消除SLM成形固溶强化型镍基合金凝固裂纹的改进方法与流程

消除slm成形固溶强化型镍基合金凝固裂纹的改进方法
技术领域
1.本发明属于增材制造工程技术领域，特别涉及一种消除slm成形固溶强化型镍基合金凝固裂纹的改进方法。


背景技术：

2.激光选区熔化(slm)作为一种应用最为广泛的具备高精度成形的增材制造技术，在复杂结构件的一体化制造，零件减重等方面具有传统减材制造无可比拟的优势，在航空航天，医疗器械，能源化工等方面具有极大的应用前景。但是由于激光选区熔化独特的逐层制造特点，高能激光束在极短时间内实现粉末材料熔化，激光束移开后微观熔池在极高的温度梯度下发生凝固，已凝固区域与未凝固区域由于收缩膨胀差异，使得成形构件内部产生极高的残余应力，进而极易导致成形裂纹。对于现有的合金材料中仅有in718，gh4099，316l，ti6al4v等少数几种合金适用于激光选区熔化成形，其中影响材料成形适用性的最主要问题就是高残余应力条件下所导致的成形裂纹。
3.现有合金元素成分大多是基于传统铸造或粉末冶金特点发展而来，为限制凝固过程中的元素偏析一些微量元素被限制在极低的含量。但是对于激光选区熔化成形过程中的微米级别凝固熔池尺寸远低于铸造件厘米或米级别的凝固尺寸，这就导致前者组织更加细密，元素偏析得到明显的抑制。因此基于激光选区熔化成形特点和微观组织特征对已有合金的元素成分进行调整被视为消除成形裂纹的最有效方法。目前，普遍的元素改进方式是减少si，mn，c，hf等晶界偏析元素，来抑制凝固过程中枝晶间液膜的形成，从而降低合金在激光选区熔化过程中的裂纹敏感性。降低枝晶间偏析元素含量虽然可以起到抑制激光选区熔化成形裂纹的作用，但是此类元素含量的降低将会严重影响合金的力学性能，如强度降低，疲劳寿命减少等。
4.对于固溶强化型镍基合金而言为提高其高温性能，一般具有较高含量的w，co，mo等难熔元素，难熔元素含量的提高将进一步增加镍基合金在激光选区熔化成形过程中的裂纹敏感性。如gh3230，gh3536，gh3625等具有极低枝晶间偏析相（体积分数＜2%）的固溶强化型镍基合金，经激光选区熔化成形后仍具有大量的凝固裂纹。因此，急需一种更为有效的元素改进方法来消除激光选区熔化成形镍基合金的裂纹。
5.经研究发现激光选区熔化成形固溶强化型镍基合金裂纹主要在凝固过程中的糊状区形成，此区域枝晶粘结程度低，枝晶间液相无法自由流动并补充收缩孔隙，在残余应力的作用下极易产生裂纹。基于此，本发明首次提出通过合金元素的改进来增加枝晶间偏析液相的含量，通过凝固过程中的液相流动起到缓解凝应力集中和回填收缩孔洞的作用，从而起到消除凝固裂纹。


技术实现要素：

6.为了解决上述技术问题，本发明提供了一种消除slm成形固溶强化型镍基合金凝固裂纹的改进方法，通过引入zr元素来增加枝晶间偏析液相的含量，缓解了激光选区熔化
成形固溶强化型镍基合金在凝固过程中的应力集中，最终实现成形裂纹的消除。最终所获得的组织中无凝固裂纹的存在，力学性能优异的激光选区熔化成形构件。
7.为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：本发明提供了一种消除slm成形固溶强化型镍基合金凝固裂纹的改进方法，所述方法包括如下步骤：步骤s1，在固溶强化型镍基合金粉末中引入zr元素，得到混合粉末，所引入的zr元素含量的质量分数为0.1～3wt.%；引入zr元素的zr源为zr单质或zrh2或zrb2或zrn；步骤s2，将步骤s1得到的混合粉末通过激光选区熔化方法制备固溶强化型镍基合金试样。
8.作为优选，步骤s1中，所述固溶强化型镍基合金为gh3230或gh3536或gh3625。
9.作为优选，步骤s1中在固溶强化型镍基合金粉末中引入zr元素的方法为将zr粉末或zrh2粉末或zrb2粉末或zrn粉末与固溶强化型镍基合金粉末在酒精中进行搅拌混合，随后在50～100℃进行烘干2～5h，得到混合粉末。作为优选，步骤s1中在固溶强化型镍基合金粉末中引入zr元素的方法为在gh3230合金熔炼阶段加入zr粉末或zrh2粉末或zrb2粉末或zrn粉末。
10.作为优选，步骤s1中在固溶强化型镍基合金粉末中引入zr元素的方法为将zr粉末或zrh2粉末或zrb2粉末或zrn粉末与固溶强化型镍基合金粉末通过球磨的方式进行混合。
11.作为优选，步骤s2中激光选区熔化成形固溶强化型镍基合金的成形参数为：激光功率180w，激光扫描速度600mm/s，铺粉厚度25um，熔道间距80um。
12.本发明具有如下有益效果：本发明所提供的一种消除slm成形固溶强化型镍基合金凝固裂纹的改进方法，在固溶强化型镍基合金粉末中引入zr元素，然后将得到的混合粉末通过激光选区熔化方法制备固溶强化型镍基合金试样。本发明对zr元素的添加方法没有严格要求，可以通过合金粉末熔炼阶段加入，也可以后期通过机械混合的方式加入。由于轻质元素h，b，n等在激光选区熔化时会从熔池中挥发，所以zr元素可以以单质的形式引入，也可以以zrh2，zrb2，zrn第二相的形式引入。
13.本发明适用于固溶强化型镍基合金的元素改进，添加zr元素增加凝固过程中枝晶间偏析液相的含量，在最终凝固组织中此偏析液相以固态偏析相的形式存在，其体积分数＞6%。凝固的最后阶段在热应力的作用下枝晶内部存在的残余应力从已凝固区域传递到枝晶间残余的液相区，当残余液相的体积分数＞6%时，液相仍具有很好的流动性可以很好的填充因凝固收缩而产生的空洞及微裂纹，同时高含量液相的存在可以缓冲已凝固固相的应变，避免应应力集中所导致的凝固开裂。基于上述原因可以起到消除激光选区熔化成形固溶强化型镍基合金中凝固裂纹的作用。
14.本发明通过引入zr元素来增加枝晶间偏析液相的含量，缓解了激光选区熔化成形固溶强化型镍基合金在凝固过程中的应力集中，最终实现成形裂纹的消除。最终所获得的组织中无凝固裂纹的存在，力学性能优异的激光选区熔化成形构件。
附图说明
15.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用
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实施例的一些实施例。
16.图1为光学显微镜图片，其中（a）为激光选区熔化成形原始成分gh3230合金光学显微镜图片、（b）为含1.3 wt.%的zr元素的激光选区熔化成形gh3230合金光学显微镜图片、（c）为含0.8 wt.%的zr元素的激光选区熔化成形gh3230合金光学显微镜图片；图2为扫描电子显微镜图片，其中（a）为激光选区熔化成形原始成分gh3230合金扫描电子显微镜图片、（b）为含1.3 wt.%的zr元素的激光选区熔化成形gh3230合金扫描电子显微镜图片、（c）为含0.8 wt.%的zr元素的激光选区熔化成形gh3230合金扫描电子显微镜图片；图3为透射电子显微镜图片，其中（a）激光选区熔化成形原始成分gh3230合金透射电子显微镜图片、（b）为含1.3 wt.%的zr元素的激光选区熔化成形gh3230合金透射电子显微镜图片；图4为对比例1、实施例1、实施例2的室温拉伸曲线对比图。
具体实施方式
17.为使本领域技术人员更好的理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施例对本发明作详细说明。
18.本发明提供了一种消除slm成形固溶强化型镍基合金凝固裂纹的改进方法，所述方法包括如下步骤：步骤s1，在固溶强化型镍基合金粉末中引入zr元素，得到混合粉末，所引入的zr元素含量的质量分数为0.1～3wt.%；引入zr元素的zr源为zr单质或zrh2或zrb2或zrn；所述固溶强化型镍基合金为gh3230或gh3536或gh3625。
19.其中，步骤s1中在固溶强化型镍基合金粉末中引入zr元素的方法可以为将zr粉末或zrh2粉末或zrb2粉末或zrn粉末与固溶强化型镍基合金粉末在酒精中进行搅拌混合，随后在50～100℃进行烘干2～5h，得到混合粉末。步骤s1中在固溶强化型镍基合金粉末中引入zr元素的方法亦可以为在gh3230合金熔炼阶段加入zr粉末或zrh2粉末或zrb2粉末或zrn粉末。步骤s1中在固溶强化型镍基合金粉末中引入zr元素的方法亦可以为将zr粉末或zrh2粉末或zrb2粉末或zrn粉末与固溶强化型镍基合金粉末通过球磨的方式进行混合。步骤s2，将步骤s1得到的混合粉末通过激光选区熔化（slm）方法制备固溶强化型镍基合金试样。步骤s2中激光选区熔化成形固溶强化型镍基合金的成形参数为：激光功率180w，激光扫描速度600mm/s，铺粉厚度25um，熔道间距80um。
20.对比例1gh3230是固溶强化型镍基合金的典型代表，本对比例制备激光选区熔化成形原始成分gh3230合金，步骤如下：步骤s1，将原始成分的gh3230合金粉末利用激光选区熔化设备进行成形制得合金试样，所用成形参数为：激光功率180w，激光扫描速度600mm/s，铺粉厚度25um，熔道间距80um。
21.步骤s2，对步骤s1得到的激光选区熔化成形试样进行光镜，扫描电镜，透射电镜，拉伸性能验证。
22.经激光选区熔化成形后的原始成分的gh3230合金如图1(a)所示，可以看出存在大
量沿成形方向分布的凝固裂纹。从图2(a)可以看出原始成分的gh3230合金枝晶间偏析相含量极低，其体积分数＜1%；进一步地从图3(a)可以看出原始成分的gh3230合金中存在大量的位错，这也侧面反映了合金组织中存在大量的残余应力，由于残余应力的累积也就导致了合金成形组织中存在大量的裂纹。从图4室温拉伸结果可以看出，由于gh3230成形组织中存在大量的凝固裂纹，合金表现出极差的拉伸性能（抗拉强度＜600mpa，延伸率＜5%）。
23.实施例1本实施例提供了一种消除slm成形固溶强化型镍基合金凝固裂纹的改进方法，所述方法包括如下步骤：步骤s1，以zrn颗粒为zr源，zrn与gh3230粉末按质量比1.5:98.5的比例在酒精中进行搅拌混合，经计算引入zr元素的质量分数为1.3wt.%。
24.步骤s2，将步骤s1得到的固液混合物在80℃进行4h的烘干处理。
25.步骤s3，将步骤s2制备的混合粉末利用激光选区熔化设备进行成形制得合金试样，所用成形参数为：激光功率180w，激光扫描速度600mm/s，铺粉厚度25um，熔道间距80um。
26.步骤s4，对步骤s3得到的激光选区熔化成形试样进行光镜，扫描电镜，透射电镜，拉伸性能验证。
27.引入1.3 wt.%的zr元素后，合金中的成形裂纹得到完全消除，如图1(b)所示。与对比例1原始成分gh3230合金（图2(a)）相比,引入1.3wt.%的zr元素后，合金枝晶间偏析相的含量明显增加，其体积分数＞10%，如图2(b)所示。这是由于加入zr元素后增加了凝固过程中枝晶间液相的含量从而导致最终组织中枝晶间偏析相含量增加。从图3(b)可以看出引入1.3 wt.%的zr元素后，合金组织中基本观察不到位错的存在，这是由于zr元素加入后增加了凝固过程中枝晶间液相的含量，凝固过程中由温度梯度产生的热应力在传递到枝晶间的液相时，由于液相的缓冲作用区域应力集中得到缓解，进而避免了合金最终凝固组织的开裂现象。
28.最后对本实施例制备的含1.3 wt.%的zr元素的激光选区熔化成形gh3230合金进行室温拉伸验证。从图4可以看出，由于引入1.3 wt.%的zr元素后使得合金中的裂纹得以消除，抗拉强度达到1025mpa，延伸率达到26.5%，明显高于原始成分gh3230合金的力学性能。
29.实施例2本实施例提供了一种消除slm成形固溶强化型镍基合金凝固裂纹的改进方法，所述方法包括如下步骤：步骤s1，以zrb2颗粒为zr源，zrn与gh3230粉末按质量比为1:99的比例在酒精中进行搅拌混合，经计算引入zr元素的质量分数为0.8wt.%。
30.步骤s2，将步骤s1得到的固液混合物在80℃进行4h的烘干处理。
31.步骤s3，将步骤s2制备的混合粉末利用激光选区熔化设备进行成形制得合金试样，所用成形参数为：激光功率180w，激光扫描速度600mm/s，铺粉厚度25um，熔道间距80um。
32.步骤s4，对步骤s3得到的激光选区熔化成形试样进行光镜，扫描电镜，拉伸性能验证。
33.如图1(c)所示，引入0.8 wt.%的zr元素后，合金中的成形裂纹得到完全消除。从图2(c)可以看出，合金枝晶间偏析相的含量明显增加，其体积分数＞8%。结合图1(c)和图2(c)可以看出，引入zr元素后合金的微观组织与原始成分的gh3230合金存在明显的差异。最后
对本实施例制备的含0.8wt.%的zr元素的激光选区熔化成形gh3230合金进行室温拉伸验证，由于成形合金中裂纹的消除，强度和塑性相对于原始成分gh3230合金明显提高，抗拉强度为1183mpa，延伸率为27%。对比例1、实施例1、实施例2的室温拉伸曲线对比图，如图4所示。
34.由以上技术方案可以看出，本实施例提供消除slm成形固溶强化型镍基合金凝固裂纹的改进方法，适用于固溶强化型镍基合金的元素改进，添加zr元素增加凝固过程中枝晶间偏析液相的含量，在最终凝固组织中此偏析液相以固态偏析相的形式存在，其体积分数＞6%。凝固的最后阶段在热应力的作用下枝晶内部存在的残余应力从已凝固区域传递到枝晶间残余的液相区，当残余液相的体积分数＞6%时，液相仍具有很好的流动性可以很好的填充因凝固收缩而产生的空洞及微裂纹，同时高含量液相的存在可以缓冲已凝固固相的应变，避免应应力集中所导致的凝固开裂。基于上述原因可以起到消除激光选区熔化成形固溶强化型镍基合金中凝固裂纹的作用。本实施例通过引入zr元素来增加枝晶间偏析液相的含量，缓解了激光选区熔化成形固溶强化型镍基合金在凝固过程中的应力集中，最终实现成形裂纹的消除。最终所获得的组织中无凝固裂纹的存在，力学性能优异的激光选区熔化成形构件。
35.以上通过实施例对本发明实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明实施例的示例性实施例，不能被认为用于限定本发明实施例的实施范围。本发明实施例的保护范围由权利要求书限定。凡利用本发明实施例所述的技术方案，或本领域的技术人员在本发明实施例技术方案的启发下，在本发明实施例的实质和保护范围内，设计出类似的技术方案而达到上述技术效果的，或者对申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明实施例的专利涵盖保护范围之内。