[发明专利]一种电磁辅助直接激光沉积镍基高温合金-钛合金功能梯度材料的方法

说明书

本发明提供一种电磁辅助直接激光沉积镍基高温合金‑钛合金功能梯度材料的方法，属于增材制造技术领域。该方法在成形过程中通过调整送粉速率，以质量分数10％为步长，不断改变两种粉末的比例，从而实现从钛合金到镍基高温合金的梯度过渡。将电磁搅拌装置附加在激光加工头上，使其可以随激光头的移动而移动，进而将磁场加载在熔池区域。使得熔池在磁场洛伦兹力的作用下，产生对流，一方面加快了冷却速率，起到细化晶粒的作用，另一方面抑制了元素偏析过程，减少了脆性相的生成，并使其成弥散状分布，提高材料性能。沉积不同成分比例的梯度层，在工件底部附加不同的温度场，起到调控温度梯度和冷却速率的作用，减少残余应力，抑制材料缺陷产生。

技术领域

本发明属于激光增材制造技术领域，主要针对同轴送粉式激光增材制造功能梯度材料领域，具体涉及一种电磁辅助直接激光沉积镍基高温合金-钛合金功能梯度材料的方法。

背景技术

功能梯度材料是指两种或多种材料复合，成分和结构呈梯度变化的一种新型复合材料。其功能和性能随机件内部位置的变化而变化，从而可以应对复杂的应用环境和需求。钛合金作为轻质合金的一种，有着比强度高、抗疲劳性能好等优点，但其难以应用于高温环境中。而镍基高温合金虽然有着良好的高温抗氧化性能，但其密度大，难以满足轻量化的使役要求。制备镍基高温合金-钛合金功能梯度材料，致力于使材料在拥有表层耐高温性能的情况下，拥有轻质量、高强度等特点，从而面向航空航天、国防军工等领域的应用需求。直接激光沉积作为一种新型制造技术，在制备功能梯度材料方面，有着高效率、低成本、易加工形状复杂零件等优点，可以更好的把控梯度材料在成分上的过渡，进而更好的贴合预定的设计方案和应用需求，已成为近年来研究的热点。

制备镍基高温合金-钛合金功能梯度材料的主要问题在于，在成形过程中易产生多种脆性金属间化合物，导致材料整体的韧性下降，在残余应力的作用下，产生裂纹缺陷。当钛合金含量为10-30wt％时，由于镍基合金中往往包含大量的铁、铬元素，易产生laves相、Ni₃Ti相等脆性相。当钛含量为60-90wt％时，易产生的金属间化合物为Ti₂Ni。因此制备钛-镍合金功能梯度材料，要根据产生的脆性相的特点，通过附加外场等手段，抑制脆性相的生成，减少金属间化合物的含量；控制其分布特点，尽可能的使其均匀的分布于组织中；控制温度场变化，减小残余应力，从而避免裂纹的萌生和扩散。

电磁搅拌技术已在铸造、焊接、熔覆等领域被证实，具有减少缺陷、细化晶粒、提高组织成分均匀性和减小试件残余应力等作用。利用磁场对熔池的搅拌作用，可抑制熔池内部的元素偏析过程，减少脆性相析出的含量，改变其分布状态，从而起到抑制裂纹、提高材料性能的作用。针对不同成分比例的梯度过渡层，在材料底部施加不同的温度场，可进一步减少脆性相的生成，同时一定程度上减少残余应力的大小，避免材料缺陷的产生。

中国学者钦兰云：电磁搅拌辅助激光沉积成形钛合金试验研究，通过在机床上附加可旋转的磁场这一方式，在加工过程中对成形样件施加旋转磁场，加剧了熔池的对流，细化了钛合金沉积层内的α片层组织，提升了材料的力学性能。但其底部加载磁场的方式，限制了加工工件的大小，难以制备尺寸较大的工件。

专利CN109182935A报道了一种激光修复镍基高温合金中脆性相的消除方法，利用在液体金属熔池施加电磁场的方式，抑制了镍基高温合金在成形过程中laves相的析出，从而提高了材料的机械性能。但其忽略了施加温度场对工件缺陷的抑制作用，有一定局限性。

专利CN108356266A报道了一种超声辅助激光近净成形钛-镍合金梯度材料的方法，利用在底部施加超声及预热的方式，改变脆性相的分布状况，减少残余应力，从而抑制材料缺陷的产生。但超声难以在空气中传播，在底部加载，随沉积高度及工件尺寸的增加，其效应会逐渐衰减，不利于大尺寸工件的制备；且其底部施加的温度场不随沉积层的成分而变化，不利于抑制脆性相的产生。

发明内容