一种送粉脉冲激光3D打印修复单晶高温合金薄壁件方法技术

本发明专利技术涉及激光3D打印领域，具体为一种送粉脉冲激光3D打印修复单晶高温合金薄壁件方法。第一步准备单晶高温合金基板和打印单晶高温合金粉末；第二步根据需要获得的单晶高温合金薄壁件实际使用形状进行三维建模并对模型进行切片处理，进行激光3D打印路径编程；第三步进行单道打印实验确定激光功率、送粉速率、脉冲时间、脉冲宽度、预热基板温度、确定激光光斑直径；第四步将单晶高温合金薄壁件打印程序输入激光3D打印设备中进行脉冲激光3D打印尝试；第五步优化薄壁件打印工艺参数获得修复大尺寸单晶高温合金薄壁件并对薄壁件的组织进行系统测试。该方法制备工艺流程一体化、短周期化，获得纵向梯度性能均一的单晶高温合金薄壁件。

A method of powder feeding pulsed laser 3D printing for repairing single crystal superalloy thin wall parts

【技术实现步骤摘要】
一种送粉脉冲激光3D打印修复单晶高温合金薄壁件方法
本专利技术涉及激光3D打印领域，具体为一种送粉脉冲激光3D打印修复单晶高温合金薄壁件方法。
技术介绍
在美国《国家先进制造战略计划》、欧洲航天局《惊奇计划》、日本《增材制造科研计划》、新加坡《工业增材制造项目》以及欧盟《3D打印标准化路线图》等全球新型制造技术迅猛发展的机遇下，金属激光3D打印，融合了计算机辅助设计、材料加工与成形技术，以数字化模型文件为基础，通过软件与数控系统将特制材料逐层堆积固化，制造出实体产品的制造技术，日益成为国内外专家学者的研究热点。它与传统的，对原材料进行切削、组装的加工模式不同，是通过材料累加的原理，从无到有地制造产品的新型技术工艺。也正是由于增材制造的这种技术特点，使得它受到全球的广泛关注，将可能会给传统的制造业带来一系列深刻的变革。其中同轴送粉式金属激光3D打印技术以其成形尺寸大、可利用材料范围广、成形件的材料性能优异等特点，在航空、航天、交通、医疗与能源等领域有着广阔的应用前景，成为金属增材制造主流的工艺技术。早在七十年代，随着激光技术在材料表面处理中的应用和推广，激光加工技术引起了人们极大的关注。八十年代，国外学者利用激光作为热源，通过控制适当的工艺参数，建立起定向凝固的外部条件，获得了具有定向凝固组织的薄带。至今为止，国内外学者从实验和数值模拟两方面对单晶激光熔覆技术进行了研究，深入研究单晶制造的理论，得到大量实验数据。与国内单晶修复停留在实验研究的现状不同，国外对单晶生长的控制技术比较成熟，己经有成熟的单晶叶片激光修复生产线。一般认为，常见盘形件、套筒件、壳体件、轴类件等金属零件，壁厚与内径曲率半径比值小于1:20，壁厚小于2mm的零部件称为薄壁零件。金属薄壁件具有结构紧凑、承载能力强、重量轻、高强度等优点，在工业工程领域尤其是在航空航天、船舶、汽车、模具等行业得到了广泛应用。目前，金属薄壁零件正在向大尺寸化、极薄化、复杂化方向发展。由于重量轻、刚度高、比强度高等优势，现已被广泛应用于宇航航天领域。随着工业技术的逐步发展，金属薄壁零件应用会更加广泛，质量性能需求也会进一步提高金属薄壁件传统加工方法主要有两种：一、“整体制造法”，从铸造毛坯中切除或掏空整体材料85％以上而形成金属薄壁件，其最大弊端在于材料利用率非常低；二、利用车床精密加工成形，加工时极易产生误差变形和工件颤振，降低了工件的加工精度。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种送粉脉冲激光3D打印修复单晶高温合金薄壁件方法。该方法可以用于激光3D打印领域制备单晶高温合金薄壁件，使得制备工艺流程一体化、短周期化、低成本化、效率高，同时获得大尺寸单晶高温合金薄壁件，在为快速制造薄壁件领域进行产业化提供了技术支撑。为了实现上述目的，本专利技术的技术方案如下：一种送粉脉冲激光3D打印修复单晶高温合金薄壁件方法，包括如下步骤：第一步准备单晶高温合金基板和打印单晶高温合金粉末；第二步根据需要获得的单晶高温合金薄壁件实际使用形状进行三维建模并对模型进行切片处理，进行激光3D打印路径编程；第三步进行单道打印实验确定激光功率、送粉速率、脉冲时间、脉冲宽度、预热基板温度、确定激光光斑直径；第四步将单晶高温合金薄壁件打印程序输入激光3D打印设备中进行脉冲激光3D打印尝试；第五步优化薄壁件打印工艺参数获得修复大尺寸单晶高温合金薄壁件并对薄壁件的组织进行系统测试。所述的送粉脉冲激光3D打印修复单晶高温合金薄壁件方法，该方法具体步骤如下：(1)从铸造单晶高温合金切至18mm×3mm×20mm规格作为薄壁件打印所需基板，以及50mm×50mm×15mm规格作为单道打印所需基板，进行试验前，首先将基板用不同型号的砂纸打磨，控制其表面粗糙度Ra＝2.5～5.0μm，然后用无水乙醇清洗打磨后的基板，并用吹风机烘干，将其依次放入包括有CNC数控机床的手套真空箱中；(2)采用的单晶高温合金打印粉末由氩气雾化法制备，试验前首先将打印用单晶高温合金粉末在真空干燥箱中烘干并冷却，去除粉末中的水分，以提高粉末的均匀性和流动性，粉末粒径采用20～50μm；(3)试验之前先把单晶高温合金粉末放入送粉器中，调整送粉器的转速以保证送粉速率为10～20g/min，最终目的是保证合金粉末被均匀送出，不干扰激光束出光效果，保证粉末流和激光束的汇聚效果；(4)将烘干后的单晶高温合金基板放入工作台上平口钳上固定，最终目的是保持激光3D打印过程的成形效果；(5)利用图像处理软件Autodeskinventor建立单晶高温合金薄壁件三维模型，运用软件Simplify3D对三维模型进行切片处理并采用C++进行3D打印路径G代码编程为STL格式，然后将运行程序导入STL格式文件利用激光3D打印设备进行单道和薄壁件打印；(6)脉冲激光调整激光头与单晶高温合金基板之间的距离控制为10～20mm，以确保激光束与同轴四路氩气送粉管道送出的粉末流汇聚；(7)在CNC数控机床的数控系统中加载预先设计的CNC数控G代码，打印路线为平行同向方式；随后在操控面板上依次调整需要变化的试验参数，其中包括激光输出功率、脉冲时间、脉冲宽度；监控各项指标是否运行健康，符合标准后进行试验；(8)运用CP4000CO2激光器设备对单晶高温合金粉末在50mm×50mm×16mm的单晶高温合金基板上进行单道打印。所述的送粉脉冲激光3D打印修复单晶高温合金薄壁件方法，步骤(8)中，设定激光功率P为变量，变化范围为P＝800W～2700W，脉冲时间0.6～0.78s，脉冲宽度0.1～0.28s，光斑直径为d＝1～3mm，脉冲送粉速率设定为f＝10～20g/min，观察并对比激光功率对单道打印层宏观形貌的影响，综合分析单道宏观形貌的粗糙情况、饱满情况，初步确定最佳单道打印的功率参数值。所述的送粉脉冲激光3D打印修复单晶高温合金薄壁件方法，步骤(8)中，选取激光功率P＝2000W，脉冲时间0.66s，脉冲宽度0.16s，光斑直径为d＝2mm，送粉速率为f＝11g/min，作为初步的最佳单道工艺参数。所述的送粉脉冲激光3D打印修复单晶高温合金薄壁件方法，单晶高温合金薄壁件的材料种类为镍基单晶高温合金DD32、DD5或SRR99。所述的送粉脉冲激光3D打印修复单晶高温合金薄壁件方法，该方法采用同轴送粉脉冲激光3D打印的设备，包括：真空手套箱、激光熔覆头、激光束、单晶高温合金粉末、构件、基板、导热硅胶、导热铜板、加热液体导管、工作台、激光器、光纤、送粉器、送粉桶、送粉管道，具体结构如下：真空手套箱内设置激光熔覆头、构件、基板、导热硅胶、导热铜板、工作台，工作台的顶部依次设置导热铜板、导热硅胶、基板，构件的上方设置激光熔覆头，激光熔覆头通过管路将单晶高温合金粉末送至基板表面，激光熔覆头通过激光束对单晶高温合金粉末进行脉冲激光3D打印，在基板表面形成构件；导热铜板中设置循环管路，该循环管路与加热液体导管连通；激光熔覆头通过光纤与激光器连接，激光熔覆头通过送粉管道本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种送粉脉冲激光3D打印修复单晶高温合金薄壁件方法，其特征在于，包括如下步骤：/n第一步准备单晶高温合金基板和打印单晶高温合金粉末；第二步根据需要获得的单晶高温合金薄壁件实际使用形状进行三维建模并对模型进行切片处理，进行激光3D打印路径编程；第三步进行单道打印实验确定激光功率、送粉速率、脉冲时间、脉冲宽度、预热基板温度、确定激光光斑直径；第四步将单晶高温合金薄壁件打印程序输入激光3D打印设备中进行脉冲激光3D打印尝试；第五步优化薄壁件打印工艺参数获得修复大尺寸单晶高温合金薄壁件并对薄壁件的组织进行系统测试。/n

【技术特征摘要】
1.一种送粉脉冲激光3D打印修复单晶高温合金薄壁件方法，其特征在于，包括如下步骤：
第一步准备单晶高温合金基板和打印单晶高温合金粉末；第二步根据需要获得的单晶高温合金薄壁件实际使用形状进行三维建模并对模型进行切片处理，进行激光3D打印路径编程；第三步进行单道打印实验确定激光功率、送粉速率、脉冲时间、脉冲宽度、预热基板温度、确定激光光斑直径；第四步将单晶高温合金薄壁件打印程序输入激光3D打印设备中进行脉冲激光3D打印尝试；第五步优化薄壁件打印工艺参数获得修复大尺寸单晶高温合金薄壁件并对薄壁件的组织进行系统测试。


2.按照权利要求1所述的送粉脉冲激光3D打印修复单晶高温合金薄壁件方法，其特征在于，该方法具体步骤如下：
(1)从铸造单晶高温合金切至18mm×3mm×20mm规格作为薄壁件打印所需基板，以及50mm×50mm×15mm规格作为单道打印所需基板，进行试验前，首先将基板用不同型号的砂纸打磨，控制其表面粗糙度Ra＝2.5～5.0μm，然后用无水乙醇清洗打磨后的基板，并用吹风机烘干，将其依次放入包括有CNC数控机床的手套真空箱中；
(2)采用的单晶高温合金打印粉末由氩气雾化法制备，试验前首先将打印用单晶高温合金粉末在真空干燥箱中烘干并冷却，去除粉末中的水分，以提高粉末的均匀性和流动性，粉末粒径采用20～50μm；
(3)试验之前先把单晶高温合金粉末放入送粉器中，调整送粉器的转速以保证送粉速率为10～20g/min，最终目的是保证合金粉末被均匀送出，不干扰激光束出光效果，保证粉末流和激光束的汇聚效果；
(4)将烘干后的单晶高温合金基板放入工作台上平口钳上固定，最终目的是保持激光3D打印过程的成形效果；
(5)利用图像处理软件Autodeskinventor建立单晶高温合金薄壁件三维模型，运用软件Simplify3D对三维模型进行切片处理并采用C++进行3D打印路径G代码编程为STL格式，然后将运行程序导入STL格式文件利用激光3D打印设备进行单道和薄壁件打印；
(6)脉冲激光调整激光头与单晶高温合金基板之间的距离控制为10～20mm，以确保激光束与同轴四路氩气送粉管道送出的粉末流汇聚；
(7)在CNC数控机床的数控系统中加载预先设计的CNC数控G代码，打印路线为平行同向方式；随后在操控面板上依次调整需要变化的试验参数，其中包括激光输出功率、脉冲时间、脉冲宽度；监控各项指标是否运行健康，符合标准后进行试验；
(8)运用CP4000C...

【专利技术属性】
技术研发人员：梁静静，慈世伟，安晓龙，李金国，周亦胄，孙晓峰，
申请(专利权)人：中国科学院金属研究所，
类型：发明
国别省市：辽宁;21