一種激光3d打印制備單晶高溫合金塊體材料的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
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[0001]本發(fā)明涉及單晶凝固技術(shù)和激光快速成形技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種在單晶高溫合金基材上利用激光3D打印制備單晶高溫合金塊體材料的方法。
【背景技術(shù)】
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[0002]發(fā)展大推力、高效率、低油耗航空發(fā)動機(jī)最直接的手段是提高渦輪前燃?xì)膺M(jìn)口溫度，燃?xì)膺M(jìn)口溫度的提高直接依賴于渦輪葉片的承溫能力的提高。傳統(tǒng)的定向凝固工藝其溫度梯度的提高非常有限，制備得到的單晶高溫合金枝晶粗大，枝晶間元素偏析嚴(yán)重。開發(fā)一種新的單晶制備工藝對于提高單晶高溫合金的性能具有重要意義。
[0003]并且，由于單晶葉片成形工藝復(fù)雜，還含有大量的貴金屬元素，致其成本高昂。為了降低成本并且充分利用貴金屬元素，服役受損的、有鑄造缺陷的單晶葉片，其修復(fù)工作也尤為重要。

【發(fā)明內(nèi)容】

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[0004]本發(fā)明的目的在于提供一種激光3D打印制備單晶高溫合金塊體材料的方法，該方法可行性強(qiáng)，實施簡單，適用于鎳基高溫合金材料。
[0005]本發(fā)明的技術(shù)方案是:
[0006]一種激光3D打印制備單晶高溫合金塊體材料的方法，該方法包括如下步驟:
[0007]( I)在單晶高溫合金材料上切取用于激光3D打印的基體材料，基材表面的取向要求為:基材表面的法線方向與〈001〉方向之間的夾角小于等于30° ;用于切取基體材料的單晶高溫合金材料利用常規(guī)的定向凝固工藝制備。
[0008](2)為了減小應(yīng)力，將步驟(I)切取的基體材料進(jìn)行預(yù)熱，根據(jù)基體材料塊體大小將其預(yù)熱到0-800°C ;然后利用激光使單晶高溫合金基材表面重熔，重熔過程工藝參數(shù)為:重熔功率200-5000w，重熔速度30-3000mm/min。
[0009](3)激光3D打印制備單晶高溫合金塊體材料:基材預(yù)熱0_800°C，激光功率200-5000W，掃描速度30-3000mm/min，送粉量0.3_30g/min ;激光打印所需的合金粉末的粒度為-50?+400目，粉末使用之前進(jìn)行100?200°C的真空烘干處理。
[0010](4)步驟(3)所得單晶高溫合金塊體材料，表層0.1-0.5mm范圍內(nèi)有一層雜晶，力口工切掉。
[0011]本發(fā)明設(shè)計原理如下:
[0012]本發(fā)明采用激光打印直接成形技術(shù)，通過枝晶外延生長且使每一層雜晶在下一層打印中重熔的方式制備塊狀的單晶高溫合金。枝晶取向與基材單晶一致，由于激光成形過程中，凝固速度快，可以得到細(xì)小的枝晶，而且很好的控制了枝晶偏析，可以得到低偏析的單晶高溫合金。
[0013]本發(fā)明首先在單晶高溫合金材料上切取用于激光3D打印的基體材料，因基材表面的取向決定了外延生長塊體材料的取向，本發(fā)明基材表面的取向要求為:基材表面的法線方向與〈001〉方向之間的夾角小于等于30° ;然后將切取的基體材料進(jìn)行預(yù)熱，再利用激光使單晶高溫合金基材表面重熔，所獲得重熔組織在重熔區(qū)表面有少量雜晶；基于重熔工藝，再通過激光3D打印制備單晶高溫合金:所設(shè)定的工藝參數(shù)使每一層的雜晶在下一層的打印過程中重熔，得到與基體取向一致的枝晶。選定的工藝參數(shù)還要避免打印過程基材溫度過高。塊體材料的大小不受傳統(tǒng)鑄造工藝的限制，顯微組織為單晶，且取向與基體相同，表面薄層雜晶需要單獨加工切除。
[0014]本發(fā)明的有益效果是:
[0015]1.為單晶高溫合金的制備提供了一種新工藝，可用于制備枝晶細(xì)小、枝晶間低偏析的單晶高溫合金。
[0016]2.本發(fā)明為單晶零件的修復(fù)提供了途徑，可根據(jù)零件的具體情況設(shè)計修復(fù)的打印路線。
[0017]3.本發(fā)明突破了傳統(tǒng)定向凝固制備單晶高溫合金的束縛，基于本發(fā)明可以開發(fā)新一代高溫合金，為進(jìn)一步提高發(fā)動機(jī)推重比提供技術(shù)支持。
【附圖說明】
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[0018]圖1基材常溫的激光重熔組織。
[0019]圖2單晶高溫合金塊體材料的宏觀圖片。
[0020]圖3激光打印單晶高溫合金塊的顯微組織；其中:(a)為上部顯微組織，(b)為中部顯微組織，(c)為下部顯微組織。
[0021 ] 圖4基材預(yù)熱200 V的激光重熔組織。
[0022]圖5激光打印單晶高溫合金塊的顯微組織。
[0023]圖6基材預(yù)熱400 V的激光重熔組織。
[0024]圖7激光打印單晶高溫合金塊的顯微組織。
[0025]圖8基材預(yù)熱1000°C的激光重熔組織。
【具體實施方式】
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[0026]以下結(jié)合附圖及實施例詳述本發(fā)明。
[0027]實施例1
[0028]首先制備蠟?zāi)?，而后在蠟?zāi)５耐獠客繏焯沾赡突饾{料，經(jīng)脫蠟、焙燒制得帶有籽晶的陶瓷模殼。將鎳基高溫合金母合金(牌號SRR99)在真空單晶爐的坩堝中熔化精煉后，澆注至陶瓷模殼中，合金的澆注溫度為1550°C，靜置5min，以5mm/min的速率開始抽拉。待模殼冷卻至室溫方可清殼，獲得鎳基單晶高溫合金。在單晶母體上用線切割切取基材，基材表面的法線方向與〈001〉方向之間的夾角約為3°。第二步，基材常溫，利用激光使單晶高溫合金基材表面重熔，激光功率700w，掃描速度300mm/min，使用金相顯微鏡觀察重熔組織。重熔顯微組織如圖1所示，可以看出，重熔區(qū)域的表面部分會存在少量取向雜亂的雜晶。
[0029]第三步，激光打印制備單晶高溫合金，工藝參數(shù)為:基材常溫，高溫合金粉末粒度為-50?+400目，粉末使用之前進(jìn)行200°C的真空烘干處理。工作過程中金屬粉末由同軸自動送粉器送到激光熔池中，載粉氣體為純氬，激光熔池保護(hù)氣體也為純氬。激光功率為700w,掃描速度為300mm/min,送粉量1.5g/min。
[0030]本實施例制備的單晶塊體的宏觀形貌如圖2所示，基體材料大小為50*50*12mm，在基體上打印的單晶塊體材料大小為25*25*8mm，圖3顯示了該塊體材料的顯微組織,可見與鑄造的基體相比，激光外延生長的顯微組織非常細(xì)小。
[0031]實施例2