一种增材制造Inconel939镍基高温合金晶粒取向分布的调控方法

一种增材制造inconel 939镍基高温合金晶粒取向分布的调控方法
技术领域
1.本发明涉及金属增材制造技术，特别涉及一种增材制造inconel 939镍基高温合金晶粒取向分布的调控方法。


背景技术：

2.inconel 939是1960年研制的一种以γ
′
沉淀相为主要强化相的镍基高温合金，具有很高的抗蠕变性、耐腐蚀性、抗氧化性，并且在850℃时能够保持微观结构稳定性，广泛用于制造燃气轮机的叶片、燃料喷嘴、护环、扩散器和其他结构部件。
3.传统高温合金材料制件主要通过铸造、锻造及机加工的方式来成形，但是随着技术的不断更替，对合金部件性能的要求越来越高，而且在零件的复杂性上也有了更高的要求，比如在航空发动机中的叶片中的冷却内腔，传统的成形工艺无法满足这方面的发展需求。而增材制造具有加工自由化的特点，能够实现材料的一体化成形，在高复杂度零件的制造、复杂零件的拓扑优化方面有着得天独厚的优势，同时激光粉末床熔融的成形精度高、成形周期短、材料利用率高，已经成为航天发动机精密部件的快速成形与优化设计发展的关键方向。
4.激光粉末床熔融incoenl 939的过程中，一般可以看到沿着成形方向生长的柱状晶粒，而且由于激光粉末床熔融通过逐层沉积的方式成形样块，柱状晶的生长可能出现跨越几层的连续外延。然而由于已沉积层充当散热基板，同时激光束作用在粉末上形成熔池时，熔池的底部和顶部由于离激光热源远近不同，造成了熔池不同位置处的温度梯度和凝固速率不同，导致凝固时晶粒生长取向发生差异，柱状晶的外延生长就会受到影响。而工艺参数可以影响熔池的热行为，采用不同的工艺参数会使晶粒生长过程中的择优取向发生变化，从而导致不一样的晶粒取向分布。


技术实现要素：

5.发明目的：本发明的目的是提供一种增材制造inconel 939镍基高温合金晶粒取向分布的调控方法。
6.技术方案：所述的增材制造inconel 939镍基高温合金晶粒取向分布的调控方法，包括步骤如下：
7.(1)将inconel 939合金粉末放在烘干机中去除粉末中的水分残留，并利用筛网将不符合粒径要求的金属粉末颗粒去除；
8.(2)选取基板，并用砂纸在基板表面进行打磨，去除表面氧化皮以及可能存在的其他杂质；
9.(3)安装粉仓、打印仓、回收仓，将基板安装在打印仓，调节打印仓高度，使其略高于打印平台，然后在粉仓中装入inconel 939粉末；
10.(4)安装刮刀，使其与基板表面贴合，然后移动刮刀，将粉床中的粉末均匀平铺在
打印平台；
11.(5)充入氩气进行气氛保护，同时在激光粉末床熔融机器操作界面导入样块的切片文件，然后输入激光打印工艺参数。激光逐层扫描，打印样块。
12.进一步地，步骤(1)中，inconel 939粉末的粒径范围为15μm～50μm；
13.进一步地，步骤(5)中，每层的铺粉厚度为0.02mm～0.03mm，扫描间距为0.04mm～0.07mm；
14.进一步地，步骤(5)中，能量密度e在40j/mm3～100j/mm3之间；
15.进一步地，步骤(5)中，激光扫描策略为层内往复扫描，逐层旋转67
°
；
16.进一步地，步骤(5)中，要获得大比例的具有随机取向的等轴晶粒，激光功率范围为55w～115w，扫描速度范围为550mm/s～950mm/s；要获得《001》取向柱状晶粒，激光功率范围为135w～175w，扫描速度范围为1100mm/s～1500mm/s。
17.本发明的的技术原理：
18.在激光粉末床熔融沉积过程中，已沉积层作通常为热量散失主要途径，热流大致垂直于熔池界面，由于温度梯度与热流方向平行，所以理想情况下会在熔池界面的法线方向形成最大温度梯度，枝晶也将沿着熔池梯度即熔池界面的法线方向向熔池中心进行生长。然而，在试样的逐层打印过程中，在熔池界面的法线方向并不总是熔池的最大温度梯度方向。这是因为激光束的高斯热源加热粉末形成熔池的过程中，熔池中心与边缘出现温度差异引发表面张力梯度，从而导致由熔池中心到边缘外侧的热毛细对流，使得熔池内部的散热以及熔体的流动发生变化。对于inconel 939镍基高温合金合金，《001》取向是其择优取向，包含[100]、[010]、[001]、和这6个择优方向。在激光沉积inconel 939合金的过程中，枝晶的生长方向满足最小速度原则，即枝晶的生长方向是与热流最接近的择优方向，就是说枝晶的生长方向同时受控于熔池内部的最大温度梯度方向和择优取向机制。
[0019]
温度梯度g和凝固速度v的比值决定着枝晶形态，g/v值变小，枝晶形态依次从胞状晶、柱状晶、等轴晶转变。在较低的激光功率与扫描速度下，主要影响熔池中温度梯度g，温度梯度减小，导致g/v值减小，有利于等轴晶形成；在较大激光功率与扫描速度下，温度梯度g增大，导致g/v值增大，有利于柱状晶形成。
[0020]
有益效果：本发明与现有技术相比，具有如下优势：利用激光能量密度确定激光粉末床熔融inconel 939成形工艺窗口后，通过调节激光功率与扫描速度，改变晶粒生长过程中的温度梯度和凝固速率，获得具备不同取向的晶粒。
附图说明
[0021]
图1为本发明方法的激光扫描策略示意图；
[0022]
图2为本发明方法制备具有不同取向的inconel 939合金晶粒形貌图，其中，(a)大比例具有随机晶粒取向的等轴晶；(b)大比例具有《001》晶粒取向的柱状晶。
具体实施方式
[0023]
实施例1
[0024]
一种增材制造inconel 939镍基高温合金晶粒取向分布的调控方法，调节激光功
率和扫描速度，获得随机取向的等轴晶，具体实施步骤如下：
[0025]
(1)将inconel 939合金粉末放在烘干机中去除粉末中的水分残留，并利用筛网将不符合粒径要求的金属粉末颗粒去除，最后合金粉末粒径为15～50μm；
[0026]
(2)选取基板，并用砂纸在基板表面进行打磨，去除表面氧化皮以及可能存在的其他杂质；
[0027]
(3)安装粉仓、打印仓、回收仓，将基板安装在打印仓，调节打印仓高度，使其略高于打印平台，然后在粉仓中装入inconel 939粉末，设置每层的铺粉厚度为0.03mm，扫描间距为0.07mm；
[0028]
(4)安装刮刀，使其与基板表面贴合，然后移动刮刀，将粉床中的粉末均匀平铺在打印平台；
[0029]
(5)充入氩气进行气氛保护，同时在激光粉末床熔融机器操作界面导入样块的切片文件，设定打印工艺参数，激光功率为95w、激光扫描速度为950mm/s、激光扫描策略为逐层旋转67
°
，激光能量密度为60.32j/mm3。
[0030]
(6)激光逐层扫描，打印样块。
[0031]
实施例2
[0032]
一种增材制造inconel 939镍基高温合金晶粒取向分布的调控方法，调节激光功率和扫描速度，获得具有强《001》取向的柱状晶，具体实施步骤如下：
[0033]
(1)将inconel 939合金粉末放在烘干机中去除粉末中的水分残留，并利用筛网将不符合粒径要求的金属粉末颗粒去除，最后合金粉末粒径为15～50μm；
[0034]
(2)选取基板，并用砂纸在基板表面进行打磨，去除表面氧化皮以及可能存在的其他杂质；
[0035]
(3)安装粉仓、打印仓、回收仓，将基板安装在打印仓，调节打印仓高度，使其略高于打印平台，然后在粉仓中装入inconel 939粉末，设置每层的铺粉厚度为0.03mm，扫描间距为0.07mm；
[0036]
(4)安装刮刀，使其与基板表面贴合，然后移动刮刀，将粉床中的粉末均匀平铺在打印平台；
[0037]
(5)充入氩气进行气氛保护，同时在激光粉末床熔融机器操作界面导入样块的切片文件，设定打印工艺参数，激光功率为175w、激光扫描速度为1500mm/s、激光扫描间距为0.07mm，激光扫描策略为逐层旋转67
°
，激光能量密度为55.56j/mm3。
[0038]
(6)激光逐层扫描，打印样块。