[发明专利]一种高能束金属3D打印制备稀土强化等轴细晶零件的方法

说明书

技术领域

本发明属于材料加工技术领域，特别是涉及一种高能束金属3D打印制备稀土强化等轴细晶零件的方法。

背景技术

材料的强韧化是材料发展中非常重要的内容，以高温合金为例，高温合金是航空发动机中各种高温部件的关键材料，高温合金的综合性能和内部组织密切相关，用于航空发动机的低压涡轮叶片、涡轮转子等(其工作温度在760℃以下)，由于承受气动和离心力的作用，叶身中的拉应力和弯曲应力都比较大，这就要求叶片材料有足够的高温抗变形能力和好的低周疲劳寿命。因此，对于在中温以下使用的高温合金铸件，其组织特征要求：铸件截面应为尽可能细小的等轴晶，避免晶界上连续析出碳化物，尽可能少的微观缩孔和尽可能低的偏析。均匀的细晶组织可以提高材料的综合机械性能，增加抗疲劳能力，延长寿命。附图1为不同晶粒尺度的涡轮叶片金相照片，图1(a)为等轴晶零件。因此用于这部分需求的高温材料要发展细晶工艺。

液态金属在冷却过程中，固液界面前沿通常存在柱状晶与等轴晶的转化，也即当局部工艺参数满足时，熔池中任意地方均为等晶生长。因此，通过高能束加工得到等轴细晶零件基本上是和材料与工艺相关。例如笔者曾经对高温合金Rene95和不锈钢314L进行过研究，林鑫等人对不同基材料的柱状晶/等轴晶转化进行过理论计算，在激光激光加工的条件下，高温合金的转化区位于转化区线上，而不锈钢在落在柱状晶区，这就意味者前者比较容易获得等轴晶而后者容易获得柱状晶，参见附图2。这样分别控制工艺与材料则可以得到想要的组织。当熔池中存在大量的形核质点，或内生固相分数增多时，凝固组织易为等轴晶。通常人们在熔覆的过程中外加硬质颗粒或高熔点合金，以细化晶粒，提高耐磨与耐蚀性能，另外一种就是原位生成复合材料以细化晶粒。

高能束热源表面改性方面已经得到了广泛而有效的应用。结合数字制造技术，可以直接用来制备零件。这项技术就是目前非常热门的金属增材制造即金属3D打印技术。利用该技术可以打印内部流道、拐折、孔洞和悬垂结构，通常由于可以打印点阵结构，能够比传统制造方法减重7％左右，有的更是高达40％。特别适合在航空航天等领域的结构功能件。同时激光是一种典型的高能束流加工热源，激光熔池中有高的温度梯度和快的凝固速度，凝固组织一般比较细小大概是常规铸态组织约(50～200μm)小一到两个数量级(通常10μm左右)。

稀土及其氧化物是一种非常常见的细化剂，国际国内进行了很多尝试。多数人的研究是激光表面改性，由于稀土元素的加入，明显地改善了零件的显微组织，耐磨性提高了1-4倍，硬度增加，耐腐蚀性能提高。但是由于对其机理的研究不是太透彻，还没有普及并应用到实际工业领域。而且轻重稀土元素有17种之多，加上碳化物、氧化物、氮化物和金属间化合物，为涂层的改性，零件组织的细化提供了广阔的应用前景。还有的研究表明，在熔覆材料中加入了稀土元素后，熔覆层的显微组织得到了一定程度的细化，柱状晶的产生范围有所减小，熔覆层的显微硬度相应的提高，熔覆层的耐磨性比未加稀土的提高将近1倍，说明稀土元素在激光熔覆过程中进入熔覆层并对熔覆层的结晶过程产生影响，使熔覆层的强韧性同时得到提高。根据电子探针对熔覆层的成分进行面分析和线分析的实验结果可以看出，稀土Ce在熔覆层中较均匀的分布。西北工业大学的刘林课题组对晶粒细化进行了多年的深入研究，刘瑞瑞通过对稀土的选择，研究了稀土金属间化合物的在铸造条件下的工艺与组织性能，本发明意图在高能束表面改性或金属3D打印过程中，通过原位内生稀土金属间化合物，得到细晶的组织。北京航空工艺研究所的赵冰等对增材制造Ti合金进行了研究，他们的研究表明，通过合理的后续热处理加轧制的方法可以减少烧结过程的气孔等缺陷，从而得到等轴晶组织。

附图3为铸态条件下添加稀土添加剂前后的金相显微组织图。目前工业领域的其他常用金属材料如A1基、钛基、铁基和镁基材料是稀土添加剂研究最多的材料类型。外加的合金元素对合金的强化作用主要表现在固溶强化、时效强化、过剩强化和细晶组织强化。