一种基于激光熔覆的合金管材成型方法技术

本发明专利技术公开了一种基于激光熔覆的合金管材成型方法，步骤如下：在施加交变磁场的条件下，采用激光熔化合金粉末逐层沉积形成内管体；再在管坯外表面采用激光熔覆形成涂层，内管体及涂层形成内、外材质不同的管坯；将管坯置于深冷介质中深冷处理，然后置于常温乙醇中超声处理，重复循环深冷处理及超声处理，再置于氢氮混合气氛下梯度升温、回火保温。本发明专利技术在激光沉积形成管坯的过程中施加交变磁场，提高凝固组织细化效果，再将成型的管坯通过深冷处理引入较高的残余应力，再通过超声处理调控应力分布，在深冷处理和超声处理的循环过程中均衡应力，最后在梯度升温过程中回火去应力，提升管材服役性能，尤其适用于制造小口径薄壁高温合金管。高温合金管。高温合金管。

【技术实现步骤摘要】
一种基于激光熔覆的合金管材成型方法


[0001]本专利技术属于激光熔覆
，具体涉及一种基于激光熔覆的合金管材成型方法。

技术介绍

[0002]合金管材的传统生产方法有挤压、轧制、锻造和铸造等，其中锻造和铸造只能提供荒管，需要进一步成型加工以获得成品管材。现有管材按照成型方式主要分为焊管与无缝管，焊管在焊缝处组织恶化，和母材有明显差异，易产生裂纹；无缝管主要是通过对管坯的多次挤压、拉拔，使其产生塑性变形，成为管状产品。虽然无缝管的性能优于焊管，但无缝管的成型过程流程较长且材料存在变形不均匀的情况，严重影响管材的组织性能和尺寸精度。许多服役于极端严苛环境中的高性能管材，需要具有超强承载、极端耐热、耐蚀和高可靠性等特性，尤其对于规格小、精度高的合金管材，其材料、结构、工艺和性能要求更为严格，因此制造难度更大。
[0003]激光增材制造(又称为激光熔化沉积)是一种由下到上逐层累加最终得到成品的制造方法，在三维建模软件中建立模型并以其为基础，按照指定的路径逐层堆叠，最终生成与三维模型相同的产品。相比于传统制造方法，其没有传统加工的限制，可以制造各种复杂的物品；对于原材料利用高，绿色环保，不会产生太多资源的浪费；生产设备体积较小，不会占用太大空间；能生产的产品规格范围广，小到微纳米元器件大到10m以上的航空结构件均可通过此方法生产。凭借其灵活性及便利性，在各个领域已经得到广泛的应用。
[0004]基于激光技术实现高熔点难加工金属、合金及金属基复合材料构件的直接成型，虽然得到了广泛研究，但仍然存在以下问题无法解决：合金材料的熔化与凝固过程，在温度剧烈变化时，产生的应力不能完全释放掉，最终导致应力不均，局部区域强度不够，不能达到使用要求。

技术实现思路

[0005]基于现有技术的不足，本专利技术提供了一种基于激光熔覆的合金管材成型方法，采用激光熔化合金粉末逐层沉积形成内外材质不同的管坯，并将成形的管坯经循环深冷处理及保温回火处理，达到调控应力分布、去应力的目的。
[0006]为了实现上述目的，本专利技术采用的技术方案为：
[0007]一种基于激光熔覆的合金管材成型方法，包括以下步骤：
[0008]在施加交变磁场的条件下，采用激光熔化合金粉末逐层沉积形成内管体；再在管坯外表面采用激光熔覆形成涂层，所述内管体及涂层形成内、外材质不同的管坯；将管坯置于深冷介质中深冷处理1.5～2.5h，然后置于常温乙醇中超声处理10～20min，重复循环深冷处理及超声处理3～5次后，再置于真空加热炉内，通入氢氮混合气，并开始梯度升温，最终于压力为1～2MPa、温度为500～600℃的环境下保温1.5～3h，停止加热，待温度降至60℃以下，停止通气，取出；
[0009]其中，内管体所用合金粉末的成分配比为：Cr：6.4～10.8％，W：4.8～6.8％，Mo：4.0～6.5％，Co：3.5～4.0％，Ti：2.5～3.0％，Al：1.6～2.5％，Zr：0.05～0.1％，C：0.03～0.10％，B：0.01～0.05％，余量为Ni；
[0010]形成内管体时，激光熔覆设备的工艺参数为：激光功率800～1000W，光斑直径0.4～0.8mm，熔覆速率为0.6～1m/min，送粉速率为5～12g/min，激光熔覆的单层厚度控制在0.2～0.8mm之间，保护气体为氩气、氩气流量15～30L/min，所述交变磁场的强度为0.05～0.15T；
[0011]涂层所用合金粉末的成分配比为：C：0.8～1.5％，Cr：3.4～6.6％，Mo：4.2～5.9％，Si：0.5～0.7％，Co：0.8～1.4％，W：5～7.53％，V：1.4～3.2％，Mn：0.15～0.4％，余量为Fe；
[0012]形成涂层时，激光熔覆设备的工艺参数为：激光功率800～1000W，光斑直径0.2～0.4mm，内管体表面熔覆线速度为0.3～0.5m/min、每转轴向进给量为50～120μm，送粉速率为3～6g/min，保护气体为氩气、氩气流量10～20L/min；
[0013]所述梯度升温的过程为：首先于15～30min内升温至140～160℃，并保温10～20min；然后于25～40min内升温至340～360℃，并保温20～30min；最后于20～40min内升温至500～600℃。
[0014]本专利技术选择激光增材的方式制造管材，自动化程度高、加工流程短、产品一致性良好。合金管材的内管体采用镍基合金，其中含较多固溶强化相形成元素(Cr、W、Mo、Co)、少量沉淀强化相形成元素(Al、Ti)和微量晶界强化相形成元素(Zr、B)，通过固溶强化保证了合金的抗氧化温度，并有良好的塑性和机加工性等，协同适量的沉淀强化和晶界强化，具有良好的高温蠕变强度、抗疲劳性能、抗氧化性能和抗腐蚀能力，可用于工作温度较高且承受应力的管件，尤其适用于小口径薄壁高温合金管；内管体外增加铁基合金作为涂层，不仅可以与作为内管体的镍基合金结合较高，而且可以提高管材的表面硬度和致密度，获得高的强度、耐磨性和耐冲蚀性。
[0015]由于内管体的合金组分中存在高导磁成分，在合金熔化沉积过程中，施加交变磁场，可以影响溶体的流动，进而控制流场和温度场，抑制组织粗大，改善偏析、防止裂纹，减免产品内部中心截面气孔的产生，在提高熔覆速度的基础上，仍可明显提高产品的凝固组织细化效果。激光沉积形成管坯后，管坯内部有较多应力，先通过深冷处理在管材内部引入较高的残余应力，再通过超声调控应力分布，在深冷处理和超声处理的循环过程中均衡应力，在此过程中，部分残余应力被抵消，最后在梯度升温过程中回火去应力，可有效地降低或消除管材内部的残存应力，从而提升管材服役性能。
[0016]为了改善管坯内侧壁的光滑度，保证管材的同轴度，在激光熔覆设备的工作台中心处设置可伸出的芯模，所述芯模呈圆柱形，且芯模的外径与待成型的合金管材内径相匹配，芯模的轴向中心线垂直于工作台表面，所述芯模随着内管体沉积厚度逐层伸出。所述芯模采用抗冷热冲击的氮化硅制成，同时具有良好的导热性能，芯模与待成型的合金管材之间为间隙配合，当合金管材凝固收缩后与芯模为过渡配合；芯模的外表面沉积有碳纳米层，所述碳纳米层采用真空溅射成膜，碳纳米层的厚度为5～15μm，不仅具有良好的抗氧化作用，而且起润滑和保护的作用，保证合金管材可以从芯模上脱下。
附图说明
[0017]图1为实施例1中形成内管体的示意图；
[0018]图2为图1中磁体组件的俯视图；
[0019]图3为实施例1中形成涂层的示意图；
[0020]图4为实施例2中形成内管体的示意图；
[0021]图5为图3的俯视图。
具体实施方式
[0022]为了使本专利技术的技术目的、技术方案和有益效果更加清楚，下面结合具体实施例对本专利技术的技术方案作出进一步的说明，但所述实施例旨在解释本专利技术，而不能理解为对本专利技术的限制，实施例中未注明具体技术或条件者，按照本领域内的文献所描述的技术或条件或者按照产品说明书进行。<本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于激光熔覆的合金管材成型方法，其特征在于，包括以下步骤：在施加交变磁场的条件下，采用激光熔化合金粉末逐层沉积形成内管体；再在管坯外表面采用激光熔覆形成涂层，所述内管体及涂层形成内、外材质不同的管坯；将管坯置于深冷介质中深冷处理1.5～2.5h，然后置于常温乙醇中超声处理10～20min，重复循环深冷处理及超声处理3～5次后，再置于真空加热炉内，通入氢氮混合气，并开始梯度升温，最终于压力为1～2MPa、温度为500～600℃的环境下保温1.5～3h，停止加热，待温度降至60℃以下，停止通气，取出；其中，内管体所用合金粉末的成分配比为：Cr：6.4～10.8％，W：4.8～6.8％，Mo：4.0～6.5％，Co：3.5～4.0％，Ti：2.5～3.0％，Al：1.6～2.5％，Zr：0.05～0.1％，C：0.03～0.10％，B：0.01～0.05％，余量为Ni；形成内管体时，激光熔覆设备的工艺参数为：激光功率800～1000W，光斑直径0.4～0.8mm，熔覆速率为0.6～1m/min，送粉速率为5～12g/min，激光熔覆的单层厚度控制在0.2～0.8mm之间，保护气体为氩气、氩气流量15～30L/min，所述交变磁场的强度为0.05～0.15T；涂层所用合金粉末的成分配比为：C：0.8～1.5％，Cr：3.4～6.6％，Mo：4.2～5.9％，Si：0.5～0.7％，Co：0.8～1.4％，W：5～7.53％，V：1.4～3.2％，Mn：0.15～0.4％，余量为Fe；形成涂层时，激光熔覆设备的工艺参数为：激光功率800～1000W，光斑直径0.2～0.4mm，内管体表面熔覆线速度为0.3～0.5m/min、每转轴向进给量为50～120μm，送粉速率为3～6g/min，保护气体为氩气、氩气流量10～20L/min；所述梯度升温的过程为：首先于15～30min内升温至140～160℃，并保温10～20min...

【专利技术属性】
技术研发人员：葛学元，范斌，王淼辉，杜博睿，李宏波，
申请(专利权)人：中机新材料研究院郑州有限公司，
类型：发明
国别省市：