一种使用增材制造技术制备镍基合金定向双晶的方法与流程

1.本发明涉及增材制造技术领域，尤其涉及一种使用增材制造技术制备镍基合金定向双晶的方法。


背景技术：

2.由于具有良好的综合性能及成熟的制备工艺，镍基高温合金被广泛的应用于航空、航天、军事等领域。由于金属单晶材料制备价格高昂，因此实际应用中以金属多晶材料为主。在金属多晶材料中存在着各种影响其使用性能的缺陷，其中晶界是其无法避免的缺陷之一，因此有关晶界的研究对于提升金属的力学、化学性能十分重要。在以往的研究中，常常使用多晶试样研究晶界的结构及性质对材料宏微观性能的影响。但由于多晶试样中晶粒尺寸不一、晶界类型复杂等因素的干扰，使得研究往往难以清晰明了的解释不同晶界与性能的内在联系。与之相比，使用具有单个晶界的定向双晶更有利于排除干扰，获得较易分析的实验结果。
3.金属增材制造技术的典型特点是无模成型，且无论是基于粉床还是基于送粉/丝的增材制造技术在加工过程中，其分层堆积的方向即为温度梯度最大的方向，这也是金属增材制造时容易产生柱状晶的原因。使用两块不同晶向且紧靠在一起的籽晶作为生长源，金属粉末或丝材作为晶料源，理论上可以制造沿分层方向生长的大尺寸定向双晶。
4.目前，金属双晶体在晶界科学研究中有着很大的作用，但关于金属双晶材料制备的研究很少。由于增材制造技术可以提供一个沿分层堆积方向的最大温度梯度，使得金属凝固时的固液界面一直沿分层方向远离籽晶，并且生长过程中无需模具控制晶体的几何形状，因此可用于制备几何尺寸较大的定向双晶。


技术实现要素：

5.基于此，本发明提供一种使用增材制造技术制备镍基合金定向双晶的方法，该方法具有生产周期短、成本低的优势。
6.一种使用增材制造技术制备镍基合金定向双晶的方法，其包括：
7.s1、设计所需制备的镍基合金定向双晶的三维几何模型；
8.s2、将镍基合金定向双晶的三维几何模型进行处理，并导入到增材制造设备的系统中；
9.s3、选用合适尺寸和晶向的两块籽晶，相互紧靠后固定在打印基板上；
10.s4、打印基板与冷却装置安装在一起，通过冷却装置对打印基板进行冷却；
11.s5、选用镍基合金的丝材，并根据丝材的特性设计增材制造的工艺参数；
12.s6、按预定打印路径成形所需的定向双晶。
13.在其中一个实施例中，步骤s6之后还包括步骤：
14.s7、将打印好的定向双晶与打印基板分离；
15.s8、对获得的定向双晶沿沉积方向的垂直面切割并制备金相试样，通过电子背散
射衍射法检测定向双晶的取向和取向差。
16.在其中一个实施例中，所述步骤s3中，所述打印基板中的一种为平板。
17.在其中一个实施例中，所述步骤s3中，所述打印基板中的一种为带漏斗形凹面的耐高温陶瓷基板，所述漏斗形凹面的底部中心位置处设有安装孔，两块所述籽晶相互紧靠并安装在所述安装孔内。
18.在其中一个实施例中，所述打印基板上固定有耐高温陶瓷套，所述耐高温陶瓷套的底部中心位置处设有籽晶孔，两块所述籽晶相互紧靠并安装在所述籽晶孔内。
19.在其中一个实施例中，所述冷却装置包括冷却箱，所述冷却箱上设有循环冷却水入口和循环冷却水出口，所述循环冷却水入口的高度小于所述循环冷却水出口的高度。
20.在其中一个实施例中，所述增材制造中的工艺参数包括：电子束、电弧或激光功率、送丝速率和分层厚度。
21.上述使用增材制造技术制备镍基合金定向双晶的方法，具有以下优点：
22.1)、本发明可制备镍基高温合金的大尺寸定向双晶。
23.2)、本发明可制备水平方向尺寸快速放大的定向双晶。
24.3)、使用增材制造技术，节约了制造周期、节约了成本。
附图说明
25.为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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。
26.图1是本发明的方法流程图；
27.图2是本发明一实施例的定向双晶制备状态图；
28.图3是本发明另一实施例的定向双晶制备开始状态图；
29.图4是本发明另一实施例的定向双晶制备结束状态图；
30.图5是本发明放大后的定向双晶上制备金属双晶零件的结构示意图；
31.图6是本发明又一实施例的打印基板的结构示意图。
具体实施方式
32.为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳的实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。
33.需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。
34.除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具
体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
35.本发明的主要构思在于：通过软件对所需生长的双晶进行几何建模和切片处理，再将两块具有特定取向的籽晶以机械或冶金结合的方式紧密相邻地固定于打印基板上，然后，使用增材制造设备将金属丝材融化成液滴按预先生成的路径累积在籽晶上，最后分离金属双晶与打印基板，获得几何尺寸较大的定向双晶。其中，增材制造设备使用的电子束、电弧或激光为热源，镍基合金的丝材为晶料源，将镍基合金的丝材熔化成液滴，按预设路径逐层沉积在固定在打印基板上的两块相紧邻的籽晶上，沿籽晶生长出定向镍基合金双晶。
36.参阅图1、图2和图5所示，本发明一实施例提供一种使用增材制造技术制备镍基合金定向双晶的方法，其包括：
37.s1、设计所需制备的镍基合金定向双晶的三维几何模型。
38.s2、将所述镍基合金定向双晶的三维几何模型进行处理，并导入到增材制造设备的系统中；本实施例中，增材制造设备所使用的能量源可以是电子束、电弧或激光等。
39.s3、选用合适尺寸和晶向的两块籽晶，相互紧靠后固定在打印基板1上；本实施例中，两块籽晶可以包括相互紧靠的a籽晶2和b籽晶3。
40.s4、打印基板1与冷却装置6安装在一起，通过冷却装置6对打印基板1进行冷却；本实施例中，要求打印基板1的导热性好，以便于在打印过程中能及时散热。
41.s5、选用镍基合金的丝材4，并根据所述丝材4的特性，设计增材制造的工艺参数；本实施例中，所述增材制造中的工艺参数包括：激光功率、送丝速率和分层厚度等。
42.s6、按预定打印路径成形所需的定向双晶7。
43.具体地，所述步骤s6之后还包括步骤：
44.s7、将打印好的定向双晶7与打印基板1分离；分离方式可以通过切割分离、轻微的机械敲击等，其不会对打印基板1产生破坏，打印基板1可反复利用。
45.s8、对获得的定向双晶7沿沉积方向的垂直面切割并制备金相试样，通过电子背散射衍射法检测定向双晶的取向和取向差。
46.在本发明一实施例中，所述步骤s3中，所述打印基板1中的一种为平板。如此，可以保证打印基板1的表面平整，便于双晶金属零件7的打印。
47.在本发明另一个实施例中，参阅图3
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4所示，所述步骤s3中，所述打印基板1中的一种为带漏斗形凹面的耐高温陶瓷基板，所述漏斗形凹面的底部中心位置处设有安装孔10，两块所述籽晶(a籽晶2和b籽晶3)相互紧靠并安装在所述安装孔10内。本实施例中，在打印基板1上加工锥形凹面，可用于制备垂直方向尺寸与水平方向尺寸同时放大的金属双晶，并且能实现打印基板1的重复利用。需要说明的是，必须保证漏斗形凹面的锥度满足增材制造设备的运动需求，在打印每层的最大直径的一圈熔覆道时，送丝装置5不与漏斗型形凹面碰撞。
48.还需要说明的是，本实施例中的所述打印基板1要求导热性好，不在打印中出现局部区域的熔化，且该打印基板1的材质在打印中不与所打印金属反应。为保证打印过程中的最大温度梯度方向，所有打印基板1还需加工用于通冷却液的冷却水道。
49.在本发明又一个实施例中，参阅图6所示，所述打印基板1上固定有耐高温陶瓷套8，所述耐高温陶瓷套8的底部中心位置处设有籽晶孔9，两块所述籽晶(a籽晶2和b籽晶3)相
互紧靠并安装在所述安装在籽晶孔9内。本实施例中，将带漏斗型形凹面部分做成一个带凸缘的耐高温陶瓷套8，可通过更改锥度，制造不同水平方向放大速度的嵌块，必要时更换相应的耐高温陶瓷套8即可，其可以避免更换整块打印基板1，从而可以满足多个规格的金属双晶的生长需求，本发明在满足打印基板1重复利用的同时，再次降低打印基板1的制造与使用成本。
50.在本发明一实施例中，所述冷却装置6包括冷却箱61，所述冷却箱61上设有循环冷却水入口62和循环冷却水出口63，所述循环冷却水入口62的高度小于所述循环冷却水出口63的高度。
51.以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
52.以上所述实施例仅表达了本技术的几种实施方式，但并不能因此而理解为对本技术专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本技术构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本技术的保护范围。因此，本技术专利的保护范围应以所附权利要求为准。