数量控制，可以实现屈服强度和抗拉强度在对比例1和对比例2之间的镍基合金的设计，进而实现性能订制的目的。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种镍基合金的利用双激光实现组织性能定制的粉床熔融成形方法，其特征在于，包括以下操作步骤：
将三维模型导入3D打印机中进行处理；
打印第一镍基合金层：进行镍基合金粉末的第一道铺设，得到第一镍基合金粉末床层，采用第一激光对第一镍基合金粉末床层进行扫描，得到第一镍基合金层，重复操作n次，得到n层第一镍基合金层；
打印第二镍基合金层：进行镍基合金粉末的第二道铺设，得到第二镍基合金粉末床层，采用第二激光对第二镍基合金粉末床层进行扫描，得到第二镍基合金层，所述第二激光的光斑直径大于所述第一激光的光斑直径，重复操作m次，得到m层第二镍基合金层；
循环交替“打印第一镍基合金层”操作和“打印第二镍基合金层”操作，得到沿激光打印方向n层第一镍基合金层和m层第二镍基合金层交替的镍基合金件。
2.根据权利要求1所述的粉床熔融成形方法，其特征在于，所述第一激光的光斑直径为30～100μm，所述第二激光的光斑直径为300～700μm。
3.根据权利要求1所述的镍基合金的双激光粉床熔融成形方法，其特征在于，每一层所述第一镍基合金层的厚度为10～100μm，每一层所述第二镍基合金层的厚度为10～100μm。
4.根据权利要求1所述的粉床熔融成形方法，其特征在于，n选自1～500的整数，m选自1～500的整数。
5.根据权利要求1所述的粉床熔融成形方法，其特征在于，所述镍基合金粉末的平均粒径为10～105μm。
6.根据权利要求1所述的粉床熔融成形方法，其特征在于，所述镍基合金粉末包括以下重量百分比组分：
Cr的含量为15～22％，Co的含量为0～2％，Mo的含量为2.5～3.5％，Fe的含量为15～25％，Al的含量为0.2～0.8％，Ti的含量为0.6～1.2％，Nb的含量为4.5～6％，Mg的含量为0～0.05％，B的含量为0～0.01％，Si的含量为0～0.4％，Mn的含量为0～0.4％，P的含量为0～0.02％，S的含量为0～0.02％，C的含量为0.01～0.08％，Cu的含量为0～0.5％，O的含量为0～0.05％，N的含量为0～0.05％，余量为Ni。
7.根据权利要求1所述的粉床熔融成形方法，其特征在于，所述第一激光的激光功率为100～700W，扫描速度为100～10000mm/s；所述第二激光的激光功率为500～1000W，扫描速度为100～10000mm/s。
8.根据权利要求1所述的粉床熔融成形方法，其特征在于，“打印第一镍基合金层”操作和“打印第二镍基合金层”操作在保护性气氛下进行。
9.一种镍基合金件，其特征在于，采用如权利要求1～8任意一项所述的粉床熔融成形方法制备得到。
10.根据权利要求9所述的镍基合金件，其特征在于，所述镍基合金件的屈服强度为400～1100MPa，抗拉强度为500～1300MPa。
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| CN202211311724.9A CN115673338A (zh) | 2022-10-25 | 2022-10-25 | 一种镍基合金的利用双激光实现组织性能定制的粉床熔融成形方法及镍基合金件 |
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN116079075A (zh) * | 2023-04-13 | 2023-05-09 | 太原理工大学 | 基于差异化空间能量策略的slm增材制造殷瓦合金方法 |
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2022
- 2022-10-25 CN CN202211311724.9A patent/CN115673338A/zh active Pending
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