液氩喷射冷却定向凝固的激光金属直接成形方法

摘要

本发明公开了一种液氩喷射冷却定向凝固的激光金属直接成形方法，其特征在于，采取每堆积一定层数就在成形层下方喷射液氩迅速降温的方法，保证在后续成形过程中熔池内部沿Z轴方向始终保持正温度梯度。同时，用来冷却的液氩转变为氩气，在氩气保护箱中又可用来降低氧含量。从而使得成形件内部的柱状晶组织由基板沿Z轴成形方向连续生长，使成形件获得完整的定向凝固柱状晶组织。

权利要求

1.一种液氩喷射冷却定向凝固的激光金属直接成形方法，其特征在于，包括下述步骤：(1)首先在基板上采用多道搭接的方法成形实体墙到20～30层之间，每层厚0.10～

0.20mm；

(2)暂停激光金属直接成形，通过液氩喷嘴将液氩喷射到已成形的实体墙的两侧壁上；

(3)在已冷却的实体墙顶层继续进行激光金属直接成形；

(4)再成形10～20层后，采用步骤(2)用液氩喷射的方法继续冷却已成形的实体墙；

(5)重复步骤(3)、(4)直至实体墙成形完成。

说明书

液氩喷射冷却定向凝固的激光金属直接成形方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种激光金属直接成形方法，特别涉及一种液氩喷射冷却定向凝固的激光金属直接成形方法，适用于激光金属直接成形中柱状晶定向生长的控制，也可应用于激光修复和激光熔覆领域中熔覆层柱状晶的定向生长。

背景技术

[0002] 激光金属直接成形技术是在激光熔覆基础上，结合快速原型技术而发展起来的一种先进制造技术。在激光金属直接成形过程中，高能密度的激光束快速扫描基材，使得基材5 9
表面一薄层及熔覆粉末快速熔化并在极快的冷却速度下凝固，冷却速度可达10-10K/s，基于激光熔池本身的传热和凝固特征，通常成形组织直接从基材外延生长，呈现强制定向枝晶生长。由于在激光金属直接成形过程中热量不断的积累，导致当成形件逐层堆积到一定高度后，成形件内部由下而上的温度梯度降低，这样就导致熔池在凝固时无法保持柱状晶的完整定向生长，从而影响成形件的微观组织和力学性能。

发明内容

[0003] 本发明的目的是提供一种激光金属直接成形方法，可保证激光金属直接成形中熔池内部沿Z轴方向始终保持正温度梯度，从而使得成形件内部的柱状晶组织由基板沿Z轴成形方向连续生长，并使成形件获得完整的定向凝固柱状晶组织。

[0004] 为达到以上目的，本发明是采取如下技术方案予以实现的：

[0005] 一种液氩喷射冷却定向凝固的激光金属直接成形方法，其特征在于，包括下述步骤：

[0006] (1)首先在基板上采用多道搭接的方法成形实体墙到20～30层之间，每层厚0.10～0.20mm；

[0007] (2)暂停激光金属直接成形，通过液氩喷嘴将液氩喷射到已成形的实体墙的两侧壁上，使其迅速冷却，保证熔池由下向上具有正的温度梯度，以利于定向凝固的柱状晶连续外延生长，组织既细小又致密；

[0008] (3)在已冷却的实体墙顶层继续进行激光金属直接成形；

[0009] (4)再成形10～20层后，采用步骤(2)用液氩喷射的方法继续冷却已成形的实体墙；

[0010] (5)重复步骤(3)、(4)直至实体墙成形完成。

[0011] 上述方案中，所述步骤(1)中在基板上成形实体墙的层数为20～30层。所述步骤(4)中再成形的层数为10～20层。

[0012] 本发明在成形初期阶段对成形件未进行液氩冷却。因为在激光金属直接成形的初始阶段，成形件高度较低，大部分热量以热传递的方式由成形基板下面的循环冷却水带走，成形件内部无热积累问题，熔池在凝固的过程中沿Z轴方向存在较大的温度梯度。

[0013] 当成形件逐层累加到一定高度以后，传热效率明显下降，依靠基板导热的方式已经很难解决成形件内部的热积累问题，成形件温度的升高，导致熔池在凝固过程中的温度梯度减小，从而引发了柱状晶的粗化和向等轴晶的转变。所以采用液氩喷射的方法降低成形件温度，消除热积累现象，使得在成形过程中熔池沿Z轴方向存在较大的温度梯度，从而使柱状晶组织能连续定向生长。

附图说明

[0014] 图1是本发明方法的液氩喷射冷却原理示意图。

[0015] 图2是正常冷却条件下实体墙试样的金相组织显微照片。图2中：(a)为下部；(b)为上部。

[0016] 图3是本发明液氩喷射冷却条件下实体墙试样的金相组织显微照片。图3中：(a)为下部；(b)为上部。

具体实施方式

[0017] 如图1所示，一种液氩喷射冷却定向凝固的激光金属直接成形方法，采用如下步骤：

[0018] (1)首先在基板上采用多道搭接的方法成形实体墙到20～30层之间，每层厚0.10～0.20mm；

[0019] (2)暂停激光金属直接成形，通过液氩喷嘴将液氩喷射到已成形的实体墙的两侧壁上，使其迅速冷却，保证熔池由下向上具有正的温度梯度，以利于定向凝固的柱状晶连续外延生长，组织既细小又致密；

[0020] (3)在已冷却的实体墙顶层继续进行激光金属直接成形；

[0021] (4)再成形10～20层后，采用步骤(2)用液氩喷射的方法继续冷却已成形的实体墙；

[0022] (5)重复步骤(3)、(4)直至实体墙成形完成。

[0023] 在整个成形过程中，液氩喷嘴3与激光头为一体结构，液氩喷嘴3能随着激光头在X、Y和Z方向上移动。在冷却过程中，液氩喷嘴3随激光头在Y方向往返运动，同时向成形件两侧壁喷射液氩6，从而使得成形件的冷却更加均匀。用来冷却的液氩6转变为氩气，在氩气保护箱中又可用来降低氧含量，从而改善成形件的质量。

[0024] 本发明采用液氩喷射冷却的方法降低成形件温度，使成形过程中熔池4内部由下而上始终保持较高的温度梯度，从而使得柱状晶组织在成形件内部连续生长，组织既细小又致密，使成形件获得完整的定向凝固柱状晶组织。

[0025] 下面以液氩喷射冷却激光定向凝固316L(不锈钢)实体墙成形样件为例对本发明作进一步描述：

[0026] 基本实验参数：激光功率200～280W，激光光斑直径0.5～0.7mm，扫描速度6～12mm/s，送粉量7.6～8.0g/min，送气量6～10L/min，ΔZ(激光头提升量)＝0.10～
0.20mm，6道搭接，搭接率为33～35％，共堆积60层。

[0027] 用以下两种方法成形实体墙，比较实体墙组织定向效果。

[0028] A、在未加液氩冷却条件下成形实体墙

[0029] 1)采用基本工艺参数；

[0030] 2)未采取液氩冷却条件下连续成形60层。

[0031] B、液氩喷射冷却条件下成形实体墙

[0032] 1)采用基本工艺参数；

[0033] 2)1-20层成形中不加液氩喷射冷却；

[0034] 3)第20层成形结束后用液氩喷射冷却，降低实体墙温度；

[0035] 4)在冷却的实体墙上继续成形第21-第30层；

[0036] 5)重复3)、4)直至第60层成形结束。

[0037] 如图2所示，实体墙下部组织为柱状晶，但由于成形过程中未采取液氩喷射冷却措施，随着实体墙层数的增加，热积累现象严重，熔池凝固时沿Z轴的正温度梯度较小且方向发生变化，所以在实体墙上部柱状晶组织基本消失，90％以上的组织为等轴晶。

[0038] 如图3所示，由于在成形过程中采取了液氩喷射冷却的方法，减小了热积累，随着实体墙层数的增加，熔池内部依然保持了沿Z轴方向较大的正温度梯度，所以实体墙上部组织中依然有80％以上的柱状晶定向组织。