[发明专利]一种高能束金属增材制造的微观组织调控方法

说明书

本发明公开了一种高能束金属增材制造的微观组织调控方法，具体为：步骤1，根据所需成形的目标材料的形状及其凝固相和微观组织结构，设定与之相匹配的高能束和感应加热双热源同步加热温度场调控参数；步骤2，将目标材料放入送料装置，并将目标材料基材板放入充氩惰性气氛加工室，按照步骤1设定加工参数，进行增材制造成形，其中增材制造成形过程中的氧气含量保持在100ppm以下。本发明通过高能束和同步感应加热的耦合作用，调控熔池及周边区域的温度梯度、熔池凝固速度等热行为，进而控制成形材料的凝固组织和微观相结构的形成，例如微观组织形态、尺度等。

技术领域

本发明属于金属材料显微组织控制技术领域，涉及一种高能束金属增材制造的微观组织调控方法。

背景技术

众所周知，材料的性能由其微观组织决定，伴随着我国航空航天事业的蓬勃发展，对材料的性能的要求也提出了更高的要求。航空发动机涡轮机叶片从最初的锻造叶片发展到真空熔模铸造叶片，20世纪60年代又兴起了采用定向凝固铸造代替了原先的普通铸造，叶片组织也从最初的等轴晶发展到柱状晶，而现在航空发动机燃烧室的涡轮叶片采用的都是单晶组织。这是因为即使同一种材料由于内部组织结构的不同，材料的性能的差别显著。因此，零件制造过程中对于微观组织的控制极为重要；另一方面，同一构件的不同部位可能处于不同的服役条件下，比如航空发动机的涡轮盘，盘心部位在较低的温度下长期工作，承受拉应力较大，进而要求其组织具有高强度、高塑性和优良的低周疲劳性能，而盘缘部位长期在较高温度下工作，要求其组织具有优良的高温拉伸性能、高温蠕变抗力、裂纹扩展抗力以及较高的断裂韧性。上述要求都是单一材料单一组织无法满足的，因此，制造出不同部位具有不同的组织性能的构件将是解决这一问题的一种方法。如今高能束增材制造技术已经取得了长足的发展，可以成形出各种形状的构件来，采用的是逐层堆积的方法将构件打印出来，只要控制好熔池的凝固条件以及后续的热历史行为，就可以得到具有不同凝固组织和相结构的构件，也可在不同部位实现微观组织的控制，但由于仅靠高能束加工的过程热行为有其局限性，难以满足许多材料增材制造构件的微观组织控制需求。

为了满足这种需求我们在高能束作为热源的基础上添加一个辅助热源进行耦合，这种技术方案在诸多国内外专利与论文中被用于激光熔覆和焊接领域中。但是这种技术在高能束增材制造中并未有很好的研究。相比于激光熔覆，高能束增材制造。中国专利(申请号201120111456.7，申请日2011-04-15，公开日2011-11-30)公开了一种激光感应复合熔化直接成形装置，中国发明专利(申请号201110094071.3，申请日2011-04-15，公开日2011-09-14)公开了一种激光感应复合熔化直接成形方法及装置，两者都具备以下优点：①加工效率高；②零件组织致密，成分均匀，晶粒细小，力学性能优良；③加工得到的产品残余应力较小，无变形和开裂现象。但是上述的两项专利仅仅是在激光单热源成形的基础上通过添加感应加热来达到预热效果，并没有涉及双热源工艺匹配调控成形温度场的方法，而温度场的可控正是微观组织控制的基础。

发明内容

本发明的目的是提供一种高能束金属增材制造的微观组织调控方法，在成形过程中通过调节双热源的匹配性来调控温度场分布，以控制成形过程中的微观组织形成。

本发明所采用的技术方案是，一种高能束金属增材制造的微观组织调控方法，具体按以下步骤实施：

步骤1，根据所需成形的目标材料的形状及其凝固相和微观组织结构，设定与之相匹配的高能束与感应加热双热源同步加热温度场调控参数；

步骤2，将目标材料放入送料装置，并将目标材料基材板放入充氩惰性气氛加工室，按照步骤1设定加工参数，进行增材制造成形，其中增材制造成形过程中的氧气含量保持在100ppm以下。

本发明的特点还在于，

步骤1中温度场调控参数包括感应线圈参数和双热源加热参数。