一种抑制LPBF成形镍基高温合金开裂的梯度原位重熔方法

本发明属于金属增材制造，具体涉及一种抑制lpbf成形镍基高温合金开裂的梯度原位重熔方法。

背景技术：

1、镍基高温合金因其优异的高温强度、抗蠕变性能及抗氧化腐蚀能力，被广泛应用于航空发动机和燃气轮机热端关键构件。随着复杂结构一体化设计需求的提升，增材制造技术逐渐成为制备复杂镍基高温合金构件的重要手段。其中，激光粉末床熔融技术（laserpowder bed fusion，lpbf）凭借高成形精度、高材料利用率及良好的组织可控性，在高温合金制造领域展现出显著优势。然而，镍基高温合金属于典型的凝固裂纹敏感材料，该类合金通常含有较高含量的al、ti、nb等强化元素，凝固过程中易发生元素偏析与低熔点共晶相富集，在枝晶间形成连续液膜。当lpbf过程中高能量密度激光作用产生极高的温度梯度（g）与冷却速率（r）时，凝固收缩与热应力叠加，极易在凝固末期形成凝固裂纹或液化裂纹。尤其在成形高度增加后，由于多层重复热循环作用，基板散热能力减弱，构件内部热累积逐渐增强，导致熔池尺寸扩大、冷却条件改变及热应力分布失衡，从而进一步提高裂纹萌生与扩展风险。

2、现有技术中，针对lpbf镍基高温合金开裂问题，主要通过优化合金成分、降低扫描线能量密度、调整扫描策略或实施基板预热等方式进行调控。例如降低线能量输入以减小熔池宽深比，或通过提高基板温度以降低温度梯度，从而缓解热应力集中。但上述方法多为全程恒定工艺参数控制，未充分考虑构件成形过程中热历史随沉积高度动态演变的特征。实际成形过程中，随着沉积层数增加，构件内部热场由初期的强散热状态逐步转变为高热积累状态，若仍采用恒定重熔或恒定能量输入策略，易在高层区域产生过度重熔或局部过烧现象，加剧组织粗化及残余应力累积。

3、在lpbf过程中引入原位重熔策略，通过对已成形层进行二次激光扫描，实现熔池再凝固与组织均匀化，以改善孔隙缺陷与元素偏析问题。然而，现有原位重熔方法通常采用固定重熔功率或固定线能量密度，未针对沉积高度变化所引起的热累积差异进行分区调控，难以实现对不同高度区域热输入的精准匹配。

4、因此，针对lpbf成形镍基高温合金过程中热累积随高度递增、裂纹敏感性增强的技术问题，有必要提出一种能够根据成形高度变化实施能量梯度调控的原位重熔方法。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供一种抑制lpbf成形镍基高温合金开裂的梯度原位重熔方法。该方法通过将lpbf成形的三维构件进行高度分区，并在不同高度分区内采用梯度分布的重熔能量密度，实现对三维构件热历史以及熔池热行为的调控，从而降低热应力与凝固裂纹倾向，提高三维构件的组织均匀性与力学性能稳定性，解决了lpbf过程中随着沉积高度增加而产生的热积累效应及由此引发的组织不均匀和热裂纹问题。

2、为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种抑制lpbf成形镍基高温合金开裂的梯度原位重熔方法，其特征在于，该方法具体为：采用激光粉末床熔融工艺对金属粉末进行逐层扫描成形，以形成三维构件，并在每层扫描成形完成后对已成形层原位进行重熔扫描，同时沿着三维构件的构建方向进行高度分区，并在不同高度分区内设置不同的重熔工艺参数，使得重熔能量密度沿构建方向形成梯度分布，以调控成形过程中的温度梯度和冷却速率。

3、上述的一种抑制lpbf成形镍基高温合金开裂的梯度原位重熔方法，其特征在于，根据三维构件的总高度h与基板热影响特征长度lc的比值确定高度分区方式：

4、

5、其中，πh为无量纲高度参数。

6、上述的一种抑制lpbf成形镍基高温合金开裂的梯度原位重熔方法，其特征在于，所述基板热影响特征长度lc满足：

7、

8、其中k为经验常数，α为镍基高温合金的热扩散率，τ为三维构件层间热扩散时间。

9、为了合理确定分区，本发明基于瞬态热传导理论建立热扩散尺度模型，获得基板热影响特征长度lc的满足条件，并进一步构建三维构件的总高度h与基板热影响特征长度lc之间的无量纲判据πh，利用πh处于不同范围时三维构件内部热场状态不同，据此确定不同的分区方式和重熔控制策略。

10、上述的一种抑制lpbf成形镍基高温合金开裂的梯度原位重熔方法，其特征在于，所述三维构件层间热扩散时间τ由以下几部分组成：

11、

12、其中tscan为单层成形的激光扫描时间，trecoat为单层的铺粉时间，tdelay为成形设备控制延迟、振镜回位和气流稳定的时间。

13、上述的一种抑制lpbf成形镍基高温合金开裂的梯度原位重熔方法，其特征在于，当πh≤1时，以基板散热为主导，无需分区；当1＜πh＜3时，热累积增强，但三维构件内部热场仍受基板散热显著影响，采用比例分区方式；当πh≥3时，三维构件上部区域热场逐渐趋于稳定，采用绝对高度分区方式。

14、第一种为比例分区方式。当三维构件的高度相对于热扩散尺度较小，即三维构件整体仍处于基板散热主导阶段时，可根据三维构件总高度的比例对三维构件进行分区，并在不同高度区间设置不同的重熔能量密度，使重熔能量密度随沉积高度增加逐渐降低，以适应逐渐增强的热积累效应。

15、第二种为绝对高度分区方式。当三维构件高度较大、沉积高度远大于热扩散特征尺度时，三维构件上部区域的热场已趋于稳定，此时采用固定的高度区间进行分区控制，根据三维构件距基板的绝对高度设置不同的重熔参数，使重熔能量密度在不同高度区间呈梯度变化，以避免高温热积累导致的熔池过热和热应力集中。

16、上述的一种抑制lpbf成形镍基高温合金开裂的梯度原位重熔方法，其特征在于，当πh≤1时，整体采用恒定低重熔能量密度进行重熔扫描；当πh＞1时，对不同高度分区分别施加不同的原位重熔能量密度，实现自下而上递减或分段调控的重熔控制；

17、所述比例分区方式将三维构件沿总高度h分为3个区：

18、（1）第一分区：0

19、（2）第二分区：0.2h

20、（3）第三分区：0.6h≤z3≤h；z3为第三分区的高度；

21、所述绝对高度分区方式的分区包括：

22、（1）基板控制区：0＜x1≤lc；x1为基板控制区的高度；

23、（2）热场建立区：lc＜x2＜3lc；x2为热场建立区的高度；

24、（3）准稳态区：x3≥3lc；x3为准稳态区的高度。

25、上述的一种抑制lpbf成形镍基高温合金开裂的梯度原位重熔方法，其特征在于，当πh≤1时，整体重熔能量密度为成形能量密度的0.6~0.7倍，当1<πh≤6时，第一分区/基板控制区的重熔能量密度为成形能量密度的0.8~0.9倍，第二分区/热场建立区的重熔能量密度为成形能量密度的0.7~0.8倍，第三分区/准稳态区的重熔能量密度为成形能量密度的0.6~0.7倍。

26、上述的一种抑制lpbf成形镍基高温合金开裂的梯度原位重熔方法，其特征在于，当πh＞6时，所述基板控制区的重熔能量密度为成形能量密度的0.8~0.9倍，所述热场建立区的重熔能量密度为成形能量密度的0.7~0.8倍，所述准稳态区取消原位重熔。由于当πh＞6时，所述准稳态区热历史已经稳定，不再存在“持续恶化”的热积累，可取消原位重熔。

27、上述的一种抑制lpbf成形镍基高温合金开裂的梯度原位重熔方法，其特征在于，当检测到三维构件的缺陷类型为未熔合孔隙时，在准稳态区仍保留低能量重熔控制，重熔能量密度为成形能量密度的0.6~0.7倍。通过控制，重熔能量密度以在一定程度上消除未熔合孔隙。

28、上述的一种抑制lpbf成形镍基高温合金开裂的梯度原位重熔方法，其特征在于，所述重熔能量密度梯度分布通过调节扫描速度或激光功率实现。

29、本发明与现有技术相比具有以下优点：

30、1、本发明通过将lpbf成形的三维构件进行高度分区，并在不同高度分区内采用梯度分布的重熔能量密度进行重熔，即随着沉积高度的增加，逐步降低重熔能量密度，实现对三维构件热历史以及熔池热行为包括热输入与凝固行为的分区优化调控，以补偿lpbf过程中热积累逐渐增强所导致的熔池温度升高与冷却速率降低，从而在保证成形层充分致密化的同时，抑制三维构件尤其是其中的高层区域因过度热积累引发的裂纹萌生与扩展，降低热应力与凝固裂纹倾向，提高三维构件的结构完整与冶金质量，进而提高三维构件的组织均匀性与力学性能稳定性。

31、2、本发明通过引入基于热扩散尺度的高度分区思想，建立比例分区与绝对高度分区相结合的梯度重熔控制方法，使得重熔工艺参数能够根据三维构件沉积高度变化进行动态调整，从而有效降低热积累效应，减小残余应力和凝固裂纹倾向，提高lpbf成形三维构件的组织均匀性和成形质量。

32、3、本发明中采用比例分区与绝对高度分区相结合的梯度重熔控制方法，可根据三维构件尺寸及热扩散特性灵活选择适用的控制策略，实现重熔能量密度沿构建方向的自适应调节，从而有效控制lpbf过程中随沉积高度变化的热历史条件，简单高效，适于实际应用。

33、下面通过附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的详细描述。