[发明专利]利用激光熔覆技术制造镍基单晶高温合金零件的方法

说明书

技术领域

本发明涉及激光制造领域，尤其涉及一种利用激光熔覆技术制造镍基单晶高温合金零件的方法。

背景技术

随着激光制造业的发展，镍基单晶高温合金零件越来越广泛应用于各个行业，如镍基单晶涡轮叶片已经应用于现代航空发动机。目前镍基单晶涡轮叶片主要通过精铸的方法获得，但其铸造的方法具有一些缺点，例如：1、成功率低，铸造过程中容易出现杂晶或者大角度偏斜晶体；2、设备复杂，成本高昂；3、铸造周期长，灵活性差，加之镍基单晶高温合金成本昂贵，这些因素造成了镍基单晶涡轮叶片价格非常昂贵，增加了航空发动机的维护成本。

为了延长单晶涡轮叶片的使用寿命，降低发动机维护费用，当前，国内外已经采用激光熔覆镍基单晶粉材的方法修复气蚀、磨损和出现裂纹的单晶涡轮叶片和接长涡轮叶片的叶尖，并尝试利用激光直接熔覆单晶粉材的方法制造单晶零件。但是在多层和多道熔覆过程中，在熔覆层中难以获得完全连续生长的单晶组织，组织中出现的等轴晶区域容易产生晶界并扩展为裂纹。

发明内容

本发明提供一种利用激光熔覆技术制造镍基单晶高温合金零件的方法，以解决多道激光熔覆过程中镍基单晶组织难以完全连续生长的技术问题。

为了解决上述技术问题，本发明提供一种利用激光熔覆技术制造镍基单晶高温合金零件的方法，采用镍基单晶高温合金平板作为基材和粉材，其具体方法包括：步骤一：采用砂纸打磨所述基材表面，并用丙酮清洗；步骤二：将所述基材固定于工作平台上，并采用氩气保护；步骤三：控制激光和所述粉材通过固定于机械臂上的同轴喷嘴对所述基材的表面进行第一道熔覆，同时通过计算机控制所述机械臂使所述激光垂直于所述基材的表面，并按照预设好的熔覆路线移动；步骤四：完成第一道熔覆后，从第二道熔覆开始搭接熔覆，熔覆路线与第一道相同，并通过计算机控制所述机械臂使所述同轴喷嘴在熔覆层横截面平面内沿顺序搭接方向或其反方向偏转第一角度，在熔覆层纵截面平面内沿激光移动方向或其反方向偏转第二角度，同一层的后续多道搭接熔覆的路线及控制方法与第二道搭接熔覆相同，直至完成第一层熔覆；步骤五：从第二层激光熔覆开始，每层激光熔覆路线在水平面内均与前一层熔覆路线正交垂直，熔覆控制方法均与第一层相同，持续熔覆过程，直至完成所述镍基单晶高温合金零件的制造。

进一步的，所述第一角度为-30°～30°，所述同轴喷嘴偏向顺序搭接方向为正，远离顺序搭接方向为负，所述第二角度为-45°～45°，当所述同轴喷嘴朝向熔覆方向偏转时其偏转角度为正，远离熔覆方向偏转时其偏转角度则为负。

优选的，所述第一角度为0°～30°，所述第二角度为0°～45°。

更优选的，所述第一角度为30°，所述第二角度为45°。

进一步的，在进行激光熔覆时，调节激光熔覆的搭接率使相邻两道微观组织保持连续。

具体的，所述搭接率控制在5％～51％。

进一步的，所述砂纸为200目砂纸。

进一步的，在进行激光熔覆时，调节激光熔覆的激光功率、扫描速度、送粉速率、光斑直径、离焦量、第一角度和第二角度，采用与喷嘴随动的主动冷却方法，使得熔池凝固界面沿着竖直方向的温度梯度保持在1×10⁷～1×10⁹摄氏度/米，且激光熔池的尺寸保持在D：W：H＝1～1.5:4～5:2～3，其中D为基材熔化深度，W为熔池宽度，H为熔池高度。

具体的，所述激光功率为50瓦～2000瓦，扫描速度为5毫米/秒～200毫米/秒，送粉速率为1克/分钟～10克/分钟，光斑直径为0.5毫米～1毫米，离焦量为-5毫米～5毫米。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明提供一种利用激光熔覆技术制造镍基单晶高温合金零件的方法，其主要是在进行激光熔覆时，通过控制一定的工艺参数来精确控制激光熔池形状及其温度梯度，从而控制和优化从熔池底部向上外延生长的定向结晶的高度，使得多层多道熔覆的微观组织能够全部为与基材相同的细密连续的镍基单晶组织，因此该单晶组织中不会出现等轴晶区域并扩展为裂纹，使利用激光直接熔覆镍基单晶粉材从而制造镍基单晶高温合金零件成为可能。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步说明：

图1为本发明实施例提供的利用激光熔覆技术制造镍基单晶高温合金零件的方法中第二道熔覆开始后的过程结构示意图；

图2为本发明实施例提供的熔池的结构示意图。

在图1和图2中，