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

摘要

本发明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℃‑1300℃进行固溶处理，保温一段时间后，水冷至室温。可以获得无裂纹的GH3536样品，本发明所描述的固溶处理工艺可以有效控制Laves相的形态，使Laves相由沉积态的连续长条状转变为热处理后分散的颗粒状，使得材料在保持一定强度的同时，大幅提高了塑性，实现了激光增材制造GH3536合金强度和延伸率的强韧化匹配，为其应用提供了基础。

说明书

技术领域

本发明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。

背景技术

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。

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。

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。

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。

发明内容

基于以上现有技术的不足，本发明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。

本发明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：

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。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。

进一步，高温合金锻件基板为In718合金或GH3536合金。

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。

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。

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％。

进一步，GH3536粉末尺寸为50μm～150μm；

其原料粉末成分按质量分数组成为：

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。

更进一步，GH3536粉末其成分按质量分数组成为：

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。

进一步，惰性气氛为氩气，且氧含量低于200ppm。

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。

进一步，加热炉为箱式电阻炉。

进一步，步骤S200为：

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。

进一步，步骤S100中：

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。

进一步，步骤S200中：

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。

进一步，步骤S200中：

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。

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；

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相通常认为作为脆性相严重影响合金的各项力学性能；对于In718合金通常采用1100℃进行固溶处理来消除Laves相；本研究发现，采用常规的固溶处理难以消除Laves相，在更高的温度下进行固溶处理使链条状的Laves相转变为分散的颗粒状，同时可以控制Laves相的含量，使部分Laves相固溶在基体中，因此，可根据激光增材制造高温合金的性能要求，选择合适的热处理工艺，从而实现激光增材制造高温合金强度和延伸率的可控性。

本发明工艺的优点为：

1、本发明实施提供的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，通过在相邻道次间的暂停和每沉积2层后的暂停，减小了样品内部的残余应力，可以获得无裂纹和气孔等缺陷的质量良好的GH3536样品；

2、在1050℃-1300℃的条件下保温，使沉积态试样粗大的柱状晶溶解，试样发生再结晶，晶粒形态转变为等轴晶，内部出现了大量的退火孪晶，进一步细化了晶粒，达到改善组织，优化合金性能的目的；

3、本发明通过向激光增材制造高温合金中输入适当的热能使Laves相回熔到基体中，形态从连续的链条状转变为分散的颗粒状，降低了拉伸过程中的应力集中，大大提高了合金的塑性；

4、本发明制备方法简单，成本低，是提高激光增材制造高温合金力学性能的一种高效方法。

附图说明

图1是激光增材制造GH3536工艺过程和扫描路径示意图；

图2是激光增材制造GH3536沉积态组织；

图3是激光增材制造GH3536沉积态Laves相形态；

图4是激光增材制造GH3536不同固溶处理下Laves相形态：(a)1075℃；(b)1125℃；(c)1175℃；(d)1225℃；

图5是激光增材制造GH3536不同固溶处理下室温拉伸性能：(a)工程应力应变曲线；(b)抗拉强度和延伸率。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

实施例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，以表1所示合金成分的GH3536合金为例，详细介绍本发明的处理方法：

表1本发明实施例中所用材料的合金成分(wt％)

无裂纹、强度和塑性可控的高温合金的制备过程具体包括以下过程：

1)将尺寸为50-150μm的GH3536合金球形粉末放入送粉器中；

2)将In718高温合金基板放入充满氩气气氛的加工室内，并固定在工作台上，通过氩气置换使氧含量控制在200ppm以下，开始同步送粉激光增材制造高温合金，成形尺寸为65mm×60mm×15mm；

3)所用激光器为半导体激光器，在配有五轴联动数控机床的6kW激光增材制造系统上，通过将GH3536粉末熔化沉积在In718基板上，激光束沿X方向移动制备一道宽度为2mm，高度为0.2mm的熔覆层，暂停5s，此后激光束向Y方向偏移1mm，在相邻道次上同样制备出宽度为2mm，高度为0.2mm的熔覆层，暂停5s，重复此过程制备出尺寸为65mm×60mm×0.2mm的一层熔覆层；

4)重复步骤3)过程制备第2层尺寸为65mm×60mm×0.2mm的熔覆层，此后暂停60s。以此类推，每熔覆一道暂停5s，熔覆2层暂停60s，最终获得尺寸为65mm×60mm×15mm的块体样品；成形过程如图1所示；

激光增材制造工艺参数为：激光功率为2000W，光斑直径为5mm，激光扫描速率为8mm/s，送粉量约8.5g/min，约束气流量8L/min，Z轴单层抬升量0.2～0.3mm，搭接率50％。成形过程中采用99.99％的高纯氩气作为保护气和粉末输送气，对熔池进行保护，送粉过程采用送粉喷嘴；

所得激光增材制造GH3536沉积态合金无裂纹和气孔等缺陷，样品抗拉强度为652MPa,延伸率为30％，其显微组织如图2所示，呈现出粗大的奥氏体柱状晶粒，晶粒内部有细小的树枝晶；

5)采用电火花线切割在制备的无裂纹GH3536样品中切取5个尺寸为5mm×5mm×5mm的试样进行固溶处理：将第一块样品放在箱式电阻炉中，以10℃/min的升温速率升温至1075℃，保温1h，随后水冷至室温，其显微组织如图4(a)所示，链条状Laves相刚开始溶解；

将第二块样品放在箱式电阻炉中，以10℃/min的升温速率升温至1125℃，保温1h，随后水冷至室温，其显微组织如图4(b)所示，链条状Laves相进一步溶解呈链状；

将第三块样品放在箱式电阻炉中，以10℃/min的升温速率升温至1175℃，保温1h，随后水冷至室温，其显微组织如图4(c)所示，链条状Laves相溶解呈球状颗粒；

将第四块样品放在箱式电阻炉中，以10℃/min的升温速率升温至1225℃，保温1h，随后水冷至室温，其显微组织如图4(e)所示，仅有少量Laves相颗粒存在；奥氏体晶粒发生再结晶，呈现为等轴晶粒；

将第五块样品放在箱式电阻炉中，以10℃/min的升温速率升温至1200℃，保温1h，随后水冷至室温，其显微组织如图4(d)所示，颗粒状Laves相数量较1175℃减少，奥氏体晶粒发生再结晶，呈现为等轴晶。

本实施例中激光增材制造GH3536合金经过不同温度固溶处理后的室温拉伸强度、延伸率和应力应变曲线如图5所示；

图5的左侧图中尾端各曲线分别指代：As-deposited，1075℃，1125℃，1175℃，1200℃，1225℃；

图5的右侧图中同一横坐标下，左柱状指代Ultimatetensilestrength,右柱状指代Elongation。

可见，随着固溶温度的升高，抗拉强度先增加后降低，在1200℃时达到最大值，在升温过程中，由于Laves相回熔到基体中，使得脆性Laves相的数量显著减少，形态由链条状转变为球状或颗粒状，同时降低了样品的残余应力和拉伸过程中的应力集中，使得塑性逐渐升高，固溶处理后激光增材制造高温合金的强度和延伸率较沉积态样品大幅提高，因此，可以根据目标激光增材制造高温合金的性能要求，选择合适的热处理方法，从而实现强度和塑性的可控性。

实施例2

1)将尺寸为50-150μm的GH3536合金球形粉末放入送粉器中；

2)将In718高温合金基板放入充满氩气气氛的加工室内，并固定在工作台上，通过氩气置换使氧含量控制在200ppm以下，开始同步送粉激光增材制造高温合金，成形尺寸为65mm×10mm×10mm；

3)所用激光器为光纤激光器，在配有五轴联动数控机床的激光增材制造系统上，通过将GH3536粉末熔化沉积在In718基板上，激光束沿X方向移动制备一道宽度为2mm，高度为0.3mm的熔覆层，暂停5s，此后激光束向Y方向偏移1mm，在相邻道次上同样制备出宽度为2mm，高度为0.2mm的熔覆层，暂停5s，重复此过程制备出尺寸为65mm×60mm×0.2mm的一层熔覆层；

4)重复步骤3)过程制备第2层尺寸为65mm×60mm×0.2mm的熔覆层，此后暂停60s。以此类推，每熔覆一道暂停5s，熔覆2层暂停60s，最终获得尺寸为65mm×10mm×10mm的块体样品。激光增材制造工艺参数为：激光功率为1800W，光斑直径为5mm，激光扫描速率为6mm/s，送粉量约8.5g/min，约束气流量8L/min，Z轴单层抬升量0.2～0.3mm，搭接率50％。成形过程中采用99.99％的高纯氩气作为保护气和粉末输送气，对熔池进行保护，送粉过程采用送粉喷嘴；

所得激光增材制造GH3536沉积态合金呈现出粗大的奥氏体柱状晶粒，晶粒内部有细小的树枝晶；

5)采用电火花线切割在制备的无裂纹GH3536样品中切取5个尺寸为5mm×5mm×5mm的试样进行固溶处理，将第一块样品放在箱式电阻炉中，以10℃/min的升温速率升温至1200℃，保温1h，随后水冷至室温。

本实施例中的合金经过固溶处理后抗拉强度为721MPa，延伸率为46％。

实施例3

1)将尺寸为50-150μm的GH3536合金球形粉末放入送粉器中；

2)将In718高温合金基板放入充满氩气气氛的加工室内，并固定在工作台上，通过氩气置换使氧含量控制在200ppm以下，开始同步送粉激光增材制造高温合金，成形尺寸为50mm×10mm×10mm；

3)所用激光器为半导体激光器，在配有五轴联动数控机床的6kW激光增材制造系统上，通过将GH3536粉末熔化沉积在In718基板上，激光束沿X方向移动制备一道宽度为2mm，高度为0.3mm的熔覆层，暂停5s，此后激光束向Y方向偏移1mm，在相邻道次上同样制备出宽度为2mm，高度为0.2mm的熔覆层，暂停5s，重复此过程制备出尺寸为65mm×60mm×0.2mm的一层熔覆层；

4)重复步骤3)过程制备第2层尺寸为65mm×60mm×0.2mm的熔覆层，此后暂停60s。以此类推，每熔覆一道暂停5s，熔覆2层暂停60s，最终获得尺寸为50mm×10mm×10mm的块体样品；

激光增材制造工艺参数为：激光功率为2500W，光斑直径为5mm，激光扫描速率为10mm/s，送粉量约10g/min，约束气流量8L/min，Z轴单层抬升量0.2～0.3mm，搭接率50％。成形过程中采用99.99％的高纯氩气作为保护气和粉末输送气，对熔池进行保护，送粉过程采用送粉喷嘴；

5)采用电火花线切割在制备的无裂纹GH3536样品中切取5个尺寸为5mm×5mm×5mm的试样进行固溶处理，将第一块样品放在箱式电阻炉中，以10℃/min的升温速率升温至1200℃，保温1h，随后水冷至室温。

本实施例中的合金经过固溶处理后抗拉强度为732MPa，延伸率为45％。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。