激光增材制造无裂纹、强度和韧性可控的高温合金的制备方法技术

本发明专利技术涉及激光增材制造无裂纹、强度和韧性可控的高温合金的制备方法，包括以下步骤：在惰性气氛保护的环境中，通过同步送粉激光增材制造系统在高温合金锻件基板上逐层成形GH3536粉末，且于逐层成形GH3536粉末过程中相邻道次间暂停一段时间，每沉积2层后暂停一段时间；将所制造的样品升温至1050℃

【技术实现步骤摘要】
激光增材制造无裂纹、强度和韧性可控的高温合金的制备方法


[0001]本专利技术涉及金属材料制备及其热处理领域，尤其涉及一种激光增材制造无裂纹、强度和韧性可控的高温合金的制备方法。

技术介绍

[0002]GH3536合金是一种固溶强化型镍基高温合金，该合金在900℃以下长期使用具有良好的持久和蠕变性能，短期工作温度可达1080℃，同时还具有优良的抗氧化和耐腐蚀性能，被广泛应用于航空发动机热端部件的制造。随着高性能航空发动机的发展，对其结构提出了轻量化、一体化的要求，采用传统的制造技术存在设计难度大、加工周期长和和材料浪费等问题，制约了航空发动机技术的创新发展。
[0003]激光增材制造，因其可实现高性能复杂结构金属零件的近净成形自由制造，逐渐成为了航空航天关键零部件制造的一条重要途径。作为一种具有代表性的激光增材制造技术，同步送粉激光增材制造技术(激光立体成形)具有沉积效率高，成形性能好，并且可用于金属零件高性能精确修复等优点，被广泛应用于高温合金、钛合金、高强度钢等高性能复杂金属零件的制造及修复。
[0004]由于同步送粉激光增材制造是一个非平衡近快速凝固的过程，成形过程中熔池要经历快速的熔化和凝固，造成激光立体成形镍基高温合金具有外延生长的不均匀组织。另外，在Nb、Mo含量的较高镍基的高温合金中，在凝固末期难熔的Nb、Mo元素容易在液相中富集，生成有害的Laves相。Laves的生成会大量消耗基体中的Nb、Mo元素，使得基体的固溶强化效果降低，并且Laves相作为一种硬脆的拓扑密排相(TCP)，会严重影响合金的拉伸塑性、断裂韧性、疲劳及蠕变性能，同时还容易成为裂纹形核基点和扩展通道，导致GH3536高温合金产生裂纹。
[0005]因此，需要寻找一种可以获得无裂纹、且强度和塑性满足使用要求的镍基高温合金的制备方法。

技术实现思路

[0006]基于以上现有技术的不足，本专利技术的目的在于提供一种激光增材制造无裂纹、强度和韧性可控的高温合金的制备方法，以减少Laves相在沉积区的体积分数，改变其形态分布，以提高增材制造高温合金强度和塑性。
[0007]本专利技术解决上述技术问题的技术方案如下：一种激光增材制造无裂纹、强度和韧性可控的高温合金的制备方法，包括如下步骤：
[0008]S100、在惰性气氛保护的环境中，通过同步送粉激光增材制造系统在高温合金锻件基板上逐层成形GH3536粉末，且于逐层成形GH3536粉末过程中相邻道次间暂停一段时间，每沉积2层后暂停一段时间；
[0009]S200、将所制造的样品升温至1050℃
‑
1300℃进行固溶处理，保温一段时间后，水
冷至室温。
[0010]在上述技术方案的基础上，本专利技术还可以做如下改进。
[0011]进一步，高温合金锻件基板为In718合金或GH3536合金。
[0012]进一步，逐层成形GH3536粉末过程中每次沉积一道后暂停3s～10s，再沉积相邻道次，同时每沉积2层后暂停30s～100s，再沉积下一层，如此循环往复。
[0013]进一步，逐层成形GH3536粉末过程中每次沉积一道后暂停5s，再沉积相邻道次，同时每沉积2层后暂停60s，再沉积下一层，如此循环往复。
[0014]进一步，同步送粉激光增材制造系统中光源为半导体激光或光纤激光，激光功率为1000W～3000W，光斑直径为3mm～5mm，激光扫描速率为6mm/s～12mm/s，送粉量为6g/min～20g/min，约束气流量为5L/min～12L/min，Z轴单层抬升量为0.2mm～1mm，搭接率为40％～60％。
[0015]进一步，GH3536粉末尺寸为50μm～150μm；
[0016]其原料粉末成分按质量分数组成为：
[0017]Cr：20wt％～23wt％，Fe：17wt％～20wt％,Mo：8wt％～10wt％,Co：0.5wt％～2.5wt％,W：0.2wt％～1.5wt％,Al：0.3wt％～0.5wt％,C：0.05wt％～0.2wt％,Si：0.05wt％～0.5wt％,Mn：0.05wt％～0.5wt％,Ni余量。
[0018]更进一步，GH3536粉末其成分按质量分数组成为：
[0019]Cr：22.23wt％，Fe：17.22wt％,Mo：9.71wt％,Co：1.63wt％,W：0.56wt％,Al：0.32wt％,C：0.85wt％,Si：0.087wt％,Mn：0.072wt％,Ni余量。
[0020]进一步，惰性气氛为氩气，且氧含量低于200ppm。
[0021]进一步，对样品加热采用加热炉，温控精度
±
1℃，升温速率为10℃/min。
[0022]进一步，加热炉为箱式电阻炉。
[0023]进一步，步骤S200为：
[0024]将所制造的样品升温至1075℃
‑
1225℃进行固溶处理，保温1小时后，水冷至室温。
[0025]进一步，步骤S100中：
[0026]所制备的沉积态试样无裂纹、气孔及熔合不良存在，且组织为柱状晶粒及细小的树枝晶，枝晶间存在长条状连续的Laves相。
[0027]进一步，步骤S200中：
[0028]经过固溶处理后，激光增材制造高温合金的显微组织呈现出柱状晶发生再结晶转变为细小的等轴晶，枝晶偏析基本消失。
[0029]进一步，步骤S200中：
[0030]经过所述固溶处理后，所述激光增材制造高温合金的显微组织呈现出长条状连续的Laves相逐渐溶解到基体中，脆性Laves相数量显著减少，转变为对力学性能有益的不连续的颗粒状。
[0031]在具有氩气气氛保护的环境中，通过激光源发出的激光集聚在基板上，使其局部熔化形成熔池，同时粉末由送粉装置通过气流约束同步送入熔池，在进入熔池后迅速熔化，与此同时激光束不断的移动，不断生成新的熔池，并且由于热源的移动，扫过路径上的熔池在相对较大的基材和试件表面快速凝固；沉积过程中为了防止热累积过大造成样品产生裂纹，每次沉积一道后暂停5s，再沉积相邻道次；同时每沉积2层后暂停60s，再沉积下一层，如
此循环往复，得到三维实体的激光增材制造GH3536合金样品；
[0032]激光增材制造具有快冷凝固的特点，上述方法中制备的GH3536沉积态样品成形质量良好，无裂纹和气孔存在，其组织为典型的沿沉积方向生长的粗大柱状晶，柱状晶的宽度约为35
‑
400μm，柱状晶粒内部主要为柱状枝晶结构，一次枝晶臂间距约为8μm～12μm，枝晶的生长方向并非严格沿沉积方向生长，而是与沉积方向存在一定的夹角；沉积态试样组织还存在明显的层带结构，层带边界上部枝晶较小且二次枝晶臂不发达，而层带边界下部枝晶较为粗大且二次枝晶臂更为发达；沉积态试样顶部为等轴枝晶组织；激光增材制造GH3536合金枝晶间存在明显的微观偏析，链条状的白色Laves相在枝晶间析出；Laves相通本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种激光增材制造无裂纹、强度和韧性可控的高温合金的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：S100、在惰性气氛保护的环境中，通过同步送粉激光增材制造系统在高温合金锻件基板上逐层成形GH3536粉末，且于逐层成形GH3536粉末过程中相邻道次间暂停一段时间，每沉积2层后暂停一段时间；S200、将所制造的样品升温至1050℃
‑
1300℃进行固溶处理，保温一段时间后，水冷至室温。2.根据权利要求1所述的一种激光增材制造无裂纹、强度和韧性可控的高温合金的制备方法，其特征在于，所述高温合金锻件基板为In718合金或GH3536合金。3.根据权利要求1所述的一种激光增材制造无裂纹、强度和韧性可控的高温合金的制备方法，其特征在于，所述逐层成形GH3536粉末过程中每次沉积一道后暂停3s～10s，再沉积相邻道次，同时每沉积2层后暂停30s～100s，再沉积下一层，如此循环往复。4.根据权利要求1或2或3所述的一种激光增材制造无裂纹、强度和韧性可控的高温合金的制备方法，其特征在于，所述同步送粉激光增材制造系统中光源为半导体激光或光纤激光，激光功率为1000W～3000W，光斑直径为3mm～5mm，激光扫描速率为6mm/s～12mm/s，送粉量为6g/min～20g/min，约束气流量为5L/min～12L/min，Z轴单层抬升量为0.2mm～1mm，搭接率为4...

【专利技术属性】
技术研发人员：王大威，刘丰刚，刘奋成，黄春平，
申请(专利权)人：南昌航空大学，
类型：发明
国别省市：