一种实现镍基合金晶体学织构调控的准连续激光金属3D打印方法

技术领域

本发明涉及激光金属材料加工领域，尤其涉及一种实现镍基合金晶体学织构调控的准连续激光金属3D打印方法。

背景技术

晶体学织构能够充分利用晶体本身存在的各向异性，在保持工程材料原有的传统特点基础上，使必要的性能在特定方向得到显著的提高，这对改进材料性能具有重要作用。例如，镍基高温涡轮叶片在高温-应力服役环境下，与应力轴垂直的晶界是主要裂纹源，但通过一定控制(如定向凝固)，获得几乎与主应力轴方向平行的<100>取向柱状晶组织(消除横向晶界)甚至单晶(无晶界)，从而减小甚至消除作用在晶界上的应力，可有效延缓裂纹形成并增加高温蠕变及疲劳寿命。同时，平行于主应力轴方向、低弹性模量的<100>取向柱状晶组织还能提高塑性与热疲劳性能。然而，采用传统方法加工定向凝固甚至单晶零件，造价十分昂贵，这极大限制了镍基定向凝固叶片及单晶叶片的广泛应用。

激光金属3D打印技术，是一种在计算机、激光以及新材料等技术的基础上发展起来的先进制造技术。该技术基于“分层制造，离散堆积”原理，可直接根据零件的三维CAD模型，快速成形出实体零件，有效地降低零件加工成本、缩短生产周期，尤其适用于复杂大型整体部件的直接成形及磨损零件的快速修复。同时，激光金属3D打印过程中熔池的定向、快速散热导致的高温度梯度及凝固速率等特点，有利于获得高度取向的柱状晶组织，通过对工艺的调控，可望直接成形或修复定向凝固(甚至单晶)零件。

目前，关于激光金属3D打印过程中的凝固织构的研究相对较少。Gaumann 等人通过合理地选择激光熔覆参数，实现了柱状枝晶只从单晶基材的外延生长，并成功地制备了定向凝固部件。Dinda等人研究了两种不同扫描路径对凝固织构的影响。结果表明，采用单向路径沉积时，枝晶生长方向与基材呈60°夹角，表现出<100>纤维织构；而采用双向路径时，凝固枝晶生长方向每层改变90°，表现出强的立方织构。Wei等人通过数值模型，解释了这种现象。金属凝固模式主要受近凝固界面局部温度场及基材取向的影响。凝固织构取决于局部热流方向与材料本身的多个择优生长方向的竞争关系，平行或近平行于热流方向的<100>取向会优先生长，而偏离较大的取向将会被淘汰。Parimi等人研究了扫描路径及激光功率对枝晶生长及晶体学织构的影响，发现在单向路径下，低的功率下获得由细小柱状晶与大柱状晶组成的具有随意取向的混合组织，而在在高的激光功率下获得了沿沉积高度方向具有强<100>纤维织构的柱状晶组织。值得一提的是，在双向路径下，尽管获得了具有明显取向的晶粒形态，但与Dinda等人所报道的Z 字形晶粒形态完全不同。尽管上述研究为激光金属3D打印过程中枝晶生长及凝固织构的形成提供了很好的见解，但由于激光金属3D打印熔池热物过程复杂，影响因素众多，枝晶生长及晶体学织构调控难度很大且相关机理并不完善。

据报道，由于从熔池底部至顶部温度梯度下降及凝固速率增加，导致顶部发生等轴枝晶转变，即顶部形成杂晶或等轴枝晶。但在多层制造过程中，利用下一层沉积过程中对已沉积层顶部的重熔作用将已沉积层顶部形成的等轴枝晶进行全部重熔后，可实现柱状晶在高度方向的连续外延生长，形成高取向织构。然而，沿扫描方向(由于熔池波动或温度参数的改变)形成的杂晶由于没有重熔作用很难被消除，从而柱状枝晶很难实现沿扫描方向的全部外延生长。若能对单向扫描过程中形成的杂晶进行重熔，则可在扫描方向也能实现连续外延生长，进而获得全部的高取向柱状枝晶。目前有效控制金属3D打印过程中枝晶组织生长及凝固织构(此类)的方法依然非常缺乏。

发明内容

本发明的目的是提出一种操作简便、有效的激光金属3D打印方法，该方法能够在沿扫描方向引入重熔机制，实现对镍基合金3D打印过程中枝晶组织生长及凝固织构的有效控制。

本发明通过调制热源的输出方式，在沿扫描方向引入对杂晶或等轴晶的有效重熔机制，获得全部柱状枝晶生长，显著提高晶粒取向的一致性，进而改善显微组织。本发明包括以下步骤：

步骤一：将激光输出设置为准连续激光模式，即将激光调制为毫秒量级的间歇式输出，并对准连续激光金属3D打印工艺窗口进行初步优化，获得初步优化的工艺窗口，包括：激光波形、激光功率、光斑直径、送粉量和占空比；

步骤二：利用有限元传热模型对初步优化工艺参数下镍基合金准连续激光金属3D打印过程中熔池的温度场进行计算；

步骤三：根据步骤二得到的温度场，针对单个脉冲周期内激光关闭期间，每隔0.2～2ms对熔池移动边界的温度梯度G及冷却速率ξ进行一次提取，其中G 及ξ的单位分别为℃/m与℃/s，并计算出不同时刻G^4.4/ξ值，将G^4.4/ξ值与镍合金的柱状-等轴转变临界值K进行比较，其中K为2.7×10²⁴℃^3.4/m^4.4s，得到G^4.4/ξ等于K时的临界时刻t，获得临界时刻t所对应的熔池形貌，与关光瞬间熔池形貌比较，计算出单个脉冲内关光瞬间与t时刻熔池边界之间柱状枝晶的生长长度>

步骤四：根据扫描速度V与脉冲频率f比值等于0.5～0.8L的匹配原则，对V 和f进行优化，V/f比值等于0.5～0.8L的匹配原则是为保证单个脉冲内未重熔区域全部为柱状枝晶，而其它区域形成的杂晶或等轴晶的区域被全部重熔。

步骤五：按优化后的准连续激光参数进行激光3D打印成形，获得晶体学取向高度一致的成形零件。

在步骤一中，激光金属3D打印方法包括：送粉式激光金属3D打印方法和粉末床激光金属3D打印方法。

在步骤二中，所描述的熔池温度场计算，包括熔池的瞬时形貌及温度分布。

在步骤五中，所描述的优化后的准连续激光参数包括：波形，方波；峰值功率，500～900W；扫描速度，6-10mm/s；重复频率，50HZ～200HZ，占空比：0.4～0.7；送粉量，9-12g/min；双向扫描路径。

本发明将激光输出模式设置为准连续激光模式后，间歇式(毫秒量级)激光输出将导致激光增材制造过程中熔池的周期性熔化与凝固。在单个脉冲期间，当激光处于关闭状态后，熔池开始快速冷却凝固，由于熔池头部不受激光加热的约束，熔池由四周向熔池中心快速凝固，该凝固过程定义为自由凝固过程。在自由凝固过程中，熔池边界的温度梯度及冷却速率随凝固时间的推移发生显著地变化。 G^4.4/ξ小于与材料相关常数K时将形成等轴枝晶，因此，在自由凝固过程中，凝固组织由凝固开始时的柱状枝晶逐渐转变为杂晶或等轴枝晶。为最终获得全部的柱状枝晶组织，需保证下一脉冲对已凝固组织的重熔作用能够将上一脉冲周期内形成的杂晶或等轴枝晶完全重熔。因此，保证单个脉冲期间熔池自由凝固过程中G^4.4/ξ比值大于材料相关常数K时熔池边界推进距离L(即柱状枝晶生长长度)要大于相邻脉冲之间熔池边界的移动距离V/f值，即可保证全部的柱状枝晶生长，形成高取向的晶体学织构。

本发明通过调制热源的输出方式，在沿扫描方向引入对杂晶或等轴晶的有效重熔机制，获得全部柱状枝晶生长，显著提高晶粒取向的一致性，进而改善显微组织。

附图说明

图1为本发明获得的3D打印试样的金相图；

图2为本发明获得试样的EBSD图；

图3为本发明外脉冲参数下获得的3D打印试样的金相图；

图4为采用传统方法的脉冲参数下获得试样的EBSD图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的说明。

一种实现镍基合金晶体学织构调控的准连续激光金属3D打印方法，包括以下步骤：

步骤一：将激光输出设置为准连续激光模式，即将激光调制为毫秒量级的间歇式输出，并对准连续激光金属3D打印工艺窗口进行初步优化，工艺窗口的初步优化包括：激光波形、激光功率、光斑直径、送粉量和占空比，获得初步优化的工艺窗口；选用送粉式激光金属3D打印方法。

步骤二：利用有限元传热模型对初步优化工艺参数下镍基合金准连续激光金属3D打印过程中熔池的温度场进行计算，包括熔池的瞬时形貌及温度分布。

步骤三：根据步骤二得到的温度场，针对单个脉冲周期内激光关闭期间，每隔0.5ms对熔池移动边界的温度梯度G及冷却速率ξ进行一次提取，其中G及ξ的单位分别为℃/m与℃/s，并计算出不同时刻G^4.4/ξ值，将G^4.4/ξ值与镍合金的柱状-等轴转变临界值K进行比较，其中K为2.7×10²⁴℃^3.4/m^4.4s，得到G^4.4/ξ等于K时的临界时刻t，获得临界时刻t所对应的熔池形貌，与关光瞬间熔池形貌比较，计算出单个脉冲内关光瞬间与t时刻熔池边界之间柱状枝晶的生长长度L，>

步骤四：根据扫描速度V与脉冲频率f比值等于0.7L的匹配原则，对V和 f进行优化；

步骤五：按优化后的准连续激光参数进行激光3D打印成形，获得晶体学取向高度一致的成形零件，波形，方波；峰值功率，800W；扫描速度，6-10mm/s；重复频率，50HZ～200HZ，占空比，0.6；送粉量，10g/min；双向来回扫描路径。

图1为采用本专利方法后获得的3D打印试样的金相图，从图中可以看出，试样几乎全部由高取向的柱状枝晶组成，且柱状枝晶生长方向在层界面处发生了 90°改变，但这种改变并没有改变晶粒的取向。图2为采用本专利方法获得试样的EBSD图，从中可以看出，晶粒的晶体学取向高度一致，仅存在极少数的杂晶，从图2中的b图可以看出，试样形成了高取向的近单晶织构。正是由于同一层，相邻脉冲之间的重熔作用，将熔池其它部位的杂晶或等轴晶重熔掉，保证了柱状枝晶的外延生长。

图3为采用本专利方法外脉冲参数下获得的3D打印试样的金相图，从图中可以看出，试样晶粒取向杂乱，在单个熔池底部由少量柱状枝晶组成，接近熔池心部，出现了大量杂晶。图4为采用本专利方法外脉冲参数下获得试样的EBSD 图，从中可以看出，晶粒的晶体学取向杂乱，存在大量的杂晶，从图4中的b 图可以看出，试样形成了更随机的立体织构。