激光直接制造鎳基高溫合金零件成形工藝的研究

1、激光直接制造鎳基高溫合金零件成形工藝的研究    核心提示：中文摘要：本文研究了激光直接制造鎳基高溫合金FHG95的工藝。通過不同的參數(shù)搭配共進(jìn)行 314個(gè)試樣的實(shí)驗(yàn) ,按照一定標(biāo)準(zhǔn) (寬度波動小于 5 %,單層熔覆厚度大于 0 .2mm ,表面沒有粉末黏著 )選取成形效果較好的試樣 ,分析總結(jié)了選擇優(yōu)化工藝參數(shù)的規(guī)律。分析了功率密度、送粉速度、掃描速度單獨(dú).中文摘要：本文研究了激光直接制造鎳基高溫合金FHG95的工藝。通過不同的參數(shù)搭配共進(jìn)行 314個(gè)試樣的實(shí)驗(yàn) ,按照一定標(biāo)準(zhǔn) (寬度波動小于 5 %,單層熔覆厚度大于 0 .2mm ,表面沒有粉末黏著

2、 )選取成形效果較好的試樣 ,分析總結(jié)了選擇優(yōu)化工藝參數(shù)的規(guī)律。分析了功率密度、送粉速度、掃描速度單獨(dú)作用的機(jī)理和相互配比的方式 ,提出了送粉量承載率的概念 ,同時(shí)給出如何針對不同的熔覆層寬度、厚度選取工藝參數(shù)的方法。按照該工藝方法激光直接成形的鎳基高溫合金零件晶粒細(xì)小、組織致密 ,而且各元素含量與粉末相同 ,沒有偏析。當(dāng)熔覆基體尺寸為 2 0 0× 15 0× 2 5mm的低碳鋼板時(shí) ,激光功率密度應(yīng)該在1     2004 年 12 月 A P PL I ED L AS ER December 2004激光直接制造鎳基高溫合金零件

3、成形工藝的研究楊林鐘敏霖黃婷劉文今 (清華大學(xué)機(jī)械工程系激光加工研究中心 , 北京 100084) 提要 本文研究了激光直接制造鎳基高溫合金 FHG95 的工藝。通過不同的參數(shù)搭配共進(jìn)行 314 個(gè)試樣的實(shí)驗(yàn) ,按照一定標(biāo)準(zhǔn) (寬度波動小于 5 % ,單層熔覆厚度大于 0. 2mm ,表面沒有粉末黏著)選取成形效果較好的試樣 ,分析總結(jié)了選擇優(yōu)化工藝參數(shù)的規(guī)律。分析了功率密度、送粉速度、掃描速度單獨(dú)作用的機(jī)理和相互配比的方式 ,提出了送粉量承載率的概念 ,同時(shí)給出如何針對不同的熔覆層寬度、厚度選取工藝參數(shù)的方法。按照該工藝方法激光直接成形的鎳基高溫合金零件晶粒細(xì)小、組織致密 ,而且各元素含量與

4、粉末相同 ,沒有偏析。當(dāng)熔覆基體尺寸為 200 ×150 ×25mm 的低碳鋼板時(shí) ,激光功率密度應(yīng)該在150 - 200W/ mm2 ,掃描速度在 0. 2 - 0. 3m/ min ,每瓦激光所能承擔(dān)熔覆的合金粉末為 0. 02g/ min。當(dāng)加工薄壁零件時(shí) ,熔覆速度應(yīng)大于 0. 5m/ min ,單層熔覆厚度約為 0. 1mm。關(guān)鍵詞 激光直接制造 鎳基合金 工藝參數(shù) ( L aser Processing and Rapid Prototyping Center , Mechanical Engineering Dep. , Tsinghua U niversit

5、y , Beijing 100084) Abstract In this article , the technics for laser direct manufacturing FHG95 super alloy has been studied. A serial of systemati2 mm2 , powder burden rate is 0. 02g/ min. The microstructure is fine.Key words laser direct manufacture , Ni based super - alloy , optimizing parameter

6、s高溫合金廣泛應(yīng)用于航空發(fā)動機(jī)制造業(yè)1 。傳統(tǒng)的制造方法是先將材料熔煉成錠 ,然后用鑄造或鍛壓的方法成型零件。隨著航空事業(yè)對材料的要求越來越高 ,合金成份越來越復(fù)雜 ,熱加工性能變差 ,鑄造方法會產(chǎn)生嚴(yán)重的成分偏析 ,從而導(dǎo)致了微觀組織的不均勻和性能的不穩(wěn)定。上世紀(jì) 60 年代 ,粉末冶金工藝開始應(yīng)用于航空發(fā)動機(jī)葉片、渦輪盤和其他發(fā)動機(jī)零件 ,粉末冶金法成型的零件組織均勻、晶粒細(xì)小 ,但存在異質(zhì)夾雜、熱誘導(dǎo)孔洞和原始顆粒邊界等缺陷2 ,3 。激光直接制造技術(shù) (L RFM)是基于激光熔覆和快速成型分層堆積原理的新型金屬零件成型技術(shù) ,是激光應(yīng)用研究領(lǐng)域的前沿課題之一。該技術(shù)有其明顯的優(yōu)點(diǎn) :能

7、夠直接利用計(jì)算機(jī) CAD 模型、無需特定模型就可以制造出金屬 (或非金屬)的全密度、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的零件實(shí)體。比起傳統(tǒng)的加工過程 ,可以顯著的縮短新產(chǎn)品開發(fā)時(shí)間和成本 ,在加工梯度功能材料、高硬度材料和金屬間化合物材料等材料時(shí)具有其他加工手段難以替代的優(yōu)越性4 - 6 。激光熔覆直接制造所涉及的工藝參數(shù)主要有 :激光功率、光斑直徑、送粉量、掃描速度等 ,在加工時(shí)必須進(jìn)行合理的搭配 ,才能獲得滿意的成形質(zhì)量。目前國內(nèi)外的很多研究機(jī)構(gòu)都致力于研究鎳基合金零件的激光直接制造及其微觀組織和性能。其 中有的是針對上述工藝參數(shù)單獨(dú)作用機(jī)理的描述 , 有的是研究某一個(gè)參數(shù)組合下的加工結(jié)果7 - 10 。為了深入研

8、究工藝參數(shù)與加工結(jié)果的關(guān)系 ,本文在較大范圍內(nèi)系統(tǒng)研究了激光功率、光斑直徑、送粉量和掃描速度等各種參數(shù)組合對成形質(zhì)量的影響 ,較全面總結(jié)工藝參數(shù)的影響規(guī)律 ,尋求優(yōu)化工藝原則 ,以提供指導(dǎo)性工藝路線。?543?轉(zhuǎn)載表 1 FGH95 合金粉末成份 3. 3/ 3. 7 2. 3/ 2. 7 12. 0/ 14. 0 0. 5 7. 0/ 9. 0 Bal 3. 3/ 3. 7 3. 3/ 3. 7 3. 3/ 3. 7 試驗(yàn)方法基體材料為低碳鋼板 ,尺寸為 200 ×150 ×25mm ,和 inconel718 合金板 , 尺寸為 150 ×60 ×1

9、0mm。粉末為 F GH95 合金 (成份見表 1) ,顆粒度為 150 - 200 目。采用 PRC3 KW 快軸流 CO2 激光器 ,激光功率為 300 ,500 ,800 ,1000 ,1200 (W) ,清華大學(xué)自行研制的新型送粉器 ;送粉器轉(zhuǎn)速為 1、2、3、4 (r/ min) ,對應(yīng)送粉量為 3. 5 ,6. 5 ,11 ,14. 5 (g/ min) ;激光掃描速度為 0. 1 ,0. 2 ,0. 3 ,0. 4 ( m/ min) ;離焦量為 0 ,10 ,20 , 30 ,40 (mm) ,對應(yīng)的光斑直徑分別為 1. 6、1. 9、2. 6、 3. 2、3. 5mm。上述參

10、數(shù)經(jīng)過排列組合 ,在低碳鋼板 上進(jìn) 行單道熔覆堆積試驗(yàn)。掃描路徑為往復(fù)掃描 ,每個(gè)試樣 4 個(gè)來回。試樣長度為 40mm ,間距為10mm。在 Inconel 板上進(jìn)行薄壁零件的制造 ,激光功率為 600W ,掃描速度為 0. 5m/ min。上述試驗(yàn)均采用氬氣保護(hù) ,保護(hù)氣體流量為 4m3/ min。試驗(yàn)前 ,基體用酒精清洗 ,并涂覆清華大學(xué)自行研制的吸光材料。對 314 個(gè)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行測量、分析與統(tǒng)計(jì) ,部分試樣制成金相樣品 ,在掃描電鏡下觀察微觀組織并用 EDX分析成分。試驗(yàn)結(jié)果及分析1. 不良堆積成形現(xiàn)象實(shí)驗(yàn)研究的 314 組工藝參數(shù)組合中 ,大部分工藝組合成形質(zhì)量較差 ,難以獲得滿意

11、的堆積成形效果。說明激光熔覆成形堆積對工藝參數(shù)的配合要求是相當(dāng)苛刻的。主要的不良堆積成形現(xiàn)象有三種 :(1) 熔覆層高度與厚度的起伏當(dāng)功率密度較大、光斑直徑較小、掃描速度較慢時(shí)容易出現(xiàn)這種現(xiàn)象。其中比較典型的是周期性的起伏 ,如圖 1 所示 ,該試樣的加工參數(shù)為功率 500W ,掃描速度 0. 1m/ min ,送粉量 6. 5g/ min ,光斑直徑 1.6mm。在 40mm 熔覆堆積長度上 ,共有 12 個(gè)突起。當(dāng)掃描速度加倍 ,突起數(shù)目不變 ,只是波動變得不太明顯。這種周期性起伏與較大的激光功率密度和送粉量及較小的熔池有關(guān)。光斑較小時(shí) ,激光照射形成熔池很小 ,表面張力較大 ,在充足的激

12、光能量和粉末情況下 ,熔池溫度較高 ,熔化的合金在表面張力作用下易于聚集 ,吸引周圍的材料形成熔滴。當(dāng)光束移動、熔滴尺寸超過表面張力作用范圍后凝固 ,下一個(gè)熔滴開始形成。 圖 1 多層堆積時(shí)的周期性起伏現(xiàn)象 (2)多層堆積熔覆寬度逐漸變寬當(dāng)光斑直徑較小、激光功率密度較大時(shí) ,在多層堆積過程中熔覆層寬度逐漸變寬 ,如圖 2。造成這種現(xiàn)象的主要原因是功率密度太大。熔覆堆積剛開始時(shí)由于基體溫度較低 ,所以一部分熱量用來加熱基體。后來隨著溫度升高和試樣的增高 ,熱傳導(dǎo)變慢 ,多余的熱量將用以熔化原有的堆積層 ,使熔池?cái)U(kuò)大 ,造成壁厚的不斷加大。 圖 2 多層堆積熔覆時(shí)層寬逐層變寬現(xiàn)象 (3)粉末黏著造

13、成表面粗糙上圖同時(shí)顯示了粉末黏著的情況 ,當(dāng)送粉量 (相對與功率而言)過大的時(shí)候 ,部分未熔粉末會黏附在試樣表面 ,造成粗糙度增大。同時(shí)根據(jù)以往的經(jīng)驗(yàn) ,功率不夠的情況下 ,大顆粒的粉末還會出現(xiàn)熔化不完全的情況。2. 工藝參數(shù)的統(tǒng)計(jì)在激光功率、光斑直徑、掃描速度和送粉量的系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果中 ,53 個(gè)試樣成形質(zhì)量良好 ,占總數(shù)的?643? 17 %。其評判標(biāo)準(zhǔn)是熔覆層寬度變化范圍在 5 %以 內(nèi) ,每層堆高不小于 0. 2mm ,表面沒有黏附未熔粉末。通過對良好成形試樣的分析 ,總結(jié)出以下 4 條選擇搭配工藝參數(shù)的原則 :(1)合理的功率密度圖 3 給出在不同的離焦?fàn)顟B(tài)即不同光斑直徑情況下 ,激光

14、功率變化時(shí)良好成形試樣的數(shù)目。途中對應(yīng)每個(gè)離焦量 ,都會得出一個(gè)可以獲得良好成形試樣的最小功率。通過計(jì)算發(fā)現(xiàn) ,功率密度應(yīng)該在150 - 250W/ mm2。功率密度太小 ,熔覆層很薄 ,甚至無法熔覆。功率密度太大就會造成成形不穩(wěn)定。為了獲得穩(wěn)定的成形 ,在加工過程中還有必要逐層減少功率密度 ,達(dá)到熱輸入的穩(wěn)定平衡。 圖 3 功率密度變化時(shí)獲得良好成形的工藝組數(shù) 不同的光斑直徑由于與環(huán)境熱交換流失的熱量不同 ,對于功率密度的要求也不一樣。根據(jù)上述點(diǎn)的分布情況 ,按照每個(gè)給定光斑直徑下的最大 ,最小功率密度作圖 ,擬和出以下兩條曲線 ,功率密度應(yīng)該選取曲線中間的部分 (圖 4) 。為了進(jìn)一步為功

15、率的選取提供指導(dǎo)。按照每個(gè)光斑直徑下功率密度的中值重新擬和曲線 (粗線) 。(2) 合理的功率與送粉量搭配 在試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn) ,如果功率較小而送粉量很大 ,會造成未熔粉末的黏著 ,不但會影響表面粗糙度 ,還會在熔覆層內(nèi)部夾雜未熔顆粒。圖 5 給出了不同的送粉量下 ,每個(gè)激光功率獲得的良好結(jié)果數(shù)量。從中可以看出 ,送粉量越大 ,要求的功率下限也就越高。在此給出送粉量承載率的概念。其定義是某個(gè)給定的激光功率所能承載的最大送粉量 ,經(jīng)過統(tǒng)計(jì)得出在應(yīng)該小于 0.02g/ Wmin。送粉量太小會降低加工效率 ,也不可取。下圖所示 ,當(dāng)送粉器轉(zhuǎn)速在 1r/ min 時(shí) ,復(fù)合判別標(biāo)準(zhǔn)的試樣就很少了。 圖 4

16、給定光斑下優(yōu)化功率密度的分布 圖 5 送粉量變化時(shí)獲得良好成形的工藝組數(shù) 圖 6 掃描速度變化時(shí)獲得良好成形的工藝組數(shù) (3)合理的掃描速度掃描速度太慢 ,會嚴(yán)重影響熔覆層厚度的穩(wěn)定性。速度太快會顯著降低熔覆效率 ,通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn) 0. 2 - 0. 3m/ min 的掃描速度可以使加工質(zhì)量和成形 速度得到很好的統(tǒng)一。掃描速度在 0. 1m/ min 附近時(shí) ,主要的問題是堆積厚度不穩(wěn)定 ,速度大于 0. 4 時(shí)成形很好 ,但是熔覆效率很低 (圖 6) 。3. 薄壁零件的參數(shù)選擇?743?激光直接制造薄壁零件是一個(gè)難點(diǎn)。當(dāng)激光光斑直徑很小時(shí) ,對粉末聚焦的要求提高。同時(shí)在表面張力的作用下 ,熔化

17、的粉末有聚合成液滴的傾向。試驗(yàn)中為了獲得壁厚小于 1mm 的試樣 ,選擇基體幾何尺寸為 150 ×200 ×3 的高溫合金板 ,激光功率600W ,離焦 0 ,送粉量 3g/ min ,掃描速度 0. 5m. min.加工結(jié)果如圖 7 所示?？梢娫诩庸け”谠嚇訒r(shí) ,要加大掃描速度 ,降低對加工效率的要求。 圖 7 激光直接制造的薄壁試樣 4. 獲得某一特定幾何尺寸的熔覆層按照常理的認(rèn)識 ,加大規(guī)范 (功率 ,送粉量) 就可以是熔覆層變寬變厚 ,反之減小規(guī)范就可以獲得細(xì)小的熔覆層。但是在考慮加工結(jié)果的前提下 ,就不能單純的改變某個(gè)參數(shù)。(1)影響熔覆層寬度的因素影響熔覆層寬度

18、的主要因素是光斑直徑 ,其他 參數(shù)在允許變化的范圍內(nèi)對寬度的影響比較小。如 圖 8 ,光斑直徑與熔覆層寬度基本相等。 (2)影響熔覆層厚度的因素對熔覆層厚度影響最顯著是送粉量 ,其次是掃描速度。圖 9 給激光功率 1000W 時(shí) ,三種掃描速度下 ,針對不同送粉量的熔覆高度曲線。(3)衡量熔覆堆積量的方法 圖 8 熔覆層寬度與光斑直徑的關(guān)系 圖 9 影響熔覆層厚度的因素 在某些情況下 ,粉末的堆積量是一個(gè)比較關(guān)心的結(jié)果。故定義堆積量 V = h (堆高) ×w (堆寬) 。為了衡量各工藝參數(shù)對堆積量的影響 ,根據(jù)試驗(yàn)中觀察 ,堆積量和功率、送粉速度正相關(guān) ,和掃描速度負(fù)相關(guān) ,定義

19、:V = A ×Pb1 ×Mb2/ Ub3 + C其中 ,A、b1、b2、b3、C 均為系數(shù) ,P 是激光功率 , M 是送粉速度 , U 是掃描速度。圖中 ,橫坐標(biāo)表示 V ,縱坐標(biāo)是功率 P ,送粉速度 M 和掃描速度 U 的冪函數(shù)的乘積 ( Pb1 ×Mb2/ Vb3) 。b1、b2、b3 沒有物理意義 ,但是可以說明不同工藝參數(shù)對加工結(jié)果的貢獻(xiàn)。在本圖中 ,b1 = 0. 5 ,b2 = 1 ,b3 = 0. 75。各點(diǎn)的分布較好。 圖 10 堆積量與工藝參數(shù)的關(guān)系 圖 11 工藝參數(shù)選擇流程 ?843?上述試驗(yàn)是在給定的設(shè)備和熔覆基體上完成的 ,當(dāng)這些因

20、素改變后 ,具體數(shù)據(jù)可能會發(fā)生變化 ,但是基本規(guī)律是不變的。試驗(yàn)中根據(jù)這些規(guī)律合理選擇合理的加工參數(shù)組合。其流程如圖 11 可以分為四個(gè)步驟 :根據(jù)寬度選擇光斑直徑 (既離焦) ,根據(jù)功率密度選擇激光功率 ,根據(jù)承載率選擇送粉量 ,根據(jù)對加工效率的要求選擇掃描速度。5. 熔覆層的微觀組織及成份掃描電鏡照片顯示 ,激光直接制造成型的零件組織致密、晶粒細(xì)小。零件頂部是方向較為雜亂的枝晶 (圖 12) ,中下部為沿垂直于基體方向生長的定向凝固柱狀晶 (圖 13) ,多層堆積重復(fù)加熱并沒有其定向凝固特性發(fā)生變化 ,圖 14 是中部定向凝固組織橫斷面的微觀組織。熔覆層成份與粉末成份基本相同 ,鋁元素部分

21、燒損。氧元素含量增多 ,見表 2。表 2 熔覆層的成份橫斷面 1. 11 2. 01 2. 11 11. 44 1. 37 7. 44 67. 03 3. 27 2. 19 2. 03縱斷面 1. 34 1. 97 2. 29 11. 29 0. 13 7. 43 68. 22 2. 52 2. 42 2. 41 圖 12 試樣頂部微觀形貌 圖 13 試樣中部形貌 圖 14 橫斷面微觀組織 結(jié) 論1. 激光直接制造在選取工藝參數(shù)時(shí)要合理協(xié)調(diào)各參數(shù)的關(guān)系. 當(dāng)熔覆基體尺寸為 200 ×150 ×25mm 的低碳鋼板時(shí) ,激光功率密度應(yīng)該在 150 -200W/ mm2 ,掃描速度在 0. 2 - 0. 3m/ min ,每瓦激光所能承擔(dān)熔覆的合金粉