一種脈沖激光填絲增材制造鎳基合金結(jié)構(gòu)的方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公布了一種脈沖激光填絲增材制造鎳基合金結(jié)構(gòu)的方法，利用脈沖激光焊接系統(tǒng)以鎳基合金絲為原料增材成形結(jié)構(gòu)，屬于激光修復(fù)、激光近凈成形技術(shù)領(lǐng)域。具體步驟是：以脈沖激光填絲焊接系統(tǒng)為基礎(chǔ)，以惰性氣體作為保護(hù)氣體，通過(guò)層層沉積的方式得到最終的結(jié)構(gòu)。成形過(guò)程中通過(guò)控制脈沖激光脈沖能量、脈沖寬度、脈沖頻率，實(shí)現(xiàn)對(duì)于成形結(jié)構(gòu)微觀組織的調(diào)控和力學(xué)性能的改善。本發(fā)明結(jié)合了脈沖激光熱源及填絲增材制造的優(yōu)勢(shì)，提供了一種低成本、清潔及低應(yīng)力的高性能鎳基合金結(jié)構(gòu)的制備方法。
【專(zhuān)利說(shuō)明】
一種脈沖激光填絲増材制造鎳基合金結(jié)構(gòu)的方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明屬于激光修復(fù)、激光近凈成形技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種脈沖激光填絲增材制造 鎳基合金結(jié)構(gòu)的方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 增材制造技術(shù)可利用三維模型直接制造出形狀復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，大幅減少工序、節(jié)約 工時(shí)，在航空航天、汽車(chē)及模具制造等領(lǐng)域獲得了廣泛應(yīng)用。鎳基合金在各種介質(zhì)中表現(xiàn)出 良好的耐蝕性能，并且兼有很好的力學(xué)性能及加工性能，在航空航天、石油化工、核電等領(lǐng) 域具有重要的應(yīng)用價(jià)值。激光填絲增材制造技術(shù)具有絲材成本低、利用率高、對(duì)環(huán)境友好等 優(yōu)點(diǎn)?，F(xiàn)有填絲式增材制造鎳基合金結(jié)構(gòu)的研究中，多采用連續(xù)激光作為加工熱源，成形過(guò) 程中熱輸入較高，對(duì)殘余應(yīng)力和變形控制要求較高，成形件下部隨成形層數(shù)增加存在晶粒 粗化現(xiàn)象。相關(guān)文獻(xiàn)如下所示：
[0003] 專(zhuān)利號(hào):ZL201510723029.7公開(kāi)的一種基于TiNi記憶合金絲材的功能材料部件增 材制造方法，提出了一種包括TiNi記憶合金熔煉、絲材制備及應(yīng)用制得合金絲激光熔覆增 材制造部件的方法。該方法在熔覆過(guò)程中采用了連續(xù)激光熱源，液態(tài)氬氣汽化的氬氣作為 冷卻氣體，在成形過(guò)程中，需要同時(shí)控制激光熔覆速度和氣體冷卻速度而控制成形件不同 區(qū)域組織和變形量，工藝復(fù)雜。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 為解決連續(xù)激光填絲增材制造過(guò)程中存在的上述問(wèn)題，本發(fā)明利用脈沖激光熱源 熱輸入較低、制造過(guò)程產(chǎn)生的殘余應(yīng)力和變形較小、且脈沖間斷作用可以細(xì)化組織的特點(diǎn)， 提供一種脈沖激光填絲增材制造鎳基合金結(jié)構(gòu)的方法。
[0005] 本發(fā)明的技術(shù)方案：
[0006] -種脈沖激光填絲增材制造鎳基合金結(jié)構(gòu)的方法，步驟如下：
[0007] A、選擇直徑0.5~1.0mm鎳基合金絲作為絲材;選擇鎳基合金板材或與鎳基合金絲 具有良好焊接性的合金板材作為基板;根據(jù)絲材直徑調(diào)整光斑直徑;再調(diào)整光束焦點(diǎn)與基 板表面相對(duì)位置;最后調(diào)整絲材與光束及基板表面的相對(duì)位置，送絲方式采用前置送絲方 式；
[0008] B、根據(jù)成形結(jié)構(gòu)不同區(qū)域散熱條件調(diào)整脈沖激光特征參數(shù)以控制組織分布，激光 單脈沖能量處于1. 〇~2.5J，脈沖寬度處于5~8ms，脈沖頻率處于50~100Hz ;掃描速度為 200~500mm/min，掃描速度與送絲速度的比值為0.5~2.0;單層提升量根據(jù)掃描速度Vf，送 i^rj- oZ γ ~ 絲速度Vw及絲材直徑R計(jì)算，取值范圍為（0.3~L0) · ; Λ/ 4Vf
[0009] C、采用惰性氣體作為保護(hù)氣體，進(jìn)行填絲增材制造;每成形5~10層，重新調(diào)整光 束離焦量，消除層厚差異帶來(lái)的誤差。
[0010] 所述的光斑直徑大于絲材直徑，光斑直徑為〇. 6~1.5_。
[0011] 所述的光束與基板相對(duì)位置，即離焦量為-3~+3mm。
[0012] 所述的絲材與水平方向夾角為30~60度;絲材端部與光斑中心距離為光斑半徑， 絲材端部與基板或上一層沉積層距離為〇~〇. 2mm。
[0013] 所述的保護(hù)氣體為氬氣，保護(hù)氣體噴嘴出口直徑5~10mm，距離熔池10~30mm，保 護(hù)氣壓力為5~15psi。
[0014] 本發(fā)明的有益效果：
[0015] (1)本發(fā)明中采用脈沖激光作為成形熱源，成形過(guò)程熱輸入低，成形件殘余應(yīng)力 小、變形小;成形過(guò)程中由于脈沖激光的間斷作用，冷卻速度更快，易于得到更加細(xì)密均勻 的微觀組織，有利于結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的提高;成形過(guò)程中可對(duì)脈沖激光特征參數(shù)進(jìn)行調(diào)控(單 脈沖能量、脈沖寬度、脈沖頻率），進(jìn)而對(duì)成形件不同區(qū)域微觀組織進(jìn)行調(diào)控；
[0016] (2)本發(fā)明中采用絲材為增材制造原料，材料成本低、利用率高；加工過(guò)程易于控 制，對(duì)環(huán)境友好;成形件致密性高。
【附圖說(shuō)明】
[0017] 圖1是脈沖激光填絲增材制造鎳基合金結(jié)構(gòu)系統(tǒng)示意圖。
[0018] 圖中：1控制系統(tǒng)；2激光器;3激光加工頭;4保護(hù)氣噴嘴;5送絲嘴;6送絲機(jī);7惰性 氣體;8填絲增材成形件;9工作臺(tái)。
【具體實(shí)施方式】
[0019] 下面結(jié)合附圖和技術(shù)方案，進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】。
[0020] 圖1脈沖激光填絲增材制造鎳基合金結(jié)構(gòu)系統(tǒng)示意圖，本發(fā)明的實(shí)例要求:成形40 層鎳基合金Hastelloy C-276薄壁結(jié)構(gòu)。
[0021 ] 采用制:￥46固體脈沖激光器對(duì)他8丨〇11〇7〇276合金絲材進(jìn)行脈沖激光填絲增材 成形，具體成形步驟如下：
[0022] A、選擇直徑為0.5mm的Hastelloy C-276合金絲材，放入送絲機(jī)中備用;選擇304板 材作為成形基板，成形前用SiC砂紙打磨去除氧化層，酒精清洗去除表面油污，并用壓縮空 氣吹干；
[0023] B、調(diào)整工作臺(tái)使光束焦點(diǎn)位于基板表面之下1mm，即離焦量為-1mm;此時(shí)光束直徑 為0.65mm，大于絲材直徑；為保障熔絲過(guò)程的穩(wěn)定性，采用前置送絲模式;絲與水平方向夾 角調(diào)整為35度;調(diào)整光絲相對(duì)位置，絲材端部距光斑中心0.325mm，與基板距離為0mm;
[0024] C、設(shè)置激光單脈沖能量1.5J，脈沖寬度6ms，脈沖頻率60Hz，掃描速度350mm/min， 送絲速度350mm/min;
[0025] D、使用純度不低于99.99%的側(cè)吹氬氣作為保護(hù)氣體，保護(hù)氣體噴嘴出口直徑 6mm，距離熔池25mm，調(diào)整保護(hù)氣壓為lOpsi，既能保證良好保護(hù)效果又不會(huì)對(duì)熔池及熔絲過(guò) 程產(chǎn)生過(guò)多擾動(dòng)；
[0026] E、同時(shí)啟動(dòng)激光器與送絲機(jī)進(jìn)行增材制造成形，成形完成一層后，工作臺(tái)下降單 層厚度0.2mm進(jìn)行增材制造;每成形5層，重新調(diào)整光束離焦量為初始值-1mm，消除層厚差異 帶來(lái)的誤差。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種脈沖激光填絲增材制造鎳基合金結(jié)構(gòu)的方法，其特征在于，步驟如下： A、 選擇直徑0.5~1 .Omm鎳基合金絲作為絲材;選擇鎳基合金板材或與鎳基合金絲具有 良好焊接性的合金板材作為基板;根據(jù)絲材直徑調(diào)整光斑直徑;再調(diào)整光束焦點(diǎn)與基板表 面相對(duì)位置;最后調(diào)整絲材與光束及基板表面的相對(duì)位置，送絲方式采用前置送絲方式； B、 根據(jù)成形結(jié)構(gòu)不同區(qū)域散熱條件調(diào)整脈沖激光特征參數(shù)以控制組織分布，激光單脈 沖能量處于1. 〇~2.5J，脈沖寬度處于5~8ms，脈沖頻率處于50~100Hz ;掃描速度為200~ 500mm/min，掃描速度與送絲速度的比值為0.5~2.0;單層提升量根據(jù)掃描速度Vf，送絲速 度Vw及絲材直徑R計(jì)算，取值范圍為（C、 采用惰性氣體作為保護(hù)氣體，進(jìn)行填絲增材制造;每成形5~10層，重新調(diào)整光束離 焦量，消除層厚差異帶來(lái)的誤差。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述的光斑直徑大于絲材直徑，光斑直徑 為0·6~1·5mm〇3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述的光束與基板相對(duì)位置，即離焦量 為-3~+3mm〇4. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述的絲材與水平方向夾角為30~60 度；絲材端部與光斑中心距離為光斑半徑，絲材端部與基板或上一層沉積層距離為0~ 0·2mm〇5. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，所述的絲材與水平方向夾角為30~60度； 絲材端部與光斑中心距離為光斑半徑，絲材端部與基板或上一層沉積層距離為〇~〇.2mm。6. 根據(jù)權(quán)利要求1、2或5所述的方法，其特征在于，所述的保護(hù)氣體為氬氣，保護(hù)氣體噴 嘴出口直徑5~10mm，距離熔池10~30mm，保護(hù)氣壓力為5~15psi。7. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，所述的保護(hù)氣體為氬氣，保護(hù)氣體噴嘴出 口直徑5~10mm，距離恪池10~30mm，保護(hù)氣壓力為5~15psi。8. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，所述的保護(hù)氣體為氬氣，保護(hù)氣體噴嘴出 口直徑5~10mm，距離恪池10~30mm，保護(hù)氣壓力為5~15psi。
【文檔編號(hào)】B22F3/105GK105855549SQ201610457976
【公開(kāi)日】2016年8月17日
【申請(qǐng)日】2016年6月22日
【發(fā)明人】吳東江, 柴東升, 周思雨, 馬廣義, 牛方勇, 金洙吉
【申請(qǐng)人】大連理工大學(xué)