[发明专利]一种激光直接成形超细柱状晶定向生长的方法

说明书

技术领域

本发明涉及激光增材制造技术，特别涉及一种激光直接成形和基板加热复合制备连续定向柱晶组织的方法，主要用于解决激光直接成形定向凝固技术中存在的定向柱状晶组织生长不连续的问题。 

背景技术

3D打印技术作为颠覆传统制造业的新技术，被视为第三次工业革命，在世界范围内掀起了研究和应用的热潮。激光直接成形LDF(Laser Direct Forming)是3D打印技术中最具潜力的一种，它是基于快速原型技术和激光熔覆技术而发展起来的一种柔性的先进制造方法。其集成了激光熔覆技术和快速原型技术的优点，可直接制造出具有复杂外形和良好力学性能的全致密三维实体金属零件，具有制造速度快、生产周期短、成本低等优点。尤其适用于传统方法难以制造的特种材料或特殊形状金属零件，在航空航天、汽车船舶、武器装备、生物医学等领域有着广泛的应用前景。 

传统的航空发动机叶片制造主要是通过铸造的方式，但由于叶片结构越来越复杂，其加工也越来越困难，而且传统铸造加工存在着组织粗大、偏析严重﹑成品率低等问题，因此航空发动机叶片制造问题在国内一直没有得到很好的解决。镍基高温合金作为航空发动机叶片制造的主要材料，其性能与其凝固组织密切相关，而定向凝固柱晶镍基高温合金由于消除了横向晶界，具有很好的高温蠕变和持久性能，已经广泛应用于先进航空发动机涡轮叶片等关键热端部件。定向凝固技术发展的历史就是不断提高温度梯度和凝固速率的历史，激光直接成形技术由于熔池的超高温度梯度和无界面热传导快速凝固冷却使其成为迄今为止冷却速度最快的快速凝固方法之一，因此激光直接成形定向凝固技术在最近十几年一直是定向凝固领域的研究热点，但是一些关键问题一直没有得到很好的解决，主要原因包括：（1）在熔池顶部，由于温度梯度急剧减小，而凝固速度变大，因此在单道顶部会出现一层转向枝晶区，要保证后续定向柱晶的生长，必须使转向枝晶区完全重熔掉；（2）受激光功率和光斑直径所限，在成形零件时必须采用横向搭接技术，搭接处组织生长比较杂乱，定向柱状晶组织生长受到抑制。 

目前，瑞士联邦理工学院首先建立了适用于LDF柱状晶等轴晶转变（CET）理论模型，并从实验证明了LDF制造定向叶片的可行性。而在国内，自从西北工业大学在2001年公开提出了激光直接成形定向凝固技术 （专利文献CN1382558A）之后，一直未见在激光直接成形定向凝固领域有新的技术出现。 

发明内容

针对现有激光直接成形定向凝固技术中存在的定向柱状晶组织生长不连续、杂晶区较多的问题，本发明的目的是提供一种采用基板加热促进激光直接成形中定向柱状晶生长的方法，不仅定向柱晶生长连续，且枝晶一次间距很小，可达到超细柱状晶的标准。 

为达到以上目的，本发明是采取如下技术方案予以实现的： 

一种激光直接成形超细柱状晶定向生长的方法，其特征在于，包括下述步骤： 

（1）在激光直接成形系统中，先将定向凝固基板加热到500-700℃； 

（2）采用激光功率小于200W、Z轴单层提升量小于0.1mm，在加热的定向凝固基板上进行激光多道多层合金试样成形，扫描方式为填充扫描； 

（3）对所成形的合金试样进行线切割、镶嵌、研磨、抛光、腐蚀，最后在数字光学显微镜下观察金相组织，记录定向柱晶组织生长状况。 

上述方案中，所述定向凝固基板加热到600～650℃。所述激光功率180W、Z轴单层提升量为0.05mm。所述填充扫描的扫描速度10mm/s，送粉量为4g/min，搭接间距为0.30mm，成形40-50层。 

步骤（3）所述的数字光学显微镜型号为KEYENCE VH-8000。 

本发明方法所成形的合金试样对比定向凝固基板不加热时成形的试样内部柱状晶组织生长状况，表明定向凝固基板加热到500-700℃时定向柱晶组织生长连续性和方向性都优于定向凝固基板不加热时试样的柱晶组织生长。并且还降低了成形过程中的裂纹倾向性，使成形出的定向零件性能更加优异。 

加热定向凝固基板虽然适当降低了激光熔池内的温度梯度，但依然控制柱状晶定向生长区间保持足够大的正温度梯度，满足柱状晶生长所需的过冷度。而且加热定向凝固基板使整个熔池温度升高，熔池的表面张力减小，整个熔池形态更加平铺，更有利于柱状晶的生长。 

本发明可以在不用模具的条件下，快速制造具有定向凝固组织的形状复杂的金属零件（如航空发动机叶片）。 

附图说明