一种gh4099镍基合金构件的激光沉积成形工艺方法
阅读说明：本技术 一种gh4099镍基合金构件的激光沉积成形工艺方法 (Laser deposition forming process method of GH4099 nickel-based alloy component ) 是由 许旭鹏 钱远宏 李志勇 于 2020-11-24 设计创作，主要内容包括：本发明属于金属增材制造及高温合金技术领域,尤其涉及一种GH4099镍基合金构件的激光沉积成形工艺方法。步骤如下：将GH4099镍基合金制成合金粉末,干燥处理；选取对沉积成形的基板,进行预处理；设置激光沉积成的工艺参数并进行合金构件的沉积成形,得到合金构件；对得到合金构件进行热处理,得到外形尺寸、理化性能均合格的GH4099镍基合金构件。本发明通过对粉末的合金成分优化,实现了GH4099镍基合金在激光增材制造过程中的质量稳定控制,有效避免了晶间开裂；通过合理调控激光沉积工艺参数,实现激光功率与扫描速度的有效匹配,提高沉积层与基体制件的冶金结合质量,减少由于急速加热/冷却产生的热应力,保证产品内部质量。(The invention belongs to the technical field of metal additive manufacturing and high-temperature alloy, and particularly relates to a laser deposition forming process method of a GH4099 nickel-based alloy component. The method comprises the following steps: preparing GH4099 nickel-based alloy into alloy powder, and drying; selecting a substrate for deposition forming, and carrying out pretreatment; setting technological parameters of laser deposition and carrying out deposition forming on the alloy component to obtain the alloy component; and carrying out heat treatment on the obtained alloy component to obtain the GH4099 nickel-based alloy component with qualified overall dimension and physical and chemical properties. According to the invention, the alloy components of the powder are optimized, so that the stable quality control of the GH4099 nickel-based alloy in the laser additive manufacturing process is realized, and intergranular cracking is effectively avoided; by reasonably regulating and controlling the laser deposition process parameters, the effective matching of the laser power and the scanning speed is realized, the metallurgical bonding quality of a deposition layer and a substrate workpiece is improved, the thermal stress generated by rapid heating/cooling is reduced, and the internal quality of a product is ensured.)
技术领域
本发明属于金属增材制造及高温合金技术领域，尤其涉及一种GH4099镍基合金构件的激光沉积成形工艺方法。
背景技术
GH4099是典型的沉淀硬化型镍基变形高温合金，具有较高的热强性，在900℃下可长期使用，短时使用温度可达1000℃。该合金组织稳定，具有良好的冷热加工成型和焊接工艺性能，适合于制造航空发动机燃烧室和加力燃烧室等高温板材承力焊接结构件。但在空天装备制造工程应用中，该合金铸造性能差、加工难度高，在焊接过程中具有较高的热裂纹敏感性，易发生晶间开裂产生内部裂纹。严重影响产品性能，现有的制造手段难以满足生产需求。
近年来，随着同轴送粉增材制造技术的发展，采用激光沉积成形(LMD)的技术手段实现高合金化高熔点高硬度材料的近净成形，正成为高温合金制造领域的研究与应用热点。GH4099镍基合金的合金化程度高、合金元素熔点差异大，在高功率激光沉积和高频熔化凝固过程中，低熔点元素易在沉积冷凝过程中在晶界偏聚、或形成低熔点的共晶相，物相偏析极易引起开裂。本发明通过对原材料化学成分的优化调整、激光沉积工艺的合理设计，以及对制件的工艺性热处理等，可以有效该少沉积层的界面结合和冶金质量，进而消除晶界热裂，保证制件性能。
发明内容
本发明公开了一种GH4099镍基合金构件的激光沉积成形工艺方法，以解决现有技术的上述技术问题以及其他潜在问题中的任意问题。
为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是：一种GH4099镍基合金构件的激光沉积成形工艺方法，该方法具体包括以下步骤：
S1)将GH4099镍基合金制成合金粉末，并进行干燥处理；
S2)选取沉积成形的基板，并对基板进行预处理；
S3)构建待成形合金构件的激光沉积成形模型，采用激光沉积成形工艺方法将S2)得到粉料进行成形处理，即得到合金构件；
S4)对S3)得到合金构件进行热处理，得到外形尺寸、理化性能均合格的GH4099镍基合金构件。
进一步，所述S1)中GH4099镍基合金为合金棒材，所述合金棒材经旋转电极雾化法制备激光沉积用球形粉末，粉末粒径为75μm～185μm；所述粉末球形度不低于0.95。
进一步，所述GH4099镍基合金的各个组分的质量百分比为：Cr 17-20％、C≤0.06％、Mo 3.5-4.3％、Al 1.5-2.3％、Co 5.5％-8％、Si≤0.5％、Mn≤0.4％、W 5％-7％、Ti 1.1％-1.6％，余量为Ni和不可避免的杂质。
进一步，所述S2)中所述预处理的具体工艺为：在基板表面进行磨削，基板表面的粗糙度为Ra10-Ra13，，并用丙酮或乙醇清洗液进行清洗，以去除表面污渍及杂质。
进一步，所述基板为不锈钢板、碳钢板或高温合金板，
进一步，所述S3)具体步骤为：
S3.1)激光沉积的工艺参数为：激光功率1600W-2500W，扫描速率为700mm/min-900mm/min，光斑直径3mm-6mm，送粉速率为5-20g/min，送粉器流量为9-10L/h,送粉气为氩气或氮气，沉积分层厚度0.5mm-1.5mm；
S3.2)激光扫描方式为棋盘格扫描，棋盘格内扫描方式为单层条状往复扫描，上层与下层的扫描道夹角为45°-90°，相邻扫描道的搭配此搭接率为15％-50％，进行合金构件的沉积成形，得到合金构件。
进一步，所述沉积过程中成形腔内氧含量控制在1500ppm以下；所述的激光器为光纤激光器。
进一步，所述S4)中的热处理为固溶+时效的处理方式，所述固溶处理工艺方法为：热处理炉中在1120℃～1150℃保温1h～2.5h，空冷或气冷至室温；
所述时效处理方法为：在经过固溶处理后，将制件在热处理炉800℃～950℃环境中保温8h～14h，空冷至室温。
进一步，所述合金构件在700℃下抗拉强度≥800MPa，屈服强度≥600MPa，延伸率≥14％；
在900℃下抗拉强度≥320MPa，屈服强度≥260MPa，延伸率≥12％。
一种GH4099镍基合金构件，所述GH4099镍基合金构件采用上述方法制备得到。
本发明的有益效果是，由于采用了上述技术方案，本发明通过对粉末的合金成分优化，实现了GH4099镍基合金在激光增材制造过程中的质量稳定控制，有效避免了晶间开裂；通过合理调控激光沉积工艺参数，实现激光功率与扫描速度的有效匹配，提高沉积层与基体制件的冶金结合质量，减少由于急速加热/冷却产生的热应力，保证产品内部质量。
附图说明：
图1为本发明一种GH4099镍基合金构件的激光沉积成形工艺方法的流程图。
图2为本发明的激光沉积粉末微观形貌示意图。
图3为本发明实施例1中制备得到的构件的金相组织(沉积态)示意图。图3a为横向组织；图3b为竖向组织。
图4为本发明实施例1中制备得到的构件的成形件室温拉伸性能(热处理态)曲线示意图。
图5为本发明实施例2中制备得到的构件的金相组织(热处理态)示意图。图5a为横向组织；图5b为竖向组织。
图6为本发明实施例2中制备得到的构件的在700℃拉伸性能曲线示意图。
图7为本发明实施例2中制备得到的构件的拉伸断口形貌示意图，图7a为500#，图7b为1000#。
图8为本发明实施例3中制备得到的构件在900℃下拉伸性能曲线示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
如图1所示，本发明一种GH4099镍基合金构件的激光沉积成形工艺方法，该方法具体包括以下步骤：
S1)将GH4099镍基合金制成合金粉末，并进行干燥处理；
S2)选取沉积成形的基板，并对基板进行预处理；
S3)构建待成形合金构件的激光沉积成形模型，采用激光沉积成形工艺方法将S2)得到粉料进行成形处理，即得到合金构件；
S4)对S3)得到合金构件进行热处理，得到外形尺寸、理化性能均合格的GH4099镍基合金构件。
所述S1)中GH4099镍基合金为合金棒材，所述合金棒材经旋转电极雾化法制备激光沉积用球形粉末，粉末粒径为75μm～185μm；所述粉末球形度不低于0.95。
所述GH4099镍基合金的各个组分的质量百分比为：Cr 17-20％、C≤0.06％、Mo3.5-4.3％、Al 1.5-2.3％、Co 5.5％-8％、Si≤0.5％、Mn≤0.4％、W 5％-7％、Ti 1.1％-1.6％，余量为Ni和不可避免的杂质。
所述S2)中所述预处理的具体工艺为：在基板表面进行磨削，保证基板表面具有一定的粗糙度(Ra10-Ra13)，并用丙酮或乙醇清洗液进行清洗，以去除表面污渍及杂质。
所述基板为不锈钢板、碳钢板或高温合金板。
所述S3)具体步骤为：
S3.1)激光沉积的工艺参数为：激光功率1600W-2500W，扫描速率为700mm/min-900mm/min，光斑直径3mm-6mm，送粉速率为5-20g/min，送粉器流量为9-10L/h,送粉气为氩气或氮气，沉积分层厚度0.5mm-1.5mm；
S3.2)激光扫描方式为棋盘格扫描，棋盘格内扫描方式为单层条状往复扫描，上层与下层的扫描道夹角为45°-90°，相邻扫描道的搭配此搭接率为15％-50％，进行合金构件的沉积成形，得到合金构件。
所述沉积过程中成形腔内氧含量控制在1500ppm以下；所述的激光器为光纤激光器。
所述S4)中的热处理为固溶+时效的处理方式，所述固溶处理工艺方法为：热处理炉中在1120℃～1150℃保温1h～2.5h，空冷或气冷至室温；
所述时效处理方法为：在经过固溶处理后，将制件在热处理炉800℃～950℃环境中保温8h～14h，空冷至室温。
所述合金构件在700℃下抗拉强度≥800MPa，屈服强度≥600MPa，延伸率≥14％；
在900℃下抗拉强度≥320MPa，屈服强度≥260MPa，延伸率≥12％。
一种GH4099镍基合金构件，所述GH4099镍基合金构件采用上述方法制备得到。
实施例1：
一种镍基合金粉末激光沉积工艺，包含以下步骤：
采用GH4099镍基合金棒材经旋转电极雾化法制备激光沉积用粉末，粉末粒径分布为75μm～185μm，其化学成分及重量百分比为：Cr 17.8％、C 0.045％、Mo 3.7％、Al 1.9％、Co 6.79％、Si 0.26％、Mn 0.024％、W 6.8％、Ti 1.58％，余量为Ni和不可避免的杂质，对粉末进行200℃×2h烘干；
采用45钢板做沉积基板，对加工后基板表面进行磨削后用丙酮清洗；
设置好激光器与送粉轴的运动路线轨迹，采用棋盘格扫描方式进行沉积成形；
成形工艺参数为：激光功率1900W，扫描速率700mm/min，光斑直径3.5mm，送粉速率为15g/min，送粉器流量为10L/h，送粉气为氩气，沉积分层厚度0.5mm，道次搭接率25％，成形过程中氧含量控制在1200ppm以下；
成形完成后对制件进行热处理，采用热处理制度为1120±10℃，保温2h，空冷，800±10℃，保温8h，空冷。
如图2所示是经过干燥处理后的激光沉积粉末扫描照片，可以看出，经过干燥处理的粉末表面相对光滑，且不存在明显的卫星粉及粉末粘结现象，有利于粉末流动性的提升，从而有利于在同轴送粉器中的粉末输送。
如图3所示，是本发明专利激光沉积后试样沉积态的光学显微照片，金相组织中晶界清晰，晶粒细小，组织分布均匀，无裂纹、气孔、沙眼等缺陷。
如图4所示，是本发明专利实施案例1所得的成形件室温拉伸性能，试样的成形及热处理均为同炉同状态金相，从数据结果可以看出，本发明工艺稳定性好，样件制件性能误差小。
实施例2：
一种镍基合金粉末激光沉积工艺，包含以下步骤：
选取用GH4099镍基合金棒材旋转电极雾化法制备的粉末，粒径分布为75μm～185μm，球形度0.97，对粉末进行200℃×2h烘干，粉末化学成分：Cr 17.96％、C 0.04％、Mo4.15％、Al 2.12％、Co 6.49％、Si 0.16％、Mn 0.02％、W 5.88％、Ti 1.28％，余量为Ni和不可避免的杂质。
对不锈钢板进行适当的磨削处理，处理后利用丙酮溶液清洗表面；
设置激光沉积工艺参数，扫描方式为棋盘格，棋盘格内扫描路径为单向往复之字形扫描，开始制件沉积成形。主要工艺参数为：激光功率2100W，扫描速率850mm/min，光斑直径3mm，送粉速率为18g/min，送粉器流量为10L/h，送粉气为氩气，沉积分层厚度1mm，道次搭接率35％，成形过程中氧含量控制在1100ppm以下；
成形完成后对制件进行热处理，采用热处理制度为1140±10℃，保温1.5h，空冷，900±10℃，保温5h，空冷。
图5是本次试验案例中试样经固溶时效热处理后的金相组织照片，试样微观组织致密，未见层内未熔合、层间夹渣等冶金不良缺陷，经固溶时效处理，试样晶界处析出物明显，组织均匀。
图6是是本发明案例2中的试样700℃拉伸结果，从结果来看，试样经热处理后700℃下抗拉强度≥800MPa，屈服强度≥600MPa，延伸率≥14％，能够满足航天领域内该该材料的性能指标要求。
实施例3：
一种镍基合金激光沉积粉末的激光沉积方法，包括以下步骤：
选取用GH4099镍基合金棒材旋转电极雾化法制备的粉末，粒径分布为75μm～185μm，球形度0.96，对粉末进行200℃×2h烘干，粉末化学成分：Cr 18.61％、C 0.06％、Mo4.05％、Al 1.89％、Co 6.27％、Si 0.14％、Mn 0.02％、W 5.88％、Ti 1.19％，余量为Ni和不可避免的杂质。
对不锈钢板进行适当的磨削处理，处理后利用丙酮溶液清洗表面；
设置激光沉积工艺参数，扫描方式为棋盘格，棋盘格内扫描路径为单向往复之字形扫描，开始制件沉积成形。主要工艺参数为：激光功率2000W，扫描速率900mm/min，光斑直径3.5mm，送粉速率为21g/min，送粉器流量为11L/h，送粉气为氩气，沉积分层厚度1.5mm，道次搭接率40％，成形过程中氧含量控制在1100ppm以下；扫描方式为单层条状往复扫描，上层与下层的扫描道夹角为50°；
成形完成后对制件进行热处理，采用热处理制度为1140±10℃，保温1.5h，空冷，800±10℃，保温10h，空冷。
最后，对激光沉积后的零件表面进行打磨和抛光。
图7是本发明案例3中试样经900℃拉伸后的断口形貌，试样室温断口表现为沿晶韧性断裂，断裂面等轴韧窝分布均匀，断口因微区范围的塑性变形产生大量显微韧窝孔洞，未发现明显的裂纹源和扩展路径，未发现因致密度、夹渣、熔合不良而导致的裂纹形核与扩展,图7a是500#，图7b是1000#。
图8是本发明案例3中试样的900℃拉伸测试结果，抗拉强度≥320MPa，屈服强度≥260MPa，延伸率≥12％。
本发明对激光沉积粉末及激光沉积过程有明显影响的因素条件进行了限制，若不在本发明所限定的工艺条件范围下，可能会出现粉末堵塞导致不能送粉从而导致激光沉积不能继续进行的问题，或者是出现激光沉积层和基体之间存在裂纹、孔隙缺陷或沉积层性能不合格等不良现象。
本发明专利有效的避免了激光沉积过程中沉积效率低下、冶金缺陷、晶界开裂等熔合不良和内部质量问题，使得制件在室温、700℃、900℃环境下的拉伸性能达到航天应用指标要求。本发明专利针对当前工业实际需求，通过改善GH4099镍基合金成分及优化沉积工艺，发明出适用于高激光功率、大扫描速度条件下的镍基合金激光沉积粉末及相应的沉积方法。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。