[发明专利]激光熔覆缆式焊丝增材制造难熔高熵合金的方法及装置

说明书

本发明公开了一种激光熔覆缆式焊丝增材制造难熔高熵合金的方法及装置，方法包括：激光器产生的激光经光学变换为环形聚焦激光后，在基体表面附近汇聚成一环形聚焦光斑，缆式焊丝沿环形聚焦光斑中心轴朝基体表面送进，于是缆式焊丝的尖端逐渐熔化汇入环形聚焦光斑将基体表面熔化形成的熔池中，与此同时，保护气体被送至基体表面附近来对熔池所在区域形成保护气氛。缆式焊丝和环形聚焦光斑一起相对于基体表面按预定轨迹和预定速度移动，同时，缆式焊丝按给定速度连续送进，以使基体表面连续形成熔池且缆式焊丝不断熔化沉积叠加，从而完成难熔高熵合金的增材制造。本发明可实现高质量、高精度、可应用于工业的难熔高熵合金的增材制造。

技术领域

本发明涉及一种环形激光熔覆缆式焊丝增材制造难熔高熵合金的方法及其使用的装置，属于激光增材制造领域。

背景技术

高熵合金是指由多种等摩尔比或近等摩尔比的金属(可含有非金属)元素组成的一种新型合金体系，通常也称为多主元合金。相比于传统的以一种或两种金属元素为主元的合金体系，高熵合金在热力学上具有高熵效应，在动力学上具有迟滞扩散效应，在结构上具有晶格畸变效应，在性能上具有“鸡尾酒”效应，从而使其具有常规金属材料难以比拟的高强度、高硬度、高耐磨/耐蚀性、耐高温等优异的综合性能。而难熔高熵合金则是指主要由难熔金属元素组成的一类高熵合金，通常也称超高温高熵合金或多主元超高温合金，其因具备优异的耐超高温性能和高温力学性能，已被认为是能带来航空航天领域革命性变革的材料。

钨、钼、铌、钽、钛、钒、锆、铼、铪等金属元素都可以作为主元制备难熔高熵合金，这些金属的熔点大都在1800℃以上，有些已经超过3000℃，因此使得制备高质量的难熔高熵合金变得异常困难。目前可供参考的难熔高熵合金制备方法主要包括：真空电弧熔炼法、机械合金化法和粉末冶金法。真空电弧熔炼法是应用最为广泛的耐熔高熵合金制备技术，它是利用电能在电极与电极或电极与被熔炼物料之间产生电弧来熔炼金属的电热冶金方法。真空电弧熔炼法具有合金锭不会被氧化、合金成分均匀等优势，但目前仅能用于制备小块高熵合金铸锭，尚无法进行大尺寸合金样件的制备，更无法进行复杂结构件制备，因此通常被用于在实验室条件下研究与制备难熔高熵合金，难以走向规模化工业应用。机械合金化法是一种粉末制备技术，通常先将粒度几微米量级的单质耐熔金属(也可含有化合物或合金)微粉进行机械混合，然后利用长时间的高能球磨工艺发生机械合金化反应制备合金粉体。粉末冶金法通常是使用经高能球磨合金化的粉体或直接使用采用单质耐熔金属微粉机械混合的粉体进行烧结或熔化增材制造成难熔高熵合金块体材料和构件。这种基于合金粉体的耐熔高熵合金制备方法最大的障碍是合金化的耐熔高熵合金粉末难以获得。基于粉末的制备方法虽然具有较好的工业应用潜力和较多的后续成形加工手段，但其粉末制备工序流程长、影响因素多、工艺复杂、制造成本高、最终粉末质量难以控制，材料制造效率也不具优势。

为了探寻更适合于工业应用且综合效果好的高熵合金制备技术，目前出现了一些采用绞股丝材(或称缆式焊丝)熔覆成形的技术。例如，申请公布号为CN108393558A的中国发明专利申请公开了一种采用金属丝材增材制造高熵合金零部件的方法，其将高熵合金零部件所需不同种类的金属丝材合为丝绳装入送丝装置或采用多通道送丝装置，采用保护气氛或在埋弧焊剂保护下进行熔化增材制造成形。又例如，申请公布号为CN110538945A的中国发明专利申请公开了一种难熔高熵合金胶股丝材、其应用及制备方法，其由5～7种不同的高熔点纯金属丝或含高熔点金属的合金丝绞合制成难熔高熵合金绞股丝材(即缆式焊丝)。又例如，申请公布号为CN110280921A、CN110280922A的中国发明专利申请分别公开了一种用于高熵合金堆焊的缆式焊丝及其制备方法、一种用于高熵合金电弧增材制造的缆式焊丝及其制备方法。由上可见，已有技术主要是集中于缆式焊丝的材料设计与丝材制造方面，对于利用缆式焊丝进行熔覆成形的工艺则主要是利用保护气氛熔化极电弧焊、埋弧焊等常规电弧堆焊技术，虽有文献提及缆式焊丝可以应用激光焊、电子束焊等进行增材制造成形工艺，但并未公开工艺的详细内容，本领域技术人员仍无法具体实施。