一种抑制合金构件液化裂纹的方法、合金构件

本发明涉及金属增材制造领域，具体涉及一种抑制合金构件液化裂纹的方法、合金构件。

背景技术：

1、增材制造能够直接由数字模型成形复杂金属构件，具有材料利用率高、制造周期短、无需专用模具等优势，适用于航空航天、能源动力等领域的大型复杂构件制造。

2、定向能量沉积技术（directed energy deposition，简称 ded）作为一种典型金属增材制造工艺，以激光等高能束为热源，同步送粉并逐层熔覆，具有沉积效率高、成形尺寸不受粉床幅面限制、便于制造和修复大型构件等特点。然而，对于镍基合金（gh4169、gh3536）、镁合金（mb2、zm5）、铝合金（2a12、7a04）等多类材料在制造过程中均存在液化裂纹开裂问题导致其无法成形。液化裂纹的本质在于：热影响区内晶界处的低熔点共晶或偏析相发生再熔化，形成连续或半连续的晶间液膜，并在凝固收缩力作用下被拉伸开裂，从而产生晶间裂纹。

3、针对ded过程中的液化裂纹，现有抑制方法主要包括三类：一是工艺参数调控，例如调控激光功率、扫描速度、扫描策略和增加粉末或基板预热以改进优化热输入与熔池形貌，降低热梯度与残余拉应力，然而抑制效果通常有限；二是合金成分设计，可以通过调整易偏析元素含量，减少低熔点相形成、细化晶粒、强化晶界，从而降低液化裂纹敏感性，但合金成分设计会改变原有合金成分，不利于既有材料体系的直接应用；三是后处理方法，例如热等静压（hip）等能够改善内部孔隙和部分闭合缺陷，但对表面裂纹不起作用，且会导致微观组织粗化从而降低强度。

4、因此，亟需发展一种不改变合金成分、能够与ded逐层成形过程耦合的原位液化裂纹抑制工艺，同时兼顾微观组织改善和力学性能提升的新策略。

技术实现思路

1、本发明提供了一种抑制合金构件液化裂纹的方法、合金构件，本发明在不改变合金成分的条件下抑制了液化裂纹，改善了微观组织，提高了力学性能。

2、本发明提供了一种抑制合金构件液化裂纹的方法，包括以下步骤：

3、采用定向能量沉积技术对合金粉末进行逐层沉积，得到合金构件；

4、每沉积1层后，对所得沉积层施加下压载荷进行轧制；

5、所述轧制的温度为25~200℃；

6、每层沉积的激光功率为900~1500 w，激光扫描速度为300~1200 mm/min，送粉率为6~7 g/min；

7、每层沉积层施加的下压载荷独立地为9~10kn。

8、优选的，所述合金粉末包括镍基合金粉末、镁合金粉末或铝合金粉末。

9、优选的，所述镍基合金的型号包括gh4169或gh3536，所述镁合金的型号包括mb2或zm5，所述铝合金的型号包括2a12或7a04。

10、优选的，所述合金粉末的粒径为53~150 μm。

11、优选的，每层沉积的光斑直径1.5~2.5 mm，层厚0.35~0.45 mm，搭接率40~60%。

12、优选的，所述轧制的路径与沉积的路径相同。

13、优选的，每层沉积层轧制的道次独立地为1~3次。

14、优选的，每道次轧制的速度独立地为每层沉积时激光扫描速度的50~150%。

15、本发明还提供了上述技术方案所述方法制备的合金构件。

16、本发明在ded每层沉积完成后实施层间强化（即轧制），通过下压载荷实现塑性变形向沉积层引入残余压应力，显著抵消层内残余拉应力，直接削弱液化裂纹萌生所需的力学驱动力：残余拉应力是液化裂纹形成的重要驱动力，一旦残余拉应力超过材料极限，裂纹即会萌生与扩展，而轧制已被证实能够有效缓解增材制造构件的残余拉应力，从而从应力根源上削弱液化裂纹的形成条件；其次，轧制引入的高密度位错在后续沉积热循环触发下驱动再结晶，且再结晶温度低于共晶相熔点，促使粗大柱状晶优先转变为细小等轴晶，并同步将连续的共晶相破碎为弥散颗粒，此后即使热循环再次达到共晶熔点，重新熔化的液相也因彼此孤立而无法连通形成连续液膜，相较于纯工艺参数调控无法改变已形成的连续液膜、热等静压等后处理难以实现全厚度裂纹闭合的不足，本发明通过逐层原位重构组织从根源上消除了液化裂纹的萌生基础，保障了大型构件全厚度范围的裂纹防控效果一致性；此外，轧制诱发的再结晶行为可以显著细化晶粒，从而使单位晶界上分配的热应力大幅降低，降低了液化裂纹敏感性（其机理在于细晶组织增加了晶界密度，使单位晶界上分配的热应力显著降低，同时晶界面积的增大也避免了液化相在局部晶界处富集，从而降低了液膜形成与开裂的风险），细晶组织避免了枝晶间的相互接触和锁定，在半固态阶段即可有效抑制撕裂源的形成，从而更充分地容纳收缩应变，大幅提高合金的延性和抗裂性。

17、本发明通过对轧制的温度、激光功率、激光扫描速度、送粉以及下压载荷的调整降低了裂纹风险。

18、因此，本发明不改变合金原有成分，完整保留了合金的性能，可通过在现有定向能量沉积设备上加装层间强化装置实现，工艺集成度高，且逐层原位同步处理确保了整个构件的质量一致性，适用于大型复杂合金结构件的制造，实现了不改变合金体系下的液化裂纹原位闭合、组织调控与全流程防控。

1.一种抑制合金构件液化裂纹的方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述合金粉末包括镍基合金粉末、镁合金粉末或铝合金粉末。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述镍基合金的型号包括gh4169或gh3536，所述镁合金的型号包括mb2或zm5，所述铝合金的型号包括2a12或7a04。

4.根据权利要求2或3所述的方法，其特征在于，所述合金粉末的粒径为53~150 μm。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，每层沉积的光斑直径为1.5~2.5 mm，层厚为0.35~0.45 mm，搭接率为40~60%。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述轧制的路径与沉积的路径相同。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，每层沉积层轧制的道次独立地为1~3次。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，每道次轧制的速度独立地为每层沉积时激光扫描速度的50~150%。

9.权利要求1~8任一项所述方法制备的合金构件。