一种镍基合金增材制造方法和镍基合金零件转让专利
申请号 : CN202110964864.5
文献号 : CN113414407B
文献日 : 2021-11-30
发明人 : 王宇 , 李会霞 , 朱纪磊 , 程康康 , 车倩颖 , 曹静轩
申请人 : 西安赛隆金属材料有限责任公司
摘要 :
权利要求 :
1.一种镍基合金增材制造方法,其特征在于,包括:构建三维模型,所述三维模型包括零件三维模型、支撑结构三维模型及外壳三维模型,所述支撑结构三维模型设置在所述零件三维模型的外围,所述外壳设置在所述支撑结构三维模型的外围;
对所述三维模型进行切片处理,得到切层数据,对所述切层数据进行扫描路径规划形成扫描路径数据并导入电子束选区熔化扫描设备;
根据所述规划后的扫描路径数据对镍基合金粉末进行选区熔化扫描以得到成形件;
对所述成形件进行分离操作,去除所述外壳及支撑结构得到所述零件工件;
其中,进行选区熔化扫描时,针对每一层切片先扫描成形所述外壳,再扫描成形所述支撑结构,最后扫描成形所述零件,在成形所述零件的同时或成形所述零件后立即采用散焦能量源对扫描成形的所述支撑结构进行加热。
2.根据权利要求1所述镍基合金增材制造方法,其特征在于,所述根据所述规划后的扫描路径数据对镍基合金粉末进行选区熔化扫描以得到成形件的步骤包括:将成形底板预热至预设温度;
将粉仓中的所述镍基合金粉末均匀铺设在预热后的所述成形底板上,对所述镍基合金粉末成形区域进行预热;
对预热后的所述镍基合金粉末进行选区熔化扫描以得到单层实体片层;
重复上述铺粉工艺、铺粉后预热工艺和选区熔化扫描工艺,直至单层实体片层逐层堆积,得到所述成形件。
3.根据权利要求2所述镍基合金增材制造方法,其特征在于,所述预设温度为800℃~
1100℃。
4.根据权利要求1 3任一项所述镍基合金增材制造方法,其特征在于,所述支撑结构的~
厚度大于等于5mm,所述外壳的厚度大于等于5mm;其中,所述支撑结构的厚度为所述外壳内表面与所述零件外表面之间的距离。
5.根据权利要求4所述镍基合金增材制造方法,其特征在于,所述支撑结构由多个页片组成,所述多个页片均匀的立设于所述零件与所述外壳之间并分别与所述零件外表面和外壳内表面垂直连接。
6.根据权利要求5所述镍基合金增材制造方法,其特征在于,所述页片的厚度为2mm~
4mm,所述多个页片位于所述零件一端之间的间距为3mm 5mm。
~
7.根据权利要求1所述镍基合金增材制造方法,其特征在于,所述散焦能量源是电子束或者激光。
8.根据权利要求7所述镍基合金增材制造方法,其特征在于,当所述散焦能量源为激光时,散焦光斑的直径为聚焦光斑的直径的3 5倍,加热功率为200W 300W,光斑移动速度为2~ ~ ~
3m/s,加热时间与所述镍基合金的牌号、所述零件的横截面形状及面积大小相关;
对所述支撑结构进行加热时,在所述加热时间内,从靠近所述外壳的外围向靠近所述零件的内围循环进行扫描加热。
9.根据权利要求7所述镍基合金增材制造方法,其特征在于,当所述散焦能量源为电子束时,其离焦量为0.2V 1.0V,加热电流为35 40mA,束斑移动速度为12 15m/s,加热时间与~ ~ ~
所述镍基合金的牌号、所述零件的横截面形状及面积大小相关;
对所述支撑结构进行加热时,在所述加热时间内,从靠近所述外壳的外围向靠近所述零件的内围循环进行扫描加热。
说明书 :
一种镍基合金增材制造方法和镍基合金零件
技术领域
背景技术
件。镍基合金中存在低于合金熔点的共晶相,容易萌生热裂纹,并且镍基合金塑性差,容易
导致裂纹的扩展。增材制造(3D打印)技术为结构复杂的镍基高温合金零件制造提供了一种
新思路,增材制造过程中,随着熔池的不断移动,成形过程温度场剧烈变化,不断经历着熔
化和凝固过程,因为温度梯度及强化相析出导致零件内存在较大残余拉应力;由于镍基合
金组织中的共晶相熔点低于合金熔点,在热影响区,温度达到共晶相熔点时,就会造成该位
置处共晶相熔化,从而在拉应力的作用下出现热裂纹,称为液化裂纹,并且在随后的循环加
热与冷却过程中,由于应力场的存在,会导致裂纹的进一步扩展,如此往复进行,最终导致
成形零件分布着大量裂纹。
另一方面,主要通过基体的预热和熔覆层的缓冷来降低温度梯度从而实现热应力的减小,
这类方法作用时间较短,效果有限,且热量的输入容易导致低熔点共晶相的熔化,增大裂纹
萌生的风险。
发明内容
结构三维模型的外圈;
散焦能量源对扫描成形的所述支撑结构进行加热。
3mm 5mm。
~
倍,加热功率为200W 300W,光斑移动速度为2 3m/s,加热时间与所述镍基合金的牌号、所述
~ ~
零件的横截面形状及面积大小相关;
40mA,束斑移动速度为12 15m/s,加热时间与所述镍基合金的牌号、所述零件的横截面形状
~
及面积大小相关;
输,使得零件内部的残余拉应力转变为压应力,从而一定程度上抑制裂纹的形成与扩展。
附图说明
的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据
这些附图获得其他的附图。
具体实施方式
全面和完整,并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。所描述的特征、结
构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施方式中。
图是功能实体,不一定必须与物理或逻辑上独立的实体相对应。
所述外壳100设置在所述支撑结构200三维模型外圈;
成形所述支撑结构200,最后扫描成形所述零件300,在成形所述零件300的同时或成形所述
零件300后立即采用散焦能量源对扫描成形的所述支撑结构进行加热;
件300的三维模型,然后再通过对零件300的外表面进行偏移预设距离来构建支撑结构200
和外壳100的三维模型,当然也可以是通过其他的方式进行构建。
平面数据,然后将上一步骤中分解得到的二维平面数据导入电子束选区熔化扫描设备中。
层到三维实体的制造过程;在具体制造过程中,针对每一层切片先扫描成形所述外壳100,
再扫描成形所述支撑结构200,最后扫描成形所述零件300,在成形所述零件300的同时或成
形所述零件300后立即采用散焦能量源对扫描成形的所述支撑结构200进行加热,当电子束
选区熔化扫描设备中有两个能量源即有一个电子束能量源和一个散焦能量源时,可以在采
用聚焦的电子束能量源对零件300进行成形的同时采用散焦能量源对支撑结构200进行加
热;当电子束选区熔化扫描设备中仅有一个能量源即电子束能量源时,在使用聚焦的电子
束成形所述零件300后立即将电子束能量源切换为散焦状态对扫描成形的所述支撑结构
200进行加热,此时加热的支撑结构200膨胀,向零件300产生压力,从而达到抑制裂纹形成
与扩展的作用。示例性的,在对支撑结构200进行加热时,应当先加热靠近外壳100结构的部
分,逐渐向内,最后加热靠近零件300的部分,在一定的加热时间内重复由外逐渐向内的扫
描过程。
然也可以是其他分离方式,在此不作具体的限定。
应力不断向内传输,使得零件300内部的残余拉应力转变为压应力,从而一定程度上抑制裂
纹的形成与扩展。
艺中的“吹粉”现象,该现象的产生会导致成形工件孔隙缺陷,甚至导致成形中断或失败。通
过将成形底板预热至预设的温度并在铺粉后对粉末层进行预热,使得粉床被轻微烧结,一
方面提高了导电率,减少了电荷积累,另一方面,轻微烧结的粉床具有一定的强度,可抵消
电荷斥力,大大降低了“吹粉”现象的产生,使得粉末的温度场更稳定,另外根据实际的保温
需求,当粉末成形区域的温度较低时,在铺粉前需要对粉末的成形区域先进行热补偿,然后
再进行铺粉和后续的铺粉后预热。在进行电子束扫描打印时,根据预先导入设备的扫描路
径对粉层进行逐层扫描,最终可以得到成形件,可采用机械加工工艺对所述成形件进行分
离操作,从而能够得到零件300,当然也可以采用其他工艺进行分离操作,在此不做具体限
定。
供了一个温度基础,通常温度越高,后续粉床越稳定,越不易吹粉,但是较高的温度基础对
支撑结构的热膨胀不利,因此上述温度参数范围下,在一定程度上确保粉床稳定的情况下,
使得支撑结构热膨胀前的初始温度较低,后期的热膨胀较好;优选的,底板预热温度优选为
保证不吹粉的最低温度Tmin,其具体值与合金牌号有关,可通过试验得出,此处不具体展
开。
的距离。具体的,外壳100是用于固定支撑结构200的,外壳100的厚度在5mm以上时,能够对
支撑结构200起到较好的固定,使得支撑结构200受热膨胀时在外壳100的固定作用下尽可
能的向零件300方向产生更大的压力;将支撑结构200的厚度设置于5mm之上,在此厚度之
上,支撑结构200有较好的热膨胀效果;当然支撑结构200和外壳100的厚度也不宜过厚,过
厚的支撑结构200和外壳100容易造成材料的浪费,因此支撑结构200和外壳100的厚度在
5mm 10mm之间(包括端点)为最优。
~
的间距相等。具体的,支撑结构200由多个薄厚相同的页板组成,多个页板位于所述零件300
一端的间距相等,使得页板均匀的分布在零件300周围,均匀分布可使得零件300受力比较
均匀。
间距为3mm 5mm。具体的,所述叶片在上述厚度范围内,一方面可以满足页板的强度要求,不
~
会在热胀过程中破坏或发生大的变形影响铺粉,另一方面不会因为过厚浪费材料;多个页
板之间的间距以紧贴零件端为测量依据,页板之间间隔在上述范围最优,分布间隔过窄,造
成材料浪费,后期去除工作量大,分布间隔过大,则难以保证支撑结构200的加压效果。
~ ~ ~
号、所述零件的横截面形状及面积大小相关;对所述支撑结构进行加热时,在所述加热时间
内,从靠近所述外壳的外圈向靠近所述零件的内圈循环进行扫描加热。示例的,在对支撑结
构200进行加热时,先加热靠近外壳100结构的部分,逐渐向内,最后加热靠近零件300的部
分,在整个加热时间内重复此过程。具体的加热时间主要与镍基合金的牌号、零件300横截
面形状及面积大小有关,另外还受到页板分布间隔、页板厚度、支撑结构厚度及外壳厚度的
影响,一般来说,裂纹敏感性越强的镍基合金种类需要加热的时间越长,零件300横截面面
积越大需要的加热时间越长。加热时间的确定方式为:建立包含合金牌号、外壳厚度、支撑
结构厚度、页板分布间隔、页板厚度、正方形横截面积及加热时间的数据库,根据零件300的
最大横截面确定可包含此截面的最小矩形,通过将此矩形与正方形对比从数据库中选用相
应的加热时间用于整个零件300成形过程中支撑结构的加热;也可先将零件300在高度方向
上进行分段,根据零件300不同段的最大横截面确定可包含此截面的最小矩形,通过将此矩
形与正方形对比从数据库中选用相应的加热时间用于零件300各段成形过程中支撑结构的
加热,可以缩短部分加热时间,提高成形效率。零件300横截面可能为规则或不规则图形,为
了保证应力有效传递至零件300内部抑制裂纹,可通过包含横截面的最小矩形确定加热时
间,即如果加热时间可以保证某矩形横截面的裂纹抑制效果则可以保证包含在此矩形横截
面内不规则截面的裂纹抑制效果。另外,如果零件300横截面为狭长型,则主要需要考虑横
截面短边方向上的应力传输,实践中发现,若包含零件300横截面的最小矩形的长宽比大于
5:1,则可按照矩形的宽作为正方形的边长与数据库对比选用相应的加热时间;若包含零件
300横截面的最小矩形的长宽比小于5:1,则可按照矩形的长作为正方形的边长与数据库对
比选用相应的加热时间。在上述参数条件下,可以有效加热支撑结构使其热胀产生所需的
压力,同时上述参数的加热不至于引起支撑结构表面质量恶化从而影响后续铺粉及成形。
间,正方形横截面以边长10mm为最小值,5mm为间隔递增,加热时间以4s或上一级正方形横
截面的加热时间为最小值,2s为间隔递增,取各试验样块中心处的纵截面观察裂纹,无裂纹
或裂纹少于预期的最小时间即为加热时间。举例来说,合金牌号为IN738,外壳厚度5mm,支
撑结构厚度5mm,页板分布间隔4mm,页板厚度2mm,成形横截面为边长10mm的正方形样块,加
热时间4s时,样块中心处的纵截面存在裂纹;加热时间6s、8s时,样块中心处的纵截面存在
裂纹;加热时间10s时,样块中心处的纵截面无裂纹,则确定加热时间为10s。成形横截面为
边长15mm的正方形样块,初始试验加热时间采用10s,样块中心处的纵截面存在裂纹;加热
时间12s时,样块中心处的纵截面存在裂纹,加热时间14s时,样块中心处的纵截面无裂纹,
则确定加热时间为14s。以此类推,建立数据库。
长与数据库对比,数据库中仅有边长25mm和30mm对应的加热时间,则选用边长30mm的加热
时间;若零件300的最大横截面的最小外包矩形尺寸为28mm×5mm,该最小外包矩形的长宽
比大于5:1,则按照5mm作为正方形的边长与数据库对比,5mm小于数据库中最小的正方形边
长10mm,则选用边长10mm的加热时间。
流为35 40mA,束斑移动速度为12 15m/s,加热时间与所述镍基合金的牌号、所述零件的横
~ ~
截面形状及面积大小相关;对所述支撑结构进行加热时,在所述加热时间内,从靠近所述外
壳的外圈向靠近所述零件的内圈循环进行扫描加热。示例的,在对支撑结构200进行加热
时,先加热靠近外壳100结构的部分,逐渐向内,最后加热靠近零件300的部分,在一定的加
热时间内重复由外逐渐向内的扫描过程。具体的加热时间主要与镍基合金的牌号、零件300
横截面形状及面积大小有关,另外还受到页板分布间隔、页板厚度、支撑结构厚度及外壳厚
度的影响,一般来说,裂纹敏感性越强的镍基合金种类需要加热的时间越长,零件300横截
面面积越大需要的加热时间越长。加热时间的确定方式与能量源为激光时类似,通过比对
数据库确定,数据库的建立方式也与能量源为激光时类似,通过成形试验建立。在上述参数
条件下,可以有效加热支撑结构使其热胀产生所需的压力,同时上述参数的加热不至于引
起支撑结构表面质量恶化从而影响后续铺粉及成形。
体为一个发射电子束的能量源,一个发射激光的能量源,成形方法包括以下步骤:
加厚度5mm的外壳100三维模型将零件300包围,在外壳100与零件300之间添加厚度为5mm的
支撑结构200,支撑结构为多个均匀的立设于零件300与外壳100之间的页板组成,页板厚度
为2mm,靠近零件端的分布间隔为3mm;
先扫描成形外壳100,再扫描成形支撑结构200,最后扫描成形零件300,在对零件300层进行
扫描熔化的同时,采用散焦激光光斑对已成形的支撑结构200层面进行扫描加热,加热时先
加热页板靠近外壳结构的部分,逐渐向内,最后加热页板靠近零件的部分,在整个加热时间
内重复由外逐渐向内的扫描过程,具体的加热功率为300W,光斑直径为聚焦光斑直径的5
倍,光斑移动速度为2m/s,包含该零件300最大横截面的最小外接矩形长宽比大于5:1,则按
照14mm作为正方形的边长与数据库对比确定加热时间为14s。
方法包括以下步骤:
加厚度5mm的外壳100三维模型将零件300包围,在外壳100与零件300之间添加厚度为5mm的
支撑结构200,支撑结构为多个均匀的立设于零件300与外壳100之间的页板组成,页板厚度
为2mm,靠近零件端的分布间隔为3mm;
先扫描成形外壳100,再扫描成形支撑结构200,最后扫描成形零件300,在对零件300层进行
扫描熔化后立即利用散焦的电子束,对已成形的支撑结构200层面进行扫描加热,加热时先
加热页板靠近外壳100结构的部分,逐渐向内,最后加热页板靠近零件300的部分,在整个加
热时间内重复由外逐渐向内的扫描过程,具体的加热电流为40mA,离焦量为0.5V,束斑移动
速度为13.6m/s,含该零件300最大横截面的最小外接矩形为边长14mm的正方形,与数据库
对比确定加热时间为10s。
应力不断向内传输,使得零件300内部的残余拉应力转变为压应力,从而一定程度上抑制裂
纹的形成与扩展。
对零件300产生压应力,应力不断向内传输,使得零件300内部的残余拉应力转变为压应力,
从而一定程度上抑制裂纹的形成与扩展,使得镍基合金零件中的裂纹极大程度减少。
“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系,仅是为了便于描述
本发明实施例和简化描述,而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以
特定的方位构造和操作,因此不能理解为对本发明实施例的限制。
隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明实施例的描述中,“多个”的含义是两个或两
个以上,除非另有明确具体的限定。
是机械连接,也可以是电连接;可以是直接相连,也可以通过中间媒介间接相连,可以是两
个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言,可以根
据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
通过它们之间的另外的特征接触。而且,第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括
第一特征在第二特征正上方和斜上方,或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一
特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方,或仅
仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中,对上述术语的示意性表述不
必须针对的是相同的实施例或示例。而且,描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任
何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外,本领域的技术人员可以将本说
明书中描述的不同实施例或示例进行接合和组合。
者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括本发明未公开的本技术领域中的公知常识
或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的,本发明的真正范围和精神由所附的
权利要求指出。